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1、1 前 言1.1 课题的目的及意义随着我国科技迅猛发展，工业化程度不断地得到提高，但自然生态环境却遭到了越来越严重的破坏。现实生活中，随着人们生活水平的提高，对生活环境的质量也提出来更高的要求。当前，国内用于民用的生活环境监测系统较少，环境监测点通常位置分散、地理条件复杂、无人值守，因此人工抄取各监测点的数据很不方便、执行效率低，有线方式收集各检测点的数据投入大、布线麻烦、传输距离有限，没有形成完善的监控网。环境检测技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，传感器无疑是测量系统中重要的组成部分。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆，众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成
2、本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟待解决的问题。随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。与有线方式相比，无线方式具有如下几个显著的特点: 传输介质采用的是电磁波，特别适用于那些不适合或不方便架设电缆的现场。 在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制。
3、具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点。研究工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势，无线技术已经渗透到数据采集领域，本设计将传感器技术与数据无线传输技术结合，成功完成温度、亮度、湿度、噪声等检测与无线传输系统的硬件电路和系统软件设计，力图以无线化解决由铺设电缆带来的诸多问题，为工业控制带来便利。随着单片机的广泛应用和通信技术的日趋发展，超远程的实时监控越来越备受关注，尤其在国防和工业生产中更是起着无可替代的作用。针对上述情况，设计了一种基于单片机的环境监测无线网络系统。1.2 环境监测技术现状近年来，随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对环境监测技术的要求也愈
4、来愈高，各国专家都在有针对性地竞相开发各种特殊而实用的测量技术，并取得了重大进展。但目前我国环境监测仪器多是中小型企业生产，产品基本集中在中低档的环境监测仪器，远不能适应我国环境监测工作发展的需要。主要表现为：技术档次低，低水平和重复生产严重，规模效益差。产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高。研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不能适应市场的需要。1.3 无线通信技术的发展及现状无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有IEEE802.11 WLAN、蓝牙、IrDA、Home-RF、ZigBee、微功率短距
5、离无线通信技术等。与目前己经具备相当规模的无线长距离通信网络相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。（1）IEEE802.11802.11是个系列标准，由5个现行有效的标准802.11、802.lla、802.11b、802.1lb-Corl、802.11c和5个正在发展制定中的标准802.1le、802.11f、802.11g、802.llh、802.11i组成。IEEE802.llb技术标准是无线局域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在2.4GHz的频段上，采用了补码键控(CCK)调制技术
6、和直接序列调频(DSSS)技术，最大传输速率可达11Mbit/s，并且可以根据情况的变化，在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率之间自动切换，且在2Mbit/s、1Mbit/s的速率时与802.11兼容，它从根本上改变了WLAN的设计和应用现状，扩大了WLAN的应用领域。现在，大多数厂商生产的WLAN产品都基于802.11标准。802.l1a标准与802.11b 标准同年制定，它工作在5GHz频段上，使用OFDM(Orthogonal Frequeney Division Multiplexing)调制技术，支持6、9、12、18、24、36、48和5
7、4Mbit/s的传输速率。802.llb与802.lla两个标准都存在着各自的优缺点。802.llb的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11Mbit/s)，而802.lla优势在于传输速率快(最高54Mbit/s)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.llb与802.lla工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点(AP)的网络里，因此802.llb与802.lla互不兼容。为了解决上述问题，IEEE802.ll工作组开始定义新的物理层标准802.11g。802.11g标准与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：在2.4GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提
8、高到20Mbit/s以上；能够与802.llb的Wi-Fi系统互相连通，共存于同一AP的网络里，保障了后向兼容性，延长了802.llb产品的使用寿命，降低了用户的投资。（2）蓝牙（Bluetooth）技术蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，己经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级(100mw，25mw和lmw)当蓝牙设备功率为lmw时，其发射范围一般
9、为100m。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。（3）红外（IrDA）技术IrDA(Infrared Data Association)是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议，这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收发。IrDA设备使用发光二极管发送信号，波长范围875nm30nm。新制定的超高红外(VFIR)标准传输速率达到16Mpbs，相比传统版本的4Mbps快了4倍，接收角度也由原来的
10、30度扩展到120度。IrDA设备的使用不需要申请特定频率的使用执照，并且还具有体积小、功耗低、技术成熟的优点。IrDA数据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受到的干扰也较小，目前在成熟度和普及度上，IrDA是新兴的无线通信技术无法比拟的。但是，IrDA的缺点也很明显。首先IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件一红外LED容易损坏，因而设备寿命有限。（4）无线单片技术该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量
11、外围器件构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。由于其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络。目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是Nordic公司推出的nRF系列芯片。在对短距离无线通信的研究方面，目前国外除了继续完善和提高短
12、距离无线通信技术以外，对由短距离无线通信设备构成的无线网络进行了较多的理论研究，其典型代表是对主要应用于军事的无线传感器网络的研究。这些研究主要集中在无线网络的路由协议、介质访问协议，节点间的同步以及数据融合技术等方面，并提出了大量针对不同应用的网络模型和通信协议。目前国内高校对短距离无线通信在生产和生活中的应用上研究的较多。其中郑州大学的周勇庆、武汉科技大学的钱丽、吉林大学的尹刚、浙江大学的张辉等分别对短距离无线通信在汽车轮胎压力实时监测、酒店无线点菜、不停车收费、工业控制系统总线的无线传输等领域的应用进行了研究。这些研究大多着重于无线通信功能的实现，对应用中的低功耗和抗干扰性能没有进行深入
13、的研究。1.4 课题研究内容环境监测与无线传输系统是无线通信技术在温度数据无线传输方面的一个具体应用。该系统属于无线通信系统，设计的最主要内容是对其完成功能得各部分硬件电路设计和系统软件设计。设计时应注意以下几方面： 选用传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，安装方便，维护简单的器件。 在硬件设计时，结构要尽量简洁实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/O资源，使系统电路尽量简单。 在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统稳定性。 软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序
14、，做到程序简单，调试方便。 通过软件设计，尽量降低无线数据传输过程中的误码率。2 系统方案论证与设计2.1 系统设计要求分析基于单片机的环境检测与无线传输系统具有如下要求： 为了能大范围的采集现场传感数据，系统由多个传感器节点和数据接收端组成，两者之间以CAN总线方式传输数据。传感器节点和数据接收端的关系是点对多点的通信关系，各个传感器节点具有相同的结构。传感器节点与数据接收端共同组成了一个小型的CAN总线传感器网络。 考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集，因而传感器节点的电源由电池来提供，由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便，采集节点必须具有低功耗，以确保系统在电池供电条件下能正
15、常工作4个月以上。 由于数据接收节点工作位置相对固定，工作地点无布线条件限制，接收端接受到的各个传感器节点的数据在经过处理后，由数码管显示并通过通信接口传送到外部网络，也可在上位机上进行数据的显示、存储及其它相关操作。为使系统结构简单，接收节点也采用电池供电。 系统工作环境恶劣，各种千扰因素多，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。 系统应具有体积小、成本低、开发周期短、功耗低的特点。2.2 系统总体方案实现分析本系统要求将监测到的现场温湿度、亮度、噪声等情况传送到环境监控中心，有环境监控中心和以若干个发送中端为基本监测点的监测系统，即建立一个点到多
16、个点的通信网络。系统主要构成有：数据采集模块、单片机控制模块、发射和接受及监控模块，其结构如图2.2.1所示。数据采集模块将采集信息通过CAN总线网络传输至无线模块，利用无线网络，以无线的形式发送出去，接受模块将接收到的信息送给监控计算机，来实现显示监控。整个系统需要解决四个技术难题： 单片机如何控制A/D转换器来处理现场的数据； 单片机怎样与无线发射模块实现连接和通信； 接收模块； CAN总线网络的传输。单 片 机 控 制PC机数据采集点数据采集点无线发射模块无线接收模块单 片 机 控 制语音播报LCD显示CAN总线 RS232图2.2.1系统总体结构框图2.2.1 数据采集节点方案设计本系
17、统中的所有传感器节点具有相同的硬件结构，结构框图如2.2.2所示。微 处 理 器时钟SRAM传感器CAN 总线节点外 部 电 源 图2.2.2 传感器节点结构框图从图2.2.2可以看出，传感器节点由传感器、微处理器、CAN总线节点、外部电源、时钟组成。主要完成数据采集并由CAN总线送往无线模块打包发出。2.2.2 接收端方案设计接收端结构方框图如图2.2.3所示。LCD显示无线收发模块SRAM微 处 理 器时钟语音播报系统RS-232接口PC机外 部 电 源 图2.2.3 接收端结构框图从图2.2.3中可以看出，数据接收端由微处理器、时钟、4位数码管显示模块、SRAM、无线收发模块、外部电源、
18、语音播报电路、RS-232通信接口组成，主要完成的功能是： 利用无线收发模块接收各个传感器节点发送的实时数据和发射控制命令。 微处理器对数据处理后通过数码管显示，并通过语音播报系统报数。 将数据通过RS-232通信接口发送给上位机存储显示，对系统进行控制。2.3 系统开发工具 2.3.1 硬件开发工具介绍Protel是由始建于1985年的Protel Technonology公司开发的、功能强大的电子电路设计软件，历经Protel for Dos、Protel98、Protel 99和Protel 99SE等版本，2002年Protel Technonology公司更名为Altium公司，并推
19、出Protel的最新版本Protel DXP。Protel DXP主要应用于电子电路设计与仿真、印刷版电路（PCB）设计及大规模可编程逻辑器件的设计，它是第一个将所有设计工具集成于一身，完成电路原理图到最终印刷电路板设计全过程的应用型软件。同时，Protel DXP将项目管理方式、SCH图和PCB图的双向同步技术、多通道设计，拓扑自动布线以及电路仿真等技术进行了完美的结合，称谓当今最为流行的电路设计制版软件。图2.3.1 是Protel DXP开发环境界面。图2.3.1 Protel DXP开发环境界面Protel DXP的新增功能与特性主要体现在以下几点： Protel DXP是各种设计工具
20、更加紧密集成，大大提高了同步化程度； Protel DXP支持自由的非线性流程设计，即双向同步设计； Protel DXP支持VHDL设计和混合模式设计； Protel DXP支持多重组态设计，对于同一个文件，可以指定使用或不使用其中的某些元器件，然后形成元器件表或插置文件等； 集成元器件与元器件库。Protel DXP采用集成式元器件，一个元器件特性包括元器件符号（Symbol）、封装形式（Footprint）、SPICE（集成电路仿真）元器件模型和SI信号完整元器件模型； 强化设计检验。Protel DXP可使原理图与电路板之间的转换更加流畅，另外还使交互参考的操作变得更容易； 强大的尺寸
21、线工具。Protel DXP提供了一组强大的尺寸线工具，可以再移动元器件的时候自动更正尺寸； 可直接在电路板内进行信号的分析。Protel DXP可直接在PCB编辑器中进行信号分析； 波形数据的输入与输出 Protel DXP可通过电子表格形式输出仿真波形上的各点数据, 共其他程序应用, 也可以让其他程序的波形数据作为输入。2.3.2 软件开发工具介绍单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件
22、有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行的单片机开发的软件。Keil C51 Vision2集成开发环境是美国Keil Software公司开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。图2.3.2为Keil C51 Vision2集成开发环境界面。图2.
23、3.2 Keil C51 Vision2集成开发环境Keil C51 Vision2集成开发环境的主要功能有以下几点： Keil C51 Vision2：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中； C51国际际准化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块； A51宏汇编器：从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块； BL51链接器/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块； LIB51库管理器：从目标模块生成连接器可以使用的库文件； OH51目标文件至HEX格式的转换器，从绝对目标模块生成Intel Hex文件；
24、 RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。3 传感器节点电路设计3.1 控制器选择及介绍3.1.1系统控制器方案比较作为应用系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用，系统方案比较如表3.1.1。表3.1.1 系统控制器方案比较控制器优点缺点DSP功能强大，能完成复杂的控制和数据处理任务开发成本、周期要比单片机要高、要长且开发难度大 ARM资源丰富，处理能力强，扩展简单、功耗低开发成本、周期比单片机要高、要长单片机实现简单，开发成本低，周期短、功耗低处理能力不强，被控对象少，抗干扰能力较差DSP器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。
25、但从现阶段各种DSP器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用，而且目前其价格较高，开发技术难度大。ARM芯片具有体积小、功耗低、低成本和高性能的特点，但是与DSP器件一样，不适合应用在小型系统的场合。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机、面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器(DSP)、增强型的16位单片机以及32位的ARM芯片。51单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其价格低廉，开发技术成熟，应用广泛。如今各大公司纷纷推出各种面向不同应用场合的增强型单片机，这些系
26、列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较高的处理速度，大容量ROM和RAM，往往处理器本身就已经一个小系统模式，仅仅需要一些简单的电容、电阻元件就可以工作。这类微控制器正好满足无线数据传输系统低功耗、低价格、开发简单的要求。用单片机组成的微机控制系统具有以下特点： 受集成度限制，片内存储器容量较小，一般片内ROM小于48K字节，片内RAM小于256字节；但可在外部进行扩展，如MCS-51系列单片机的片外可擦可编程只读存储器(EPROM)静态随机存储器(SRAM)可分别扩展至64K字节。 可靠性高。单片机芯片本身是按工业控制环境要求设计的，其抗工业噪声的能力优于一般通用CPU；程序指令及其常
27、数、表格固化在ROM中不易破坏；常用信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行输入/输出端口，很容易构成各种规模的微机控制系统。 控制功能强。为了满足工业控制要求，单片机的指令系统中有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 一般的单片机内无监控程序或系统管理软件，软件开发工作量大。但近年来已开始出现了片内固化有BASIC解释程序及FROTH操作系统的单片机，使单片机系统的开发提高了一个新水平。此外，单片机成本低、集成度高、控制功
28、能多，可灵活地组装成各种智能控制装置，并能有针对性设计成专用系统，解决从简单到复杂的各种需要，实现最佳的性价比。特别是单片机与传统机械产品相结合，使原有机械产品的结构简化、控制智能化。近年来，单片机发展极快，其产量占微机产量的70%以上。目前，至少有50个系列400余种机型，性能和结构各不相同，Intel、Motorola、Atmel等公司都有系列单片微型计算机。本系统选用美国Atmel公司AT89S52单片机，AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。它具有89C52的全部功能，是80C51的增强型并且指令完
29、全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。3.1.2 AT89S52单片机简介AT89S52单片机有如下特点： 兼容MCS51单片机 8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期 256字节片内RAM 工作电压4.0V6.0V 全静态时钟0Hz33MHz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 3个16位定时器/计数器 八个中断源 掉电标识符 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 双数据指针此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将
30、使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性；AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHz；最后，AT89S52支持ISP（In-System Programming）在线下载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个：RST、MOSI、MISO和SCK。用户可以直接替换应用系统中的AT89C51/52，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C51/52单片机的用户更新换代带来许多方便。 正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、
31、安全性的功能，所以能避免因外部环境恶劣而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生。因此，用它作为系统的控制器可以满足检测与控制的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合本设计的要求。图3.1.1 AT89S52引脚图AT89S52单片机引脚如图3.1.1所示。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写1时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节，在程序校验时，输出
32、指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入，具体如表3.1.2所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 表3.1.2 P1口的第二功能引脚号 第二功能 P1.0T2 (定时器/计数器T2的外部计数输出)，时钟输出 P1.1T2EX (定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向
33、控制) P1.5MOSI (在系统编程用) P1.6MISO (在系统编程用) P1.7SCK (在系统编程用)P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口是一个具有
34、内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3口也可作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.1.3所示。在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表3.1.3 P3口第二功能 引脚号 第二功能 P3.0 RXD(串行输入) P3.1 TXD(串行输出) P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0(定时器0外部输入) P3.5 T1(定时器1外部输入) P3.6 WR(外部数
35、据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通)RST复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址所存控制信号ALE是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0
36、位置1，ALE操作将无效。这一位置1，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP是访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡
37、器反相放大器的输出端。3.2 单总线技术目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有总线、SPI总线和SCI总线。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，美国DALLAS半导体公司开发了一种新技术单总线技术。它采用单根信号线完成数据的双向传输，并且可以通过该信号线为单总线器件提供电源。它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点，适用于远距离、多点测试、集中控制、现场缺电等场合。单总线系统是由挂在一对双绞线(一根信号线，一根地线)上的单总线器件芯片，专门的通信协议组成，该系统中只有一个总线命令者，从者可以有多个。总线命令者可以是PC机或者普通的单片
38、机，从者是DALLAS公司提供的单总线器件芯片。下面从硬件配置、总线协议和总线信号三方面介绍单总线技术。3.2.1 单总线的硬件配置单总线系统只定义了一根信号线。总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它，相当于把地址线、数据线、控制线合成一根线对外进行数据交换。为了区分这些芯片，厂家在生产每个芯片时，都编制了唯一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来，组成一个自动测控系统，甚至还可以组成一个微型局域网。厂家对每个芯片用激光刻录了一个64位二进制ROM代码。从最低位开始，前8位是族码，表示产品的分类编号；接着的48位是一个序列号；最后8位是前56位的CRC校验码。由于这些芯片采用CMOS技术，耗电
39、量很小（空闲时几uW，工作时几mW），从单总线上吸收一点电流储存在芯片内的电容中就可正常工作，故一般不用另附电源。单总线上通常处于高电位（5V左右），每个器件都能在需要时驱动它。为了避免在不工作时给总线增加功耗，单总线器件都是漏极开路或者三态输出的。连接单总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将可能发生错误；将总线电缆改为双绞屏蔽电缆时，正常通信距离可达150m。单总线的数据传输有两种模式：通常情况下，以16.3kbps的速率通信，超速模式可达142kbps。因此，单总线数据传输只能用于对速度要求不高的场合，一般用于100kbps以下速率的测控或数据交换
40、系统中。3.2.2 单总线的总线协议总线协议是软件设计的任务。在单总线系统中，软件设计是技术的关键。简洁的硬件配置是依靠复杂的软件来支持的。在PC机作为主控机时，单总线软件设计基于DALLAS公司授权的软件开发商提供的成套开发工具，为软件开发应用带来很大的便利。而用单片机作为主控机时，需要依据单总线协议，用汇编语言或高级语言来编写全部软件，给开发应用增加了一定的难度。总线协议保证了数据可靠的传输，任一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。一次数据传输可分为以下四个操作过程: 初始化；传送ROM命令；传送RAM命令；数据交换。单总线上所有的处理都从初始化开始。初始化时序是由一个复位脉冲和一个或多
41、个从者发出的应答脉冲组成。应答脉冲的作用是：从器件让总线命令者知道该器件是在总线上的，并准备好开始工作。当总线命令者检测到某器件的存在时，首先发送7个ROM功能命令中的一个命令：读ROM；写ROM；查找ROM；跳过ROM；超速匹配ROM；超速跳过ROM；条件查找ROM。当成功执行上述命令之一后，总线命令者可发送任何一个可使用的命令来访问存储和控制功能，进行数据交换。所有数据的读写都是从最低位开始的。3.2.3 单总线的总线信号单总线传送的数据或命令是由一系列的时序信号组成的，单总线上共有4种时序信号：初始化信号；写0信号；写1信号；读信号。各器件的数据手册对这4种波形参数都作了具体要求，设计中
42、应保证指令执行时间小于或等于时序信号中的最小时间。这部分软件必须用单片机的汇编语言进行编程，以确保严格的时间关系。4 传感器模块设计4.1 温湿度传感器电路设计4.1.1 SHT10 温湿度传感器的技术特性SHT10温湿度传感器属于SHTxx系列产品，是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体测温敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接，工作电压为2.4V5.5V。具有超快响应、抗干扰能力强、功耗低、极高的可靠性与卓越的长期稳定性。SHT10温湿度传感器主要技术参数如表4.1.1所示。表4
43、.1.1 SHT10温湿度传感器主要技术参数参数条件MinTypMax单位供电DC2.455.5V供电电流测量550uA平均421952uA休眠0.31uA低电平输出电压00.2Vdd低电平输出电压75%1Vdd低电平输入电压下降沿80%0.2Vdd低电平输入电压上升沿1Vdd焊盘上的输入电流1uA输入峰值电流on4mA三态门（off）10uA传感器的应用环境要求：如果一些大分子与传感器内部的湿敏元件接触，很难再发挥到空气中，会阻塞空气中水分子的渗入，导致传感器反应不灵敏，测量湿度偏高。因此，在使用过程中，传感器要远离塑料、硅胶、香水等大分子材料和物质。注意上拉电阻的链接：因为由于不加上拉电阻
44、或者阻值选用不当，给应用带来麻烦。通常情况下，建议采用在数据线DATA上加10K-20K的上拉电阻。具体情况由用户根据自己的单片机类型进行调整。注意SCK的频率选择：建议SCK的频率范围为10KHZ。如果选用频率较高，要在软件加一些延时和空操作指令，以调整时序。SCK的最低频率没有限制。注意单片机的I/O设置：注意选用不同单片机编程时对SCK、DATA的I/O方向设置与转换。注意避免冷颖现象的发生：SHT系列温湿度传感器在结露和浸水的情况下，其本身的性能和质量不会受到任何损坏，但是，由于水滴对敏感元件的影响会导致传感器测量数据不准确，此时读出的数据不具有实际意义。如果传感器工作在95%RH以上
45、高湿环境，要避免发生冷颖现象。4.1.2 SHT10 温湿度传感器的内部结构与引脚端功能SHT10温湿度传感器采用的是表面贴片LCC封装。测湿精度为4.5%RH，在25测温精度为0.5。其内部结构和引脚排列如图4.1.1和图4.1.2所示。SHT10温湿度传感器芯片上集成了一个可通断的加热元件。接通后，可将SHTxx 的温度提高大约 5（9）。功耗增加 8mA 5V。应用于：比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。 在高湿 (95 %RH) 环境中，加热传感器可预防结露，同时缩短响应时间，提高精度。 图4.1.1 SHT1x内部结构框图图4.1.2 SHT10引脚排列图引
46、脚名称及功能如表4.1.2所示。表4.1.2 SHT10 （4-pin单排引脚名称注释）引脚名称注释1SCK串行时钟，输入2VDD供电 2.4-5.5V3GND地4DATA串行数据，双向其VCC和GND为电源引脚，SCK和DATA为与控制器通信的串行接口引脚。封装类型SHT10采用4针的单排引脚形式包装，封装如图4.1.3。液晶聚合物环氧包覆外壳，标准0.8 mm FR4衬底。不含铬、汞。传感器头部通过小桥接器实现与引脚的连接，以降低热传导及响应时间。传感器头部背面的镀金板与GND引脚相连。在背面VDD与GND之间安装了一个100nF的电容。所有引脚均镀金处理，以防腐蚀。可焊接使用，也可与1.27 mm (0.05”)的插槽匹配。 图4.1.3 SHT的封装尺寸SHT10 的供电电压为 2.45.5V。传感器上电后，要等待 11ms 以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，G