CD4051和AD595制作的温度采集仪
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CD4051和AD595制作的温度采集仪
在电子工业中，随着整机集成度的提高和元器件的微型化、复杂化，在印制板上焊接元件时对各种焊接设备？波峰焊、回流焊、SMT等内的工艺要求越来越高。这就需要一种可移动的数据仪器，能随传送带进入焊炉内，测量记录下不同焊点？印制板上的焊盘孔、过孔等在焊炉内不同位置时的参数，并能将测量数据方便地传送给电脑，进行数据曲线的显示、分析和打印，以便制定和执行合适的工艺流程。本文引用地址：无线通信可以去除设备对线缆和连接器的依赖。IrDA红外通信是一种低价且适应性广的短距离无线通信技术，只要通信双方都支持IrDA协议，就能很快建立通信链路，实现数据交换。近来红外通信在电子设备中得到了广泛的应用。为此，研制了带有红外接口的移动式温度数据仪。该仪器由可充电电池供电，以1Hz的率同时对&8的温度测量点采集600s的数据。温度测量范围为0℃～300℃，测量精度为满量程的1%。测量数据存于E2PROM中，可掉电保存，直到下次采集将数据更新。通过串行红外接口，仪器可将存储的测量数据方便地传送给电脑。用可视化编程工具VisualBasic6。0了Windows界面的数据接收和处理软件，既方便硬件间的连接又便于测量数据的输出与分析。1采集仪的硬件原理仪器的硬件设计贯彻了确保性能、缩小外形(特别是高度要求苛刻)、便于移动、降低功耗和机内隔热的原则。硬件框图如图1所示。图1中数据存储单元是具有I2C串行接口的E2PROM，用于保存测量数据。红外接口电路采用Vishay公司的TFDS4500串行红外收发模块及其控制器TOIM3232。1。1信号调理及芯片的应用八个通道的K分度号热电偶将温度信号转换成mV级电压信号输入给采集仪。信号调理电路包括多路切换电路和热偶信号调理专用电路。在实际的热电偶测温中，必须进行冷端补偿、调零、电压放大和线性化等比较繁琐的工作，否则会造成很大的误差。是AD公司针对上述问题设计的专用芯片，内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。被测温度与AD595输出电压的关系是10mV/℃，芯片在+5V~+30V范围内都可正常工作。随所测温度量程增大，电源电压应相应提高。图2是模拟开关电路与AD595组成的信号调理电路。需注意的是，AD595的第1脚要求接热电偶正极且接地，模拟开关切换的是各热电偶的负极。图2中电位器Ｗ用于微调冷端补偿电压。AD595的7脚是负电源端，由于不测0℃以下的温度，不用负压供电，所以7脚可接地。AD595的12、13脚是热偶故障报警电路的输出端，13脚接地后，集电极开路的12脚接上拉电阻。热偶正常时输出高电平，断偶故障时输出低电平。将这个逻辑电平引入单片机，用于对14脚热偶电压的正确判断。1。2模数转换及MAX144电路的应用模数转换电路是以单片机为核心的数据采集系统的关键环节，这里采用美信公司12bit串行输出的A/D器件MAX144。它具有两个输入通道，通道CH1用于转换来自信号调理电路的温度测量信号；另一通道CH0用来转换仪器内的电池电压信号(电池电压的高低，在电脑显示数据曲线的同时告知用户)。MAX144是8脚&MAX封装，非常适合于微小型手持仪器，其引脚功能及周边接线如图3所示。MAX144的引脚5是基准电压引入端，用4。096V的AD292作为外接基准源，模拟输入信号1mV对应于数字输出1个字，相当于温度0。1℃的分辨率。MAX144的串行输出是SPI/QSP兼容接口。CS、SCLK、DOUT分别接单片机的三条I/O口线，其读入A/D转换结果的子程序框图如图4所示。转换结果的第13位用来判别读入的是哪个A/D通道。每个测量值两个字节，按顺序存入E2PROM中。1。3串行红外输出及TFDS4500，TOIM3232的应用红外输出主要由Vishay公司的串行红外收发模块TFDS4500完成。此模块为低功耗、侧式封装，符合IrDA1。2串行红外传输标准，其最高的红外传输速度为115。2Kbit/s。引脚SC控制收发模块的灵敏度。SC为高电平时，模块的灵敏度提高，可以感测到非常微弱的红外信号，这样可以扩大传输距离，但其抗干扰能力被降低；当SC为低电平时，模块的灵敏度降低，但其抗干扰能力有所提高。在本设计中，传输距离不太远，故将SC接地。引脚Vcc-SD为电源/关闭引脚。当该脚为低电平时，红外传输模块关闭，达到低功耗目的。根据IrDA红外传输标准，串行红外传输采用特定的脉冲编码标准，该标准与RS232串行传输标准不同。这里采用TOIM3232传输控制器，以进行RS232编码和IrDA编码之间的转换。在输出模式下，TOIM3232可把RS232信号转换成符合IrDA标准的信号以驱动红外发射器；在接收模式下，它可将IrDA输入信号转换成符合RS232标准的信号。该控制器可通过RS232口进行编程，以控制输出脉冲宽度和波特率，其输出脉冲宽度可程控为1。627&s或3/16位长。因3/16位长功耗大？在本设计中使用前者。图5为红外通信主要信号接线图。1。4整机微功耗设计由于采集仪是电池供电，对功耗的要求比较高，主要采取了以下措施：(1)尽量使用微功耗器件；(2)通过模拟开关的热偶信号是负电压，按一般要求其第7引脚VEE需接负电源。但实验证明，在VEE接地的情况下仍可通过-0。1V~+Vcc的信号。这样可省去负电源变换器，既缩小了体积又降低了功耗；(3)单片机的CPU在不工作时处于休眠状态，MAX144不转换时自动关断；(4)不传输数据时，红外传输模块关闭。最大限度地降低功耗。2采集仪数据传送和处理的可视化编程
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山东大学 硕士学位论文 多点无线温湿度实时监控系统的设计与实现 姓名：王美红 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：王济浩;吴顺伟
山东大学硕士论文摘要随着电气技术、微电子技术与计算机技术的飞速发展，仓贮系统检测、控制、管理自动 化已迫在眉睫，尤其是近年来仓贮系统的容量不断扩大，传统的方式已经远远不能满足实际 生产的需要，建立一种管理科学、操作简便、运行可靠的高效率软硬件已是必需。 粮库库房的原有温湿度检测都是采用人工检测和控制，方法老化、控制设施滞后，如果 采用一般仓贮远程监控采用的有线控制，即重新布线或借助于电力线进行信号传输，施工劳 动强度大，投资大。本设计以科技创新的观点，研究与设计以ＰＣ机为控制核心，采用无线数 字温度和湿度传感器的自动测控系统，对库区内每个库房中各仓位的温度及湿度的变化情况 进行实时自动测试，数据传输的采用无线传输方式，实时显示和监测各个仓库的环境变化情 况，通过适当的软、硬件抗干扰处理和控制室计算机的分析处理，实现现场的控制，使仓库 达到恒温、恒湿状态，从而提高仓库的科学管理化、控制自动化水平，对有效地提高事故的 预见性和工作效率有着重要的实际推广价值和理论研究意义！ 本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体设计方案。包括系统要完成的设 计功能，达到的技术指标，系统的设计原则，由此简要介绍系统的整个组成和系统工作原理：二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计。包括传感器的静动态特征介绍，采用单总线技术的ＤＳｌ８２０数字温度传感器测温时序、测温原理、测温电路以及测温系统软件设计，湿度传感器ＨＭｌ５００的湿度测量电路。三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计。四 是对计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。本系统将信息采集、信息传输、信息处理等多种信息技术相互融合，采用了多种总线技 术，将粮仓环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出了一种切实可行的监测系统， 该粮仓温、湿度测控系统实用性强，成本低，数据传输效率高，可靠性好。它不仅可以应用 于粮库的监控管理，而且也可推广一到其他监控领域，因此具有广泛的应用前景。 关键字：温度传感器；湿度传感器；数据采集；无线通信Ｖ山东大学硕士论文 ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｎｅｗ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆｓｔｏｒａｇｅｈａｓ ｂｅｅｎｉｎｇ ｒｅａｔｎｅｅｄ．Ａｓ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ ｓｉｎｃｅ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｗａｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆａｒ ｃｒｙ ｆｒｏｍ ｄｅｍａｎｄ ｉｎ ｒｅａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ＳＯ ｉｔ’Ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｓｅｔｕｐ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓａｆｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｔ ｉｓ ｉｎ ｇｒａｉｎ ｄｅｐｏｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｏｆｆｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｉｎｅｖｅｒｗｏｒｋｓｈｏｐ ａｎｄ ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅ Ｗａｓ ｅｘｅｃｕｔｅｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｍａｎＰｏｗｅｒ．Ｈｏｗａｔｈｉｓ ｗａｙ ｈａｓ ｗａｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓｂｅｃｏｍｅ ｏｌｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ；ｉｎｓｔｅａｄ，ｉｆ ｉｔ ａｄｏｐｔｓｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｔｏｒａｇｅ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅｗｉｒｅ―ｃｏｎｔｒｏｌａｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ．ａｎｄ ｈｉｇｈａｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ，ｂａｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｏｒｅｏｎｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ，ｔａｋｅｓ ＰＣｔｈｅａｎｄａｄｏｐｔｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｐｅｃｉａｌｉｚｉｎｇ ｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｄｉｇｎｉｔｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄｏｆｆｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｂｏｔｈ ｉｎ 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ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ．ｔｈｅ ｓｏｆｃｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｐ ｈａｓｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒＤＳ １ ８８２０ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｏｎｅ－ｗｉｒｅｔｏｂｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｃｉｒｃｕｉｔｏｆｓｅｎｓｏｒ ＨＭｌ５００，ｉｎ ｏｒｄｅｒｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆｈｕｍｉｄｉｔｙ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｅｄ ｂｙ ｍｏｃｋ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆｌ ｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｉｔ ｄｅｓｉｇｎｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＶＩ山东大学硕士论文ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ；Ｔｈｅ ｌａｓｔ，ｉｔ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｏｕｇｈｔｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｏｔｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｍｏｄｅｍｓｉｇｎａｌｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｍａｎｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｂｕｓ ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｂｉｎｅｓａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆＳＣＭ ａｎｄ ｂｙ ｍａｎｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｐｒｏｐｏｓｅｓｏｎｅｋｉｎｄ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ａｎｄ ｉｔ ｈａｖｅ ｌｏｗｅｒ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｈｉ：ｇｈ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｅｙ．Ｉｔ ｉｓｎｏｔｏＩｌｌｙａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆａｇｒａｎａｒｙ，ｂｕｔｐｒｏｓｐｅｃｔ．ａｌｓｏ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ａｒｅａｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｔ ｈａｓｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｏｒ：Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＶⅡ原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：型苤纽日期：牮馆关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）……：盥一稚铲日 期妇每够汐山东大学硕士论文第一章绪论１．１问题的提出防潮、防霉、防腐是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标， 它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性，为保证日常工作的顺利进行，首要 问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作，这项工作，传统的方法是用干湿度表、毛 发湿度计、湿度试纸和温度计等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度及湿度 要求的库房进行通风、去湿和降温等工作，这种人工测试方法费时费力、效率低且测 试的温度和湿度误差大、随机性大。 随着电气技术、微电子技术与计算机技术的飞速发展，仓贮系统检测、控制、管 理自动化已迫在眉睫，尤其是近年来仓贮系统的容量不断扩大，传统的方式已经远远不能满足实际生产的需要，建立一种管理科学、操作简便、运行可靠的高效率控制系统已是必需。为此，研究与设计以ＰＣ机为控制核心，基于数字温度和湿度传感器的自 动测试系统，对库区内每个库房中各仓位的温度及湿度的变化情况进行实时自动测试， 一旦出现异常现象便于及时处理，有效地提高事故的预见性和工作效率有着重要的实际推广价值和理论研究意义。本系统主要监测仓库现场的温度和湿度等参数，实时显示和监测各个仓库的环境 情况，通过控制室计算机的分析处理，实现现场的控制，达到恒温、恒湿状态，从而 提高仓库的科学管理化、控制自动化水平。如果使用一般仓贮远程监控采用的有线控 制，即重新布线或借助于电力线进行信号传输，这需要对已经修建好的仓贮设备重新 布线，施工劳动强度大，投资大。本次技改以科技创新的观点，拟采用基于无线传输 的设计思路，通过适当的软、硬件抗干扰处理，通过测控系统的硬件处理、软件算法 及功能实现方面有所改进。１．２粮情检测技术的国内外研究动态粮情检测属监控系统范畴，近年来，由于计算机技术、超大规模集成电路技术和 网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域，因此，粮情检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。ｌ山东大学硕士论文 １．２．１硬件技术早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒 粮。这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因， 温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被及时发现，导 致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。 随着科技的发展，从１９７８年开始，采用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器、 报警器等组成的储粮监测系统出现，它可对各粮库的各个测温点进行巡回检测，检测 速度、精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致使检测精 度、系统可靠性还不够理想。至１９９０年，粮情检测系统有了很大的改善和提高，系统 在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路，在传感器方面应用了半 导体、热电偶等器件；在线路传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输线根数； 采用单片机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输及检测速度，通过软硬件技 术的结合，检测精度和可靠性较前有很大提高。但温度传感器的线性度差，系统的检 测精度仍不理想，无法大面积推广。近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的 广泛应用，粮情检测的准确性、稳定性要求越来越高。寻找最佳配置和最好的性价比 成为粮情监测研究的热点。 国外在粮情监控技术上已达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于 粮情检测系统。这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管芯 上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等， 除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路Ａ／Ｄ转换、温度补偿等 功能。由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及 传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。 目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块、中继器、接插 器、分线器等，技术也比较成熟。数字传感技术、通信技术、计算机成为当今信息技 术的的三大基础，计算机监控技术已成人们关注的热点。１．２．２软件技术近年来，各种计算机软件开发平台有了很大的发展，特别是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ２Ｂａｓｉｃ、ＰｏｗｅｒＢｕｉｌｄｅｒ的不断升级，数据库功能增强，能够山东大学硕士论文 使用ＯＤＢＣ驱动程序访问各种数据系统，并可使用ＡＤＯ、ＤＡＯ等各种应用程序开发接口， 操纵数据库中数据，管理数据库、数据库对象与结构，方便地对监测数据进行显示、打印、查询、自动控制等操作，为高性能的测控软件设计提供了基础。１．２．３软件产品美国、加拿大等代表的产粮大国在粮情监控技术上已达到了很成熟的地步，高科 技数字式传感器广泛应用于粮情检测系统，并有一定数量的检测系统软件产品推出， 监测的速度、精度都达到了较高的水平。国内粮情检测系统的研究主要采用电阻式温 度传感器、采样器、模数转换器等作为基本硬件，线路复杂，不易维护，软件设计较 简单。国外的产品价格昂贵，粮库难以承受，国内的产品目标性强，仅适应特定环境， 一致性差。最近几年，国内设计者把目光投向国外，硬件也采用数字传感器，但多传 感器测温电缆的设计与检测精度和速度的相互协调目前还是个难题，检测精度与国家 粮食储备局的有关文件要求还有一定差距，数据采集速度不够理想，由于人员少、路程远等方面的原因，后期维护质量较差。总之，粮情监测技术在软、硬件方面的研究，国外有成熟先进的研究经验，国内 既有经验又有不足，这些为本项目提供了一定的研究基础和研究空间。１．３无线通信技术的发展及研究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、ｎｗＬＡＮ、蓝牙、ＺｉｇＢｅｅ、ｕｗＢ、微功率短距离无线通信 技术等。与目前已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。（一）ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ一一１８０２．１１是个系列标准。ＩＥＥＥ８０２．１ｉｂ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ｌｌＭｂｉｔ／ｓ、５．５Ｍｂｉｔ／ｓ、２Ｍｂｉｔ／ｓ、１Ｍｂｉｔ／ｓ 的不同速率之间自动切换，且在２Ｍｂｉｔ／ｓ、ｌＭｂｉｔ／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。３山东大学硕士论文 ８０２．１ｌａ标准与８０２．１ｌｂ同年制定，它工作在５ＧＨｚ频段上，使用ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｅｙ ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）调制技术，支持６、９、１２、１８、２４、３６、４８和５４Ｍｂｉｔ／ｓ的传输速率。８０２．１ｌｂ与８０２．１ｌａ两个标准都存在着各自的优缺点。８０２．１ｌｂ 的优势在于价格低廉，但速率较低（最高ｌｌＭｂｉｔ／ｓ）：而８０２．１ｌａ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，８０２．１ｌｂ与８０２．１ｌａ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８０２．１ｌｂ与８０２．１ｌａ互不兼容。 为了解决上述问题，ＩＥＥＥ８０２．ＩＩ工作组开始定义新的物理层标准８０２．１ｌｇ。８０２．１１９ 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，使数据传输速率提高到２０Ｍｂｉｔ／ｓ以上：能够与８０２．１ｌｂ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８０２．１ｌｂ产品的使用寿命，降低了用户的投资。 （二）蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技术ｎ一一１蓝牙是由爱立信、东芝、诺基亚、英特尔和国际商用机器公司等公布的一种无线 数据与语音通信的开放性全球规范，开发于上世纪９０年代中后期。它是一种用于短距 离的、点对多点的数据和语音传输的射频规范。开发该技术的目的是以近距离、无线 为基础为固定与移动终端建立临时对等连接。蓝牙的传输距离在１ｍ到ｌＯｍ之间，增加发射功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到１００ｍ。目前，蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多，但其国内市场的推广仍 然十分不够，其最大障碍是成本依然很高，蓝牙模块购买价格昂贵。’（三）超宽带（ｕｗＢ）技术ｎ’２―１超宽带ｕｗＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）无线技术出现在６０年代，其应用仅限于军事。２００２ 年这项无线技术开始应用于民用通信领域，因而获得了广泛的关注。与传统技术不同， ＵＷＢ是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波 窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，它能够实现无线局域网中无线接口的 互联和接入，并具有低功耗、高带宽、低复杂度的优点。 目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将ＵＷＢ集成到个人电脑芯片组中， 将其作为ｌＯｍ以内的近距离高速无线传输接口使用。英特尔将ＵＷＢ定位于“无线 ＵＳＢ２．０＂，当前ＵＷＢ的传输速率己达到ｌＯＯＭｂｉｔ／ｓ，其下一个目标是５００Ｍｂｉｔ／ｓ。然而， ＵＷＢ作为民用还是一项新技术，还有一些实际问题，如安全问题、干扰问题等有待解决。４山东大学硕士论文（四）低功率短距离无线通信技术ｎ一一１ 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协议或使用简单的 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。１．４本课题要解决的主要内容本课题拟传统监测的基础上，研究基于单片机的无线温湿度监测系统。对于温湿度 测量来说，一个最重要的环节就是对环境温度进行补偿，对数据进行误差分析。另外 该系统属于无线通信系统，因此也需要对数据传输的可靠性进行研究。主要研究内容包括以下几方面：（１）选用温湿度传感器时，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，便于多路测量，安装方便，维护简单，环境温度补偿容易的器件。（２）在硬件设计时，结构要尽量简单实用、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，并使系统电路尽量简单。同时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，保证系统的稳定性。 （３）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， 做到程序简单，调试方便，尽量降低无线数传的误码率。 （４）环境温度和各种随机噪声都会对温湿度数据的测量产生影响，因此需要对环山东大学硕士论文 境温度进行补偿和误差修正。１．６课题的创新本课题的创新在于由现场检测和诊断到远程测控，如果采用传统的现场监测即人 工定时测量，不但要耗费大量的人力，而且不能够做到实时监控，特别是一些存在加 热设备的生产基地，在短时间内温度可能发生剧烈的变化，如果利用人工进行测量和 管理，则可能造成重大事故。采用了无线测控系统，利用无线收发器进行数据传输， 既降低了网络的布线成本，也提高了应用的灵活性和扩展性，节省了人力资源。１．７应用前景该温湿度测量系统电路简单，性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，具有很强的 灵活性，易于扩展，因此本系统适用于在短距离对多种环境温湿度的监测，有广阔的应用前景和社会效益，对于厂商来说有一定的经济价值。 １）市场预测随着计算机技术、现代检测技术和自动控制技术等高新技术的延伸，以计算机为 中心的自动化是当今世界范围内的工业技术革命的核心之一。计算机测控技术是人们 提高劳动生产率确保产品质量，减轻劳动强度，实现综合自动化和生产过程最有控制以及为家庭提供舒适生活条件的有效手段。 ３）本课题的社会效益本课题是以测控智能化为宗旨，旨在为农业或工业及家庭提供有效、实用的温湿 度测控方法。这一方面是对当前温湿度测控技术的更新，另一方面也为人们的生活更 加舒适提供了条件。此外，对于生产厂商来说，他们在推广应用这项成果中，将会获得可观的经济效益。１．８小结本章主要介绍了课题的来源，以及国内粮食贮藏概况及发展趋势，还有短距离无线 通信技术的发展及研究现状，综述了本文的研究内容，指出了本课题的特色及创新。６山东大学硕士论文第二章系统方案的总体设计２．１系统设计目标：在粮库中温度、湿度是主要的参数，本设计中粮库共有１６个仓库，在每个仓库中 要安装２４个温湿度传感器，分布在该仓库的重要位置，每个温、湿度传感器实际上是 一个终端设备，用于测量现场的温度和湿度，并将测量的温度湿度值发送到控制中心 的电脑上，以便控制中心对整个粮库１６个仓库的各个测试点的温度湿度加以全面监视 和控制管理。 温湿度对粮食的保管是尤为重要的，如果相对温湿度过大，粮食容易发霉腐烂， 而相对湿度太小时，粮食过度干燥又容易变质，因此，必须要控制在一个合适的相对 湿度范围内。这就要求每个设备在监控温度的同时更要监控湿度。 同时该系统由单片机来完成，实现显示、打印温度、湿度值，当测量到的温度、湿度超过用户界限时报警。该系统设计目标为： １６个粮仓的温湿度监测：每个粮仓的检测点数：温度、湿度各２４点： 测温范围：－３０℃＂－＇＋１００℃； 测温误差：≤±０．５＂Ｃ； 测温重复误差：≤±０．Ｉ＇Ｃ；测湿范围：２０．玛９％ＲＨ；测湿误差：≤±３％ＲＨ； 测湿重复误差：≤±０．５％ＲＨ；品种：小麦、玉米、稻谷；系统工作环境：－４０℃～＋８５℃，２０～９９％ＲＨ，ＡＣ２２０Ｖ±１５％。２．２系统设计框图：７山东大学硕士论文．蛔凳奠仓岔图２－ｌ设计框图８簟朗黾仓整个系统从结构上可分为三层：由微型计算机系统构成上位机用户监控层，单片 机系统构成主控机控制层和分机测量层。主控机与分机采用主从式分布结构，通过无线通信方式进行通信。２．３系统方案构想系统采用近几年来成熟的各种温湿度传感技术、无线通信技术、数据处理控制技 术和功能化模块来构造基本的系统功能。 总的设计思路是：从粮库入手，根据仓库布局，选择合适的传感器、温度测量模 块、通讯端口、电缆、上位机等，根据粮仓的规格，确定检测点设置几层、每层多少 个检测点等，以决定选取电缆的长度、每根电缆上传感器的个数，通讯端口、温度检 测模块需要的数量，上位机的规格等，实现一个粮库的粮情自动检测。因此，系统的 总体结构可以构想为温湿度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模 块等几大部分。系统方案在温湿度数据采集部分主要有三种构想：一是温湿度传感器 选用传统的模拟式器件，二是选用集成式器件，三是选用数字式传感器；在无线通信 部分主要有三种构想：一是采用蓝牙技术，二是采用红外线技术，三是选用无线数传 模块：在系统控制和数据处理部分也有两种构想：一是采用单片机控制，二是采用ＤＳＰ进行处理。２．４系统方案的确定８山东大学硕士论文 ２．４．１传感器方案实际使用的传感器主要分为模拟式传感器与数字式传感器。传统的模拟式传感器 具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。但是模拟传感器的模拟信号处理过程 复杂，且模拟信号在传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。在多点温湿度 检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致 性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。另外，模数转换系统的精度也不可 能很高，存在一定非线性，互换性较差。 采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。数字式传感器能把被测模 拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备（计算机、数字显示系统等）相联， 用ＤＳＰ或计算机进行信号的处理。它的信号具有极高的抗干扰能力。数字式传感器具 有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及 多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。虽然存在反应速度较慢， 温度测量的范围不宽的缺点，数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。 考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器采用数字式，湿度传感器采用电压集成式。 ２．４．２无线通信模块方案无线粮仓粮情测控系统中要解决的关键问题是数据通信的问题，因而粮情测控系统中数据采集系统也随着各种通信方式的发展而不断发展起来。根据通信方式的不同，目前国内外主要有有线传输和无线传输。 有线传输常用的是同轴传输。在一般小范围的监控中，由于传输距离近，使用同 轴电缆传输，对信号质量损伤不大，施工方便，造价低。所以早期同轴电缆传输方式 在监控行业内得到广泛的应用。后来因为传输距离增加，直接使用同轴电缆传输，导 致信号质量无法保证。所以同轴传输优点：近距离传输，施工简单，布线方便，易于安装调试。同轴传输缺点：受环境气候影响，不能远距离传输，抗干扰能力差。无线传输是现在监控系统常用的传输方式。 随着大规模集成电路技术的发展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。 短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射 频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外９山东大学硕士论文界干扰。射频芯片一般采用ＦＳＫ调制方式，工作于ＩＳＭ频段，通信模块一般包含简单 透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全 部通过软件设置完成，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 命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统 具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方 便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。无线收 发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用 该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。 ２．４．３系统控制及数据处理模块方案 温湿度数据在采集后通常要进行数据处理，以实现测量数据的记录、显示和对测 控系统的控制。对于一般的工业测量与控制，多采用专用计算机系统进行测控。 专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体，用单片机或ＤＳＰ来 控制整个系统。最主要的特征是系统软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置，独立性、可扩展性好，因此系统具有较高的性价比。根据微处理器的不同，专用计算机应用系统可分为ＤＳＰ应用系统和单片机应用系统。 ＤＳＰ和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片，ＤＳＰ主要用于复杂的数字信号 处理，ＤＳＰ芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了ＤＳＰ的运行 速度。由于ＤＳＰ主要应用于高速数据处理，因此外部Ｉ／Ｏ接口比较少，不便于系统扩 展，因此多数ＤＳＰ系统还要通过单片机来进行外部接口扩展，这导致了ＤＳＰ的成本较 高，另外，ＤＳＰ具有一定的专用性，开发过程比较复杂，不便于通用。 单片机把微型机的主要部分集中在一个芯片上的单芯片微型计算机。由于它的结 构与指令都按照工业控制要求设计的，故又称微控制器（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒ０１１ｅｒ Ｕｎｉｔ），也 可称微型计算机（ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ）。通常由微型计算机和外围设备组成，包括微处理器（ＣＰＵ）、存储器（存放程序指令或数据指令的ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、输入／输出 接口（Ｉ／０）及其它功能部件如定时器／计数器、中断系统等。单片机受集成度限制，片内存储容量较小，一般ＲＯＭ只有４－－一８Ｋ字节，ＲＡＭ小于２５６字节，通过外部扩展，ＲＯＭ、ＲＡＭ可扩展至６４Ｋ字节。与通用计算机系统相比，具有系统简单、功能易扩展、测控能１０山东大学硕士论文力强、可靠性高。单片机应用系统正在被各个领域广泛应用。 采用单片机具有系统简单、开发容易，功能易扩展、测控能力强、可靠性高的特 点。尤其适用于系统中没有复杂的计算处理、对采集速度要求不高的数据采集处理系统。对于不要求高速的一般的数据采集与处理系统，采用ＤＳＰ是不经济的方案。在单 片机能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，单片机无异是首选的信息处理单元； 当然，也可以采取嵌入式的单片机。２．５器件的选用２．５．１数字式温度传感器的选择数字温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ＡＴＥ）的结晶。目 前，国际上已开发出多种数字温度传感器系列产品。在如此众多的产品中如何选择出 合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合 适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何， 能否满足多点测温的需要；占用ＭＣＵ的Ｉ／０引脚数情况如何，因为ＭＣＵ的系统资源非 常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要 添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与ＭＣＵ的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的１２Ｃ总线，Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的ＳＰＩ总线，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的。Ｍｉｃｒｏｗｉｒｅｐｌｕｓ总线，ＤａｌｌａｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的卜Ｗｉｒｅ总线和Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线等。常用的数字温度传感器主要有： （１）ＡＤ７４１８是是美国模拟器件公司（ＡＤＩ）推出的单片温度测量与控制用集成电路。 其内部包含有带隙温度传感器和１０位Ａ／Ｄ转换器。测温范围为－５５℃一－＋１２５℃，具有 １０位数字输出温度值，分辨率为Ｏ．２５℃，精度为±２＂Ｃ，转换时间为１５一－３０ｍｓ。具有 体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。ＡＤ７４１８可 以级联至多８片在同一个１２Ｃ总线上。 （２）ＬＭ７４是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、△一∑型Ａ／Ｄ数 转换器，并具有ＳＰＩ／Ｍｉｃｒｏｗｉｒｅ兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、山东大学硕士论文分辨力高、线性度好、成本低等优点。ＬＭ７４具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过１０ Ｉｌ Ａ，适用于对功率消耗有严格限制的系统。ＬＭ７４在其有效工作范围内可达０．０６２５℃的分辨率，转换时间为４２５ｍｓ。 （３）ＭＡＸ６５７５Ｌ／Ｈ是美国ＭＡＸＩＭ公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线 性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为一４０～＋１２５℃，其 误差范围：在２５℃时优于±３℃，在８５℃时优于±４．５℃，在１２５℃时优于±５℃。但是 ＭＡＸ６５７５Ｌ／Ｈ在其测温范围内非线性误差较大，ＭＡＸ６５７５Ｌ的远距离传输特性并不理想， 传输范围只能在５ｍ以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一 个弊端。 （４）ＤＳｌ８８２０是美国Ｄａｌｌａｓ半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的 单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使 测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的Ａ／Ｄ转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。ＤＳｌ８８２０的测温范围一５５～＋１２５℃， 固有测温分辨率±Ｏ．５℃，由于每一个ＤＳｌ８８２０出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入 其ＲＯＭ中，因此ＣＰＵ可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。由于ＤＳｌ８８２０独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用ＭＣＵ的Ｉ／０ 引脚资源少，和ＭＣＵ的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用ＤＳｌ８８２０做为温度测量的传感器。２．５．２湿度传感器的选择 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。湿敏传感器正从简单 的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。选择集成湿度传感器应 考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致 性、可重复性，线性度要好、湿滞小，较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、 使用寿命长。 目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司（ＨＩＨ－３６０２、ＨＩＨ－３６０５、ＨＩＨ－３６１０型），Ｈｕｍｉｒｅｌ公司（ＨＭｌ５００、ＨＭｌ５２０、ＨＦ３２２３、ＨＴＦ３２２３型），Ｓｅｎｓｉｒｏｎ公司（ＳＨＴＩＩ、ＳＨＴｌ５型）。这些产品可分成以下三种类型：Ⅲ１２山东大学硕士论文 （１）线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有ＨＩＨ３６０５／３６１０、删１５００／１５２０。其主要特点是采用恒压供电，内置放 大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好， 抗干扰能力强。 （２）线性频率输出集成湿度传感器 典型产品为ＨＦ３２２３型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器， 在５５％ＲＨ时的输出频率为８７５０Ｈｚ，当上对湿度从１０％变化到９５％时，输出频率就从９５６０Ｈｚ减小到８０３０Ｈｚ。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。（３）频率／温度输出式集成湿度传感器典型产品为ＨＴＦ３２２３型。它除具有ＨＦ３２２３的功能以外，还增加了温度信号输出端， 利用负温度系数（ＮＴＣ）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相 应改变并且从ＮＴＣ端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。由于ＨＭｌ５００湿度传感器的精度较高，测量范围大，反应时间较快，温度依赖性比较低，长期稳定性能好，用户使用方便，价格实惠，是性价比极高的一款集成湿度传 感器，故本方案采用ＨＭｌ５００做为湿度测量的传感器。 蹦１５００是电压输出式湿度传感器，工作电压为＋５Ｖ（允许范围十４．７５＂－＇５．２５Ｖ），线性输出电压十１－．一４Ｖ，测量范围是（０，．－－１００％）ＲＨ，测量精度为１３％ＲＨ。由于集成度高，不需任何外围元件，使用也很方便。ＨＭｌ５００的外形及其输出电压Ｖｏ与相对湿度的 响应曲线如图２－２所示幽】。置童嗣４０００ ＨＭｌ５００３５∞≯３０００专２５００≯２０００ １５００ １０ｃ帕 ＧＮＤ ＹｃｃＶｏＯ ｌＯ ２０３０４０５０６０７０８０９０Ｉ∞ＲＨ，％（－） 图２－２（ｂ） ＨＭＩＳ００的外形及响应曲线…２．５．３无线频收发芯片的选择无线射频收发芯片是整个无线通信模块单元的核心部件，在设计中选择合适的芯山东大学硕士论文 片可以提高产品开发周期、节约成本可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于本系统的实际需求，应该选用成本低、体积小、芯片发射功率较 高、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。常用无线射频收发芯片主要有ｎＲｆ４０１、ｎＲＦ９０５、ＲＦ２９１５等。 其中ｎＲｆ４０１集成了高频发射、高频接收、ＰＬＬ合成、ＦＳＫ调制、ＦＳＫ解调、双频道 切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。ｎＲＦ４０１的外围元件很少，仅 １０个左右。只包括一个４ＭＨｚ基准晶振（可与ＭＣＵ共享）、一个ＰＬＬ环路滤波器和一个 ＶＣＯ电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。本系统 选用ｎＲＦ４０１作为无线数据传输芯片。２．５．４键盘显示模块的选择＿ＰＳ７２１９是一种新型的串行接口的８位数字静态显示芯片。它是由武汉力源公司新 推出的２４脚双列直插式芯片，采用流行的同步串行外设接口（ＳＰＩ），可与任何一种单 片机方便接口，可同时驱动８位ＬＥＤ（或６４只独立ＬＥＤ）。 显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（ＬＣＤ）和数码管显示器（ＬＥＤ）。液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显 示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意， 温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最 明显的就是低功耗，消耗电流一般是ＰＡ级的。 数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不 大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器 亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高 于液晶显示器。本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。２．６小结本章根据本系统的特点首先介绍了系统的设计框架，以及设计目标；然后介绍了１４山东大学硕士论文 通信模块、传感器与显示模块的选取；通信模块主要选取无线通信传输方式，无线射 频收发芯片采用ＮＲＦ４０１，采用ＨＭｌ５００做为湿度测量的传感器，选用ＤＳｌ８８２０做为温度 测量的传感器，选用ＰＳ７２１９做为键盘显示模块，系统采用单片机控制的方法，１５山东大学硕士论文第三章系统硬件电路的设计根据上一章所选的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如图３－Ｉ所示。计 算 机／Ｌ一 、叫单 片 机－◆无线数据发 射模块●、’）无线数据接 收模块蓖 片 机“ Ｈ厶一＾温度传 感器●卜无线数据接 收模块厅，无线数据发 射模块Ｈ湿度传 感器■：订Ｉ．．．．．．．．．．．．．．一Ｊ图３－Ｉ系统结构框图本系统由温、湿度数据采集、无线收发、单片机数据接收处理及微机数据显示几 部分组成。数据采集发送部分主要以单片机作为核心主机，以单片智能化湿度、温度 传感器作为从机加上数据无线发送模块。单片机接收数据并通过串行口将数据发送给 计算机，计算机对接收到的数据进行处理和显示。３．１温湿度采集部分电路设计３．１．１温湿度数据采集硬件接口电路框图用多只ＤＳ １８８２０型数字式集成温度传感器和ＨＭｌ ５００型电压输出式集成湿度传感器组成多点温湿度采集网络，如图３―２。由于ＨＭｌ５００输出的是模拟量，所以要增加Ａ／Ｄ 转换器ＡＤＣ０８０９，ＡＤＣ０８０９的作用是将采集到的湿度模拟量转化为数字量，便于处理。 由于本系统共设计了用２４个温湿度点，所以可以扩展到３个ＣＤ４０５１∞１模拟开关，对 应控制采样每一个温湿度信号，模拟开关的选通地址Ｍ＇－－Ｃ由单片机Ｐ２口的低位地址 Ｐ２．２～Ｐ２．４控制。被选中的信号经滤波后送到数模转换芯片ＡＤＣ０８０９的三个通道ＩＮＯ、 ＩＮＩ和ＩＮ２，转换为数字信号，由ＤＯ－Ｄ７口输出到８９Ｃ５１的ＰＯ口，送入单片机进行处１６山东大学硕士论文 理。张２Ｐ２３致．４图３－２温湿度数据采集原理框图１）ＡＤＣ０８０９ＡＤＣ０８０９是采样频率为８位的、以逐次逼近原理进行模／数转换的器件。其内部有 一个８通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通８路模拟输入信 号中的一个进行Ａ／Ｄ转换。 由图３―３可知，ＡＤＣ０８０９由一个８路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个Ａ／Ｄ 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通８个模拟通道，允许８路模拟量 分时输入，共用Ａ／Ｄ转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存Ａ／Ｄ转换完的数字量， 当ｏＥ端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图３―４为ＡＤＣ０８０９引脚图。１７山东大学硕士论文由下图可知，ＡＤＣ０８０９由一个８路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个ＮＤ转换器和图３－３ ＡＤＣ０８０９内部结构图嬲Ｄ¨ ｎ的妣 烈ｌ 聃ＡＢ Ｃｎ婚 ｎ盯ＳＴ Ｄ３嚣ｏｅ舭 脚。瓢Ｉ）６ Ｃ１。Ｋ Ｄ５ ＂ＶＣｅ黝Ｖ强ＥＦ＋ＤＯ ａＮＤ Ｖ薹蛹孵－ Ｄｌ Ｄ２图３－４ＡＤＣ０８０９引脚图２）ＣＤ４０５１（８路模拟转换开关）ＣＤ柏５１ＸＯ Ｘ１ Ｘ慰 ⅪＸ４ Ｘ５ Ｘ６）订删 ＡＢ Ｃｙ皿图３－５ＣＩ）４０５１芯片引脚ＣＤ４０５１芯片由地址译码器和多路双向模拟开关组成，可以通过外部地址（Ｃ，Ｂ，Ａ端） 输入经内部地址译码后，接通Ｘ引脚与地址相对应的其中一个开关（Ｘ０＂－＇Ｘ７），允许八线１８山东大学硕士论文 到一线的多路开关连接或一线到八线的多路分配连接；ＶＤＤ和ＶＥＥ提供工作电源，其幅 值不得低于模拟信号；ＩＮＨ（高电平禁止）为控制输入，输入高电平时，多路开关中各开关均不通，输出呈高阻。表３－１给出了ＣＤ４０５１真值表。表３－１ ＣＤ４０５１真值表 与Ｘ端导 通的通道ＸＯ Ｘｌ Ｘ２ Ｘ３ Ｘ４ Ｘ５输入端ＩＮＨ ０ ０ ０ ０ Ｃ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｂ ０Ａ０ １ ０ １ ０ １ ００１ １ Ｏ ０ １ １Ｏ Ｏ０１ １ １１ ＸＸ６Ｘ７０ １ｌＸＸ高阻下位机系统扩展了一片型号为２５ＡＡ３２０的ＥＥＰＲＯＭ，用于存储系统程序。上电复 位时，在引导区的引导下，通过ＳＰＩ接口从ＥＥＰＲＯＭ加载到１个４ＫＢ的ＲＡＭ中，这个４ＫＢ的ＲＡＭ也用来存储温湿度数据。 ３．１．２数字式温度传感器ＤＳｌ８８２０ “一线总线（１－ｗｉｒｅ ｂｕｓ）刀温度传感器是美国ＤＡＬＬＡＳ公司的特有技术，单线数字温度传感器ＤＳｌ８８２０是其代表性产品（见图３―６），具有支持多点组网功能，即在一条 总线上可同时挂接多片，其独特的单线接口方式，在与微处理器连接时需要一条线、不 需要任何外围元件即可实现。电源和信号复合在一起，每个芯片唯一编码，支持联网 寻址，零功耗等待可同时测量多点的温度，而且ＤＳｌ８８２０的连接线可以很长，抗干扰 能力强，便于远距离测量等特性，实现了一条数据线进行双向数据传输，最大限度的节 省了通讯线的数量，使系统布线更方便，布线成本更低。同时，一线总线丰富的产品线， 使用户可以灵活的构成不同的功能系统。因而得到了广泛的应用。本粮库粮情监测系 统选用ＤＳｌ８８２０单线数字化测温集成电路一数字温度传感器。１９山东大学硕士论文Ｆ＇ｔｌＮ＾●婚¨，ｔ■Ｍ―ｈｒｒ西一，ｅ＾ｐａｕｎｄ ― Ｄ矗ｔ■¨ｖ《＇ｕ●一ｏｐＨ㈧●Ｖ∞一ｎ●－口Ｃ稿■＇ｎ●＿‘嚏图３－６ＤＳｌ８８２０１．ＤＳｌ８８２０的特点①体积小，安装方便； ②可联网，方便分散点测量； ③三线连接方式（参见下图）；图３―７ＤＳｌ８８２０连接方式④测量范围：－５５℃―斗１２５℃； ⑤测量精度：±０．５＂Ｃ（使用校准算法可达±０．２＂Ｃ）２．“一线总线”的通讯距离“一线总线＂的通讯距离主要与三个因素有关： ①同一根测量电缆（允许有分支）上的数字传感器个数。 ②测量电缆的线间电容，测量电缆的导线电阻。 ③现场的信号干扰。一般说来，传感器数量越少，测量电缆的线问电容越小， 测量电缆的导线电阻越小，现场的信号干扰越弱，“一线总线’’的通讯距离越长。所 以在不添加中继器的情况下，延长“一线总线＂的通讯距离的关键是选用线间电容小，屏蔽性好的通讯线缆。 ３．ＤＳｌ８８２０内部结构传感器和上位机之间只须一根总线即可完成信息的读写，ＤＳｌ８８２０本身供电、数山东大学硕士论文据的读写和温度变换所需功率均来自于该总线，不需要额外的电源。每片ＤＳｌ８８２０均 含有一个唯一的６４位硅串行数，通过识别该码可以区分不同的传感器，因此可以在一 根总线上挂接多个ＤＳｌ８８２０，由上位机通过选择传感器和硅串行数对选定的传感器进行 读、写、启动转换和设置报警参数等操作，从而在结构上大大简化系统设计和安装维 护工作。传感器的内部结构和外接引线如图３－８所示。图３＿８ ＤＳｌ８８２０内部结构图４．ＤＳｌ８８２０的测温原理ＤＳｌ８８２０测温原理如图３－９所示。在ＤＳｌ８８２０内部有两个不同温度系数的晶振，低 温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器１，高温度系数晶振的振荡频率随温度的变化而明显改变，所产生的信号作为计数器２的脉冲输入。一５５℃对应的一个基数值预置在计数器ｌ和温度寄存器内，并由计数器ｌ 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器１的预置值减到０时，温 度寄存器的值加１，计数器１的预置值重新被装入并再次进行计数，如此循环直到计数 器２的值减到０为止，此时停止温度寄存器的累加，其内部数值即为当前所测温度。 斜率累加器用来补偿和修正测量过程中的非线性，其输出用于修正计数器１的预置值。图３－９ＤＳｌ８８２０的测温原理２１山东大学硕士论文 ３．１．３单片无线收发模块ｎＲＦ４０１ ｎＲＦ４０１芯片是挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司推出的一款射传频段为４３３ＭＨｚ的单片无线收发一体化芯片，它将高频发射、高频接收、ＰＬＬ合成、ＦＳＫ调制、ＦＳＫ解调和多频道切换 等功能进行高度集成，具有性能优异、价格低廉和使用方便等特点。其杰出的电气性 能和完备的引脚功能可由表３―２和表３―３充分反映出来。表３－２ 电气性能表敷缓 ，１３３．既／４弘３３ 憨Ｘ１５ ｌＯ ，２０Ｉ参数攀位墟亿ｌ】＝住频道ｆ溺期方式ｆ频绱射频辘出功攀轨４ｘ，甜 纛大传遴数码搴 逡瘸电压范缓 接受敬态功耗 笈射铁卷功耗 笛待捩卷功耗搬ＺｄＢｎ 嚣ｂｌｔ／ｓ’ｒ乞７蜮２Ｓ勰Ｏ８ ８｜ＩＡ 赫Ａ 弘Ａ表３－３引脚功能表弓Ｉ舅ｌ ２ ３ ｔ弓ｌ撕名 愆１譬００弓｜瓣 辕入 嗽瓣 媳 狻入 貔入 憩 沲滋 输入 输班 输入箍逯 参，考鬟荡嚣输入臻屯巍避ｕ（，３屿Ｖ裟）雉（Ｏ￥） 滤液箍接入端翻￥豁Ｆｌ乞Ｔｌ６ ７ ３ ９ １０ ｌｌＶＣＯＩ镯讯暂菇复Ｅ魏荔电够魂弱缝（Ｏｒ） 龟灏潞鞠（＋３－ＳＶ∞） 发射数撼输入 接牧皴臻输：超 雯雪强功率凌爱 遁ｉｉｌ选舞踟Ｒ辨曾ｌ囊Ｄｌ描１２ｃｓ 拍０ｍＡ．电滋 鲍 输入／输出 输入／输如 恁 输入ｅ鼢和＞饿９嬲＃纯ｂ钠鼬ｌ嚣ｌ’ＣＳ＝Ｉ＝＞４３，１．（Ｃｈａｚｍｅｌ嚣２） 电滋髑口‘?３―５ｖ ＤＣ） 缝（Ｏｒ） 天线籀口 天线艘日 鲍（ＯＶ） 电浮弹芙１３ １４ １５ １６ １７妣＾婀ｌ １『豁 Ｆｌｔ－ｔＰ￥ＳＳｌａ瞪＃吨卜ｌ?＞ｐ姗ｌｌ工作棱．绶ｕｐ《０ｐｅ绣ｔｌ他的ｄｅ）嗍一矛。啦＞Ｐ弹材钓张‘Ｓｔａ嘣叻，ｃｘｌｅ）约２０溯ｌ偬输入 赣如弱【Ｅｌｉ蒜ｌ。Ⅺ如哦幻Ｉｉｔ ｍｏｄｅ张￡鼢驷＞翰ｃｅｉ ｖｅ∞ｄＩＩ 参考麓筠嚣翰出鲻ｎＲＦ４０１芯片的外围元件很少，只有一个基准晶振和几个无源器件，没有调试部件，山东大学硕士论文这使其功耗极低，并给应用带来便利。如图３－１０Ａ盯ｌＡＮｒ２图３―１０ｎＲＦ４０１内部结构图ｎＲＦ４０１芯片内含有发射功率放大器（ＰＡ）、低噪声接收放大器（ＬＮＡ）、晶体振荡器 （ＯＳＣ）、锁相环（ＰＬＬ）、压控振荡器（ＶＣＯ）、混频器（ＭＩＸＥＲ）、解调器（ＤＥＭ）等电路。 ｎＲＦ４０１有发射和接收两种工作状态，在发射模式中，数字信号通过计算机的串口 或单片机的串口经ＤＩＮ引脚输入，经锁相环（ＰＬＬ），压控振荡器（ＶＣＯ）完成频率合成后， 输出信号送入功率放大器（ＰＡ）放大后，从天线端输出。由于采用了晶体振荡和ＰＬＬ合 成技术，频率稳定性极好。 在接收模式中，ｎＲＦ４０１芯片的ＡＮＴｌ与ＡＮＴ２输入脚为ＬＮＡ（ＬｏｗＮｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，低噪音放大器）提供ＲＦ输入，天线输入信号被低频噪声接收放大器（ＬＮＡ）放大，经由混频器（ＭＩＸＥＲ）变换成中频（ＩＦ）信号、放大滤波后送入解调器（ＤＥＭ）转换成数字信号，从 ＤＯＵＴ引脚输出到计算机或单片机的串口。￡Ｊ｜；瞰＋３ｖ矗开 山ｅ型ｑ ＩＳ－Ｊ．锉’Ｔ ＾．＆幽ｌ一确 ｑｋ＿－玮檄 Ｔ煳 ‰ＨＨＷｒａ．Ｔ Ｕｏ纠耠温ｎＲＦ４０１燃 ‰ｌｋＵⅥ厂Ｌ＝气ｃ．＝ ＝ｃ’：Ｉ■ｌＯＯｎ童支厣‰毛 Ｉ瓴口■Ｃｌ嚣岍―Ｖ能盒０避―ＬＩ脚图３－１１ｎＲＦ４０１的配置电路图ｎＲＦ４０１芯片能和串口直接相连，且简单的单片机Ｉ／Ｏ口输出可直接控制无线收 发芯片的收发工作，无线通信系统设计简便。该芯片有如下特点：ＦＳＫ频移键控调制方 式直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业场合：采用ＤＳＳ＋ＰＬＬ频率合成技术山东大学硕士论文频率稳定性极好：灵敏度高，达到一１５０ｄＢｍ；无需曼彻斯特编码：工作速率最高可达 ２０Ｋｂｉｔ／ｓ；最大发射功率达＋ｌＯｄＢｍ，开阔地的使用距离最远可达１０００Ｍ，工作在ＩＳＭ频 率４３３ＭＨｚ和双信道频率４３３．９２删ｚ／４３４．３３Ｍｌｌｚ使用不需要申请许可证。３．１．４无线通信子系统电路接口设计无线通信子系统电路接口如图所示。图３－１２单片机与ｎＲＦ４０１的接口ＣＰＵ选用８９Ｃ５１，它既接收来自上位机（ＰＣ机）的数据，同时将从ＰＣ机接收数据通 过ｎＲＦ４０１以广播形式发送给每个子系统。 ｎＲＦ４０１的输入数字信号ＤＩＮ端与微处理器８９Ｃ５１的ＴＸＤ端相连，需发射的串行数 据由ＤＩＮ输入；ＤＯＵＴ输出数字信号与８９Ｃ５１的微控制器的ＲＸＤ相连，ｎＲＦ４０１解调出来 的信号由ＤＯＵＴ输出到微处理器：ＰＷＲ－ＵＰ为模式选择与微处理器的Ｐ１．１相连，ＰＷＲ ＿ＵＰ＝Ｉ时ｎＲＦ４０１正常工作；当ＰＷＲ－ＵＰ＝０时芯片处于待机模式，此时工作电流为８ｕＡ 不能进行接收和发射数据。ＴＸＥＮ为发射允许控制端与微处理器的Ｐ１．０相连，ＴＸＥＮ＝Ｉ 时ｎＲＦ４０１工作在发射模式，此时系统向外发送数据，当ＴＸＥＮ＝０时为接收模式。ＣＳ 为信道选择输入，通过微处理机Ｐ１．２端进行控制ＣＳ＝Ｏ表示芯片工作在信道Ｏ （４３３．９２ＭＨｚ），ＣＳ＝Ｉ则工作在信道ｌ（４３４．３３ＭＨｚ）。３．２温湿度显示电路设计ＰＳ７２１９∞１内部具有１５ｘ８ＲＡＭ功能控制寄存器，可方便选址，对每位数字可单独控 制、刷新、不需重写整个显示器。显示数字亮度可由数字进行控制，每位具有闪烁使能控制位。当引脚ＣＯＮ（１３脚）置高电平，可禁止所有显示，达到降低功耗的效果，但山东大学硕士论文同时并不影响对控制寄存器的修改。ＰＳ７２１９还有一个掉电模式、一个允许用户从１位 数显示到８位数显示选择的扫描界限寄存器和一个强迫所有ＬＥＤ接通的测试模式。另 外，ＰＳ７２１９Ａ型内置一个可靠的ＵＰ监控电路，可为外部提供一个脉宽１４０ｍｓ，触发门 限典型值为４．６３Ｖ的高电平复位信号。２４ ２３ ２２ ２Ｉ ２０ Ｐｓ７２１９ １９ ｌ墨 １７ １６１５ ｌ●Ｉ ２ ３ ４ ， ６ ７ ｌ ９ ｌＯ ｌＩ １２Ｖ＋ ＳＡ ＳＶ ＳＣ ＳＤ ＳＥ ＳＦ ｓＧＳ钟ＤｏＵＴ烈Ｇ３ＣＯＮ１３图３―１３ ＰＳ７２１９管脚图（２）主要的功能引脚说明表３－４ ＰＳ７２１９主要引脚功能表 引脚ｌ名称ＲＳｒ功能 复位引脚２∞ＡＤＤ甜装载致据输入，当ＬＯＡＤ位高电平，率行输入教据的最后１６位被镇定 串行数据输入．在ＣＬＫ的下降沿，数据被加载捌内部１６ 位移位寄存器 时钟输入，最高频率为５００鼬｛ｚ。在ＣＬＫ的下降沿，数据３４ＣⅨＤｌＧｌ－３ ＧＮＤ被移入到内部移位寄存器．在时钟的下降沿，数据从ＤＯＩｒｒ输出． ８位数字驱动线，它从显示嚣吸入电流 地 显示控制端。底电平选通，爵电平显不无效 串行数据输出，输入到ＤＩＮ的数据在１６ｊ个时钟周辩后 ＤＯＵＴ有效５－ｌｌ。１４ １２１３ｌＳＣＯＮＤ烈盯ＳＤ只Ｇ．ＡＶ＋１６．１７．２３２４７段驱动嚣和小数点线，它供给显示器电流电源电压（３）电路连接 这里８９Ｃ５１的Ｐ１．６作为串行数据的输出，连接到ＰＳ７２１９的ＤＩＮ脚，Ｐ１．７和Ｐ１．５ 通过程序分别模拟ＰＳ７２１９的时钟脉冲ＣＬＫ及其数据加载ＬＯＡＤ信号。ＰＳ７２１９的ＳＡ－ＳＧ、 ＳＤＰ端连接到各ＬＥＤ数码管对应的ａ．－一ｆ及ＤＰ端，ＤＩＧｌ一ＤＩＧ８分别接８位ＬＥＤ数码管 共阴极，以实现位选。山东大学硕士论文３．３硬件抗干扰措施本系统的工作环境往往比较恶劣，系统在正常运行过程中可能会遇到一些未知的 干扰，这些干扰有时会严重破坏系统的器件或程序，造成系统工作不正常，性能达不 到设计要求，甚至造成系统死机或崩溃。因此为了保证系统能够长期稳定、可靠的工 作，在系统设计时必须周密考虑和解决抗干扰问题。 通常抗干扰措施主要有两种：硬件和软件。 在本系统设计过程中，硬件方面使用了下面一些方法，来尽量减少可能影响系统正常运行的一些干扰。 ３．３．１元器件的选择主要选择体积小、集成化程度高、可靠性强并且能够承受所处工作环境的集成芯 片。比如发射芯片选择集成化程度高、体积小的收发芯片ｎＲＦ４０１等。这些元器件都适 合环境要求，并且集成化程度高，可靠性比较好，具有较高的性能价格比。３．３．２电源的干扰与抑制数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，在传输线和供电电源内阻 上产生较大的压降，形成严重干扰。为了抑制这种干扰，在电路中要配置去涡电容， 即在门电路的电源端与地线端加接电容，它一方面提供吸收该集成电路开关门瞬间的 充放电能量，另一方而旁路掉该器件的高频噪声。去涡电容的取值范围一般在０．０１＂－－Ｏ．１ ｌｌＦ之间，本系统在每个集成芯片的电源和地之间都安装一个０．１ｌｌＦ的电容，从而提高系统的可靠性。 ３．３．３不用引脚的处理系统芯片中没有用到的引脚小能悬空，应该接地或者接到电源上，使它们有固定 的电平，从而不容易受到外界的干扰而使状态发生变化。３．３．４印刷电路板抗干扰措施印刷电路板是测控系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，其设计不单是 器件、线路的简单布局安排，除了要求器件疏密均匀、分立组件尽量集中外，还必须符合抗干扰的设计原则。山东大学硕士论文 Ａ、地线设计①地线的宽度：加粗地线能够降低导线电阻，使它能通过较大的允许电流，况且由 于电阻较小，使接地电位随电流的变化而变化的幅度较小，抗噪声性能较好，一般地 线宽度应在２－－－３ｍｍ以上。 ②数字、模拟电路分开：本系统的电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，在 设计时使其尽量分开，并使两者的地线不相混淆，而分别与电源端地线相连。 ③接地线构成闭环路：接地线构成闭环路能明显地提高抗噪声能力，闭环形状能显 著缩短线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰，并且环路包围的面积越小越好。 ④印刷电路板分区集中并联一点接地：当同一印刷板上有多个不同功能的电路时， 可将同一功能的元器件集中于一点接地，自成独立回路，这可使地线电流不会流到其 他的功能单元中去，避免了对其他单元的干扰。与此同时，还应将各功能单元的接地点与主机的电源地相连。 Ｂ、印制板的尺寸和器件布置印刷电路板的尺寸大小要适中，过大时印制线条过长，阻抗增加，提高了成木， 降低了抗噪声能力：过小时元器件过于密集，各个器件以及线条间会互相干扰，散热效果也小好。在器件的布置方面，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，能获得较好的抗干扰效果。器件的布置应考虑到散热，把ＲＯＭ、ｌⅧ、时钟发生器等发热较多的器件布置在印制板的偏上方部位或者易通风散热的部位。 Ｃ、其他抗干扰措旌导线间距离要尽量加大，这样才能降低导线间分布电容的影响：尽量减小电源线走 线的有效包围而积：不要在印制板上留下空白铜箔层，因为它们可以充当发射或者接收 大线，因此应将它们接地：等等。３．４小结硬件的设计对于单片机控制系统来说很重要，各种接口电路的正确设计对系统的设计至关重要。本章主要介绍了硬件部分温湿度测量电路的设计，以及对应的键盘显示模块；同时对硬件电路中可能产生的干扰，提出了预防措施。山东大学硕士论文第四章系统的软件设计该系统的软件设计方法与硬件设计相对应，采用模块化结构，总共包括主程序 模块、参数设置模块、通信模块、报警子程序模块等。最后通过主程序和中断处理程 序将各程序模块连接起来。这样有利于程序修改和调试，增强了程序的可移植性。系 统设计根据以上的需求分析，可以把整个系统分成４个功能模块，分别是参数设置模块、 数据采集处理模块、数据存储管理模块和控制模块。粮仓仓库温湿度测控系统软件的 功能层次结构图如图４－１所示：仓库溢湿度测控系统泵磊荔丽１渊 澧 赢 参｜敲器象燕娃濯Ｉ Ｉ数据存储ｌ ｌ控铹澄 湛 攒 采 燕数设 置浇 湛 巍 参 数 设嚣傧 参銎爨淫灌澄 度 数繇壤数 据 曲薏减 设 益签 囊据最 攀线酥 壤 觳 掇 绦存设 备 管 理图４－１系统软件的功能层次结构图４．１上位机主程序上位机结构图如下：图４－２上位机结构图其中ＰＣ机主要管数据存储，管理等，主控单片机主要完成无线收发。上位机主山东大学硕士论文程序开始后先进行初始化设置。初始化的内容包括给相应的字符名称赋值，ＰＳ７２１９的 初始化，设置串口通信参数，打开ＣＰＵ中断，打开串口中断，设置定时器Ｔ０中断。没 有中断的时候，上位机子系统处于等待状态，直到有中断需要响应时，单片机进入相 应的中断服务程序，向下位机发送温度（或湿度）测试指令，等下位机接收到完整数 据后，将上位机置接收方式，准备接收测得的数据，在上位机接收完下位机上传的数据后，根据中断指令进行显示（或上传），并保持状态，直到响应新的中断为止。上位机主程序流程框图如图４－３所示。图４－３上位机主程序流程框图４．２下位机主程序山东大学硕士论文 下位机结构图如下：图４―４下位机结构图软件可以采用Ｃ语言等来实现初始化、数据采集处理、温度管理和对设备的处理。 下位机程序设计通常先进行初始化，如设置中断、定时器、串行口、外部可编程器件 的初始化等，然后循环执行主要功能，如定时、数据采集、显示以及定时将数据传递 给上位机。上位机定时接收测控单元发送的采集信号，保存并实时显示。上电复位后 显示不同仓位号、温湿度值及其测量时间。软件设计的流程如图４－５所示。山东大学硕士论文图４－５下位机程序流程框图４．３温、湿度测量子程序（图４－６）程序中对ＤＳｌ８８２０的操作主要有以下几个步骤：初始化：搜索ＤＳｌ８８２０；匹配 ＤＳｌ８８２０；发送温度转换指令：读取温度值。 下位机发出所要查询的ＨＭｌ５００地址，然后调用Ａ／Ｄ转换子程序。进行湿度的读取和输出。山东大学硕士论文衲娥化读谯线ＤＳｌ８８２０膨列蟹．．；－ 昏乏攀 堑憝资凌究７■藏订＿―――＿＿■――?――一 一转换溢度隧既ＲｏＭ。。。―＿ｒ――。。一存测滋点数鬃。。――…Ｔ一―’―。■竣漱瑰毅缀遨嘲图４－６温、湿度测量子程序４．４通信硬件电路是组成通信网络的物理基础，而通信协议是保证网络可靠通信的必要条 件。因此，只有设计严密、合理的通信协议，才能保证多主机通信网络的正常运行。本系统通信主要解决以下内容：（１）下位机如何叫通某一个１８８２０，１８８２０测温的数据格式： 首先由下位机发出所要查询的ＤＳｌ８８２０地址，所有的ＤＳｌ８８２０响应中断，判断是 否与主机查询的地址相符。ＤＳｌ８８２０在与下位机建立联系后，跟着以查询方式接收下位 机接着发送的ＤＳｌ８８２０的ＲＯＭ命令。主机只有两种ＤＳｌ８８２０的ＲＯＭ命令：读ＤＳｌ８８２０ 的序列号和匹配指定ＤＳｌ８８２０。读序列号和匹配指定ＤＳｌ８８２０都是单字节的指令。匹配 指定ＤＳｌ８８２０命令发送后紧接着的是相应测温点序列号。ＤＳｌ８８２０首先判断是那一种命 令，然后转入相应子程序进行处理。读序列号指令相应的子程序完成的是，读出在线 的ＤＳｌ８８２０的序列号。读序列号时线上只能有一个ＤＳｌ８８２０，否则会引起数据冲突。匹 配指定ＤＳｌ８８２０命令相应的子程序先把接收到的相应测温点序列号放入单片机ＲＡＭ的 指定地址中。然后向在线的多个ＤＳｌ８８２０发送匹配测温点的ＲＯＭ命令和相应序列号。 只有序列号相同的ＤＳｌ８８２０响应命令。然后单片机发送读寄存器命令，把相应ＤＳｌ８８２０３２山东大学硕士论文寄存器内的数据先放入单片机ＲＡＭ的指定地址中。同时ＤＳｌ８８２０中的温度传感器可完成对温度的测量，以１２位转化为例：用１６位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以０．０６２５℃几ＳＢ形式表达，其中Ｓ为符号位。表４－１：ＤＳｌ８８２０温度值格式表搦帆［二［！工三工！］二二［［［！口ｋ １５胁１４阮１３暾１２ｂｉ‘ｌｌ勃馥ｌ珏独９魄８这是１２位转化后得到的１２位数据，存储在１８８２０的两个８位的ＲＡＭ中，二进制 中的前面５位是符号位，如果测得的温度大于Ｏ，这５位为Ｏ，只要将测到的数值乘于 ０．０６２５即可得到实际温度；如果温度小于０，这５位为１，测到的数值需要取反加１ 再乘于０．０６２５即可得到实际温度。 （２）下位机如何完成某一个湿度传感器的数据采集。 湿度传感器ＨＭｌ ５００的采集方法：选择ＨＭｌ ５００的方法需要通过八选一开关芯片， （如ＣＤ４０５１），将每个ＨＭｌ５００的模拟输出端连接到开关的ＡＩＮ输入端，开关的输出 端接串行Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９，转换后的数字量送单片机，开关的三条地址线（Ｃ，Ｂ，Ａ） 分别连接接到单片机的Ｐ２．４，Ｐ２．３，Ｐ２．２，这样，只要给定三位地址，就可确定当前正在采集数据的ＨＭｌ５００。设每个单片机检测２４个点的湿度，给每个传感器编上号，分别是０到２３，这样， 某个分机发送数据的时候，需要发送当前监测数据的湿度传感器的编号。 （３）上位机如何要求某一台下位机传输数据。 上位机传输数据共有五个字节，数据格式为：ＦＦ ＡＡ ＸＸ ＹＹＫＫ其中ＦＦ从为同步信号，下位机只有接受到该两个字节的数据时，才能处理后面字节，否则，不进行数据处理； ＸＸ为下位机的编号，编号为０＇－－＇１５，但下位机接收到该编号时，才能发送数据。 ＹＹ为下位机的处理的传感器的类型，编号为０或１，其中０表示要求发送温度 值；１表示要求发送湿度值；ＫＫ为传感器的编号，为Ｏ～２３：上位机通过三个字节就可以唯一的确定出需要发送的下位机和数据类型，下位机３３山东大学硕士论文 只要接收到编号与自己的编号相同，就可发送数据。（４）下位机传输的数据格式以及上位机检测的数据有问题如何通知下位机。 下位机传输数据共有八个字节，其格式为：ＦＦ ＡＡＸＸＹＹＱＱＬＬＬＬＪＪ其中ＦＦＡＡ为同步信号，上位机接收到该两个字节后，便处理后面的有效数据，否则，不处理； ＸＸ为发送数据的数据下位机的编号；ＹＹ为所发送数据类型，Ｏ表示发送的温度值；１表示发送的湿度值； ＱＱ表示所发送数的小数点的位数，０表示没有小数，１表示一位小数，２表示两位小数；ＬＬＬＬ分别表示发送数据的高位字节和低位字节；ＪＪ是校验码，可以采用平均值和奇偶校验相结合校验的方法。当上位机接收到有效数据，并经过校验是错误的，便发送一组数据，数据格式：ＦＦ ＡＡ ＸＸｎｎ前三个字节含义与前面相同，ｎｎ表示数据是否正确，１表示数据错误，应重发。４．５软件抗干扰措施ｎ町一个成熟的测控应用系统中，硬件抗干扰是系统抗干扰能力的基础，而软件抗干 扰则是对硬件的补充。软件抗干扰措施一般包括：自动恢复技术、数字滤波技术、指令 冗余技术、软件陷阱技术等。４．４．１自动恢复技术在开机时，开机自检程序能够对ＲＡＭ、ＲＯＭ、ｉ／ｏ口状态等进行检测，如发现数据 出错则重写数据。在系统出现干扰时，程序在地址空间内乱飞，或陷入死循环，对程 序进行正确设定，使其能够转到指定入口。这些措施可以使系统能够自动恢复。４．４．２数字滤波技术 数字滤波是通过一定的计算或判断，在程序中减少干扰在有用信号中的比重。在 一般测控应用系统的模拟输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自信号源本身、 传感器、外界干扰等，为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰，３４山东大学硕士论文采用数字滤波技术予以减弱或滤除。数字滤波包括算术平均滤波法、中位值滤波法、 限幅滤波法、惯性滤波法和ＲＣ低通滤波法等。算术平均滤波法就是对一点数据连续多 次采样然后取其平均，可以减少系统随机干扰对数据采集的造成的影响。中位值滤波 法则是对数据采集奇数次，取其中间值，可以减少错误概率。中位值滤波法和平均值 滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。４．４．３指令冗余技术指令冗余是指在程序中关键的地方人为地插入一些单字节指令（ＮＯＰ）或将有效单 字节指令重复书写。当ＣＰＵ受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起 程序混乱。一般的做法是在十几条正常的指令后填充２至３个ＮＯＰ空指令，尤其是在 一些跳转和子程序调用指令的前面，则对于程序的正确流向会起到一定的保护作用。４．４．４软件陷阱技术软件陷阱就是在程序存储器的未使用区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指 令，无条件跳转指令指向复位入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就通过强行执 行无条件跳转指令，转到复位入口地址。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的 地方，故不影响程序执行效率。４．６小结软件的设计对于单片机控制系统来说也是很重要的，本章给出了系统软件的总体 设想；以及在软件设计中出现的干扰提出预防措施。本系统软件的设计采用模块化设 计使设计思路明确，且便于调试和修改。山东大学硕士论文第五章结论与展望在自动化控制系统中，用于监控的数据采集参数很多，温湿度数据采集是其中最 常见的一种。传统温湿度测量方法只适合于采集变化范围较小的情况，对于多点大范 围变化的温湿度数据采集来说，采用传统温湿度采集方法，远距离传输会引起较大的 误差。为解决这个问题，本文设计出一种基于无线传输技术的多路温湿度数据采集系 统和控制系统，通过无线发送接收模块将采集到的温湿度数据传输到指定位置进行存 储、显示和打印。整个系统采用分时扫描区域内的传感器的控制思想，实现数据的监测。在传感器的选择上，采用数字式温度传感器ＤＳｌ８８２０及模拟式湿度传感器ＨＭｌ５００。 应用传感技术、无线收发技术及计算机技术，实现多点温湿度数据的采集和无线传输。 该温湿度测量系统电路简单，性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，搭建方便， 易于扩展，经过软件进行非线性及温度补偿后，测温、测湿精度可进一步提高，特别适合于低温的仓贮使用和一些低温连续多点监测的场合，是一种行之有效的多路无线温湿度采集的方法，其可移植性好，实用性强。 但是，对该系统的研究还存在一些问题需要解决。比如温度传感器的测温范围不 够宽，上传速率慢；湿度传感器反应速度慢、线性度不够好，需要进行校正，精度无 法进一步提高、发射距离比较近等。 同时由于本课题研究的内容需要的知识面宽，涉及的计算机硬件和计算机软件， 其所含的技术多，其工作量也较大，是一个复杂而艰巨的系统工程，需要一个长期努 力才能使其系统功能尽善尽美。因此由于时间的关系，本系统还处在实验阶段。山东大学硕士论文致谢本论文是在我的导师王济浩教授的悉心指导下完成的。在本文的工作期间，导师 丰富的知识面、敏锐的思维、见微知著的洞察力、严谨的治学态度和永不懈怠的工作 作风令我深受感染并受益匪浅。导师的教导和精神将指导和激励我整个未来的科学探 索及教学生涯，成为我人生中永远的财富。在此对我的导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢！我还要感谢本教研室的吴顺伟老师，他在我的论文完成过程中也给予了我不少的帮助。最后，衷心感谢我的家人给予我的支持、鼓励和爱护。感谢所有关心、帮助过我的朋友们！也向所有参与论文评审的专家表示最衷心的感 谢１３７山东大学硕士论文参考文献［１］蔡型，张思全．短距离无线通信技术综述［Ｊ］．现代电子技术，２００４，（３）：６５－６７，７６．［２］王英洲，方旭明．短距离无线通信主要技术与应用［Ｊ］．数据通信，２００４，（４）：５３－５６． ［３］张海滨，郑维智．短距离无线通信在控制中的应用［Ｊ］．微计算机信息，２００４，（１１）：１２９―１３０，３８．［４］沙占友．智能化集成温度传感器原理与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２． ［５］吴敏一种基于单片机的速度测量系统［Ｊ］．微计算机信息２００８． ［６］刘玉峰，刘军．微型计算机软件抗干扰技术的应用．邵阳学院学报．自然科学版．２００５．［７］王幸之钟爱琴王雷王闪编著：（ＡＴ８９系列单片机原理与接口技术》，北京航空航 天大学出版社，２００４年５月． ［８］刘守义杨宏丽王静霞编著：《单片机应用技术》，西安电子科技大学出版社，２００２年８月．［９］唐述宏．单片机构成的环境温湿度实时测控装置设计．国外电子元器件，２００６，５． ［１０］江力．单片机原理与应用技术．北京：清华大学出版社，２００６．［１ １］王兆月．微型计算机接口技术．北京：机械工业出版社，２００６．［１２］大温室温湿度远程监控系统．段朝伟，２００８．［１３］温乃宁．粮库网络测控系统设计与开发，２００６． ［１４］肖坤．无线粮仓温度监控系统的设计，２００８． 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