无线智能温控系统设计-大学论文.doc
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1、无线智能温控系统的硬件设计摘 要 自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外温度测控系统发展迅速,尤其是控制方面,在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面,以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及温度测试仪器仪表,并在各行业广泛应用。关键词(Key words): 温度传感器; 数据传输; 发射电路; PTR2000无线通信模块 目 录前言11 绪论21.1 系统的设计背景21.2 国内外研究现状21.3 系统概述32 温度采集系统硬件的设计42.1 温度
2、传感器42.2 温度测试电路52.2.1 智能温度传感器DS18B20102.2.2 键盘以及显示电路132.2.3 电源以及看门狗电路142.3 输出通道设计152.4 硬件抗干扰设计163 PTR2000无线通信模块 163.1 PTR2000无线通信模块的概述203.2 PTR2000无线通信协议原理及设计203.2.1 无线通信协议的简介203.2.2 PTR无线通信协议原理及设计254无线远程通信的实现及设计254.1 通信概述274.2计算机与AT89C51单片机的多机通信274.3远程数据交换的实现304.4无线通信的硬件设计314.4.1无线发射电路的设计314.4.2无线接受
3、电路的设计32结论34参考文献34前 言单片机以其高可靠性、高性价比,在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到广泛的应用。本系统以 51单片机为核心,采用分层主从式结构,一台 51单片机负责温度监控任务,分机与主控机之间采用无线通信方式,实现远程监控。系统温度采集主要以Atmel公司的AT89C51单片机为控制处理核心,由它完成对数据的采集处理以及控制数据的无线传输。AT89C51单片机是一种低功耗/低电压/高性能的8位单片机,它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术,片内带有一个4KB Flash ROM,其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。第二章详
4、细介绍了采用智能温度传感器DS18B20构成的温度采集系统的硬件设计,在本文中,主要说明单片机和无线数据收发模块PTR2000的组合,形成单片机的无线数据传输系统,与微机进行无线数据传输。无线收发一体的数传MODEM模块PTR2000芯片性能优异,在业界居领先水平,它的显著特点是所需外围元件少,因而设计非常方便。该模板块在内部需成了高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能,因而是目前集成度较高的无线数据传输产品。第三章介绍了PTR2000无线通信模块,第四章介绍了无线远程通信的实现及设计,设计了外围电路和单片机的接口电路。1 绪论1.1 系统的设计背景随着计算
5、机与信息技术的发展,计算机测量控制系统在越来越多的场合得到了广泛应用。温度是许多监控系统中的一个重要参数,尤其是对于粮仓、写字楼、无人职守的机站等地点,温度的测量更是必不可少。比如在粮食存储过程中,为了保证粮食的存储品质,必须实施监测储存粮食的温度1。过去粮食温度的监测是靠人工手测进行,不但测试速度慢、测试精度低,而且人员劳动强度非常大。由于粮库大部分是由数个容积较大的平仓、筒仓等组成,这些粮仓都高约二十米、直径达十米以上,对它的温度检测除了要求解决被测参数技术问题外(如精度、可靠性等),从系统结构而言,就是解决多点和分布的问题。多点和分布也同样是其它测控系统所面临的问题。像无人职守的机站会分
6、布在很大的范围内,各机站与监控中心的距离很远,数据必须通过远程传输进行交换。而且有些情况下布线很不方便,必须通过无线方式进行数据传输。1.2 国内外研究现状自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外温度测控系统发展迅速,尤其是控制方面,在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面,以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及温度测试仪器仪表,并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点:1) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度测试及控制系统的应用。2) 能够适应于受控系
7、统数学模型难以建立的温度测试及控制系统的应用。3) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度测试及控制系统的应用。4) 这些温度测试系统普遍采用智能化、高度集成的理论及计算机技术,运用先进的算法,适应的范围广泛。5) 温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术,温控器具有对控制对象、控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能,能根据历史经验及控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数,以保证控制效果的最优化。6) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。温度测控系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,
8、但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说,总体发展水平仍然不高,同国外的日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距2。目前,我国在这方面的总体技术水平还处于20世纪80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,只能适应一般温度系统测控,难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应测控仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表也较少。1.3 系统概述系统采用模块化设计,主控机与温度采集系统采用主从分布式结构,如图1-1所示,共分四个部分:主控机测温管理模块,主要是上位机完成对下位机的采集控制以及对数据的查询、存储等。通讯模
9、块,采用无线收发模块PTR2000传输,确保数据传输的可靠性、准确性以及及时性。温度采集模块,主要单片机AT89C51和智能温度传感器DS18B20 构成多路采集通道,完成对各个通道的温度采集,并将数字信号上传至上位机,当通讯出现故障时保存数据。图1-1 系统组成示意图Fig.1-1 The diagram of system composition2 温度采集系统硬件的设计2.1 温度传感器以51单片机系统构成的温度测量分机层,是整个系统中功能最复杂的部分。其组成如图2-1 所示。主单片机AT89C51看门狗电路无线收发模 块键盘电路输出控制电路温度传感器数码管显示器图2-1分机组成图Fig
10、.2-1 The extension constitutes diagram该分系统主要完成多点温度的采集、测量线路、测量点的选择和数据整理 ,并将测得的数据顺序存放在分机 SRAM中。当主控机呼叫该分机时 ,分机将数据进行编码 ,通过无线方式发给主控机。在分机中,主单片机 AT89C51的主程序主要完成温度转换的启动、温度数据读取和温度数据的存储。温度采集系统电路的功能主要包括:多点温度测试及其相关处理,实时显示温度信息,与通信单片机传输温度数据。硬件设计主要包括以下几个模块:温度测试电路,键盘以及显示电路,电源以及看门狗电路,串口通讯电路。 2.2 温度测试电路这里我们用到温度芯片DS18
11、B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。2.2.1 智能温度传感器DS18B20DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或
12、过程控制、测温类消费电子产品等3。1、 DS18B20内部结构1)DS18B20的内部结构如下图所示。图2-2 DS18B20内部结构图Fig.2-2 The diagram of DS18B20s internal structureDS18B20有4个主要的数据部件: 64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。 温度灵敏元件。 非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。 配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值,其各位定
13、义如下图所示。TMR1R011111MSBDS18B20配置寄存器结构图LSB图2-3 DS18B20配置寄存器结构图Fig.2-3 The diagram of DS18B20s disposition register structure其中,TM:测试模式标志位,出厂时被写入0,不能改变;R0、R1:温度计分辨率设置位,其对应四种分辨率如下表所列,出厂时R0、R1置为缺省值:R0=1,R1=1(即12位分辨率),用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。表2-1配置寄存器与分辨率关系表 Tab.2-1 Table of disposes the register and the r
14、esolution relationsR0R1温度计分辨率/bit最大转换时间/us00993.750110187.5101137511127502)高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如下图所示。字节 0存放温度数据低 8位; 字节 1存放温度数据高 8位;字节 2是温度上限报警 TH;字节 3是温度下限报警 TL; 字节 4是配置寄存器 , 用于确定输出分辨率 912位 表 2 ;字节 5、6、7为预留的寄存器,用于内部计算;字节 8是循环冗余位校验码CRC。温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSBMSB图2-4 DS18B20存储器映像图Fig.2-4 Th
15、e diagram of DS18B20s memory image当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625 /LSB形式表示。表2-2 DS18B20温度值格式表Tab.2-2 Table of DS18B20s temperature value form232221202-12-22-32-4MSBLSBSSSSS262524对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变
16、换为原码,再计算十进制值。表2-3典型对应的温度值表Tab.2-3 Table of model correspondence temperature value温度/二进制表示十六进制表示+125 +25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-5500000111 1101000000000001 1001000100000000 1010001000000000 0000100000000000 0000000011111111 1111100011111111 0101111011111110 0110111111111100 1001000007D0H
17、0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90HDS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比较,若TTH或TTL,则将该器件内的告警标志置位,并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。3)CRC的产生在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。2、DS18B20的操作指令DS18B20的操作指令共有两类:对 ROM操作类和功能操作类。前者针对 ROM共有 5
18、条指令,主要用于多个 DS18B20级联使用,搜索 ROM识别序列号及类型等。而后者则是实现温度转换以及对温度数据的读出与存贮等,它共有 6条指令。1)ROM指令系列Search ROM (搜索 ROM) F0h:用于系统上电时,从多个器件中识别其他器件的序列号、数量及类型,适用于多个器件级联。Read ROM (读 ROM) 33h:用于读器件的 64位序列号,仅适用于一个主器件一个从器件的情况。Match ROM (匹配 ROM ) 55h:用于根据 64位序列号寻址一个特定的器件。Skip ROM (缺省 ROM) CCh:用于在没有发送ROM序列号信息时,寻址单总线上所有器件,使之在转
19、换指令下,同步进行温度转换。Alarm Search (报警搜索) ECh:用于确认报警条件。2)功能指令系列Convert T (温度转换) 44h:用于 DS18B20的温度转换,并把转换的温度数据存贮在便笺式存贮器中的两个温度寄存器字节中。Write Scratchpad (写便笺式存贮器) 4Eh:用于把 3个字节写入到便笺式存贮器中的寄存器,即上限报警 TH寄存器、下限报警 TL 寄存器和配置寄存器选择 912位分辨率。Read Scratchpad (读便笺式存贮器) BEh:用于读便笺式存贮器的内容。Copy Scratchpad (复制便笺式存贮器) 48h:用于复制便笺式存贮
20、器中上限报警 TH 寄存器、下限报警TL寄存器和配置寄存器中的内容到 EEPROM,以免掉电数据丢失。Recall EEPROM (重新调用 EEPROM) B8h:用于把 EEPROM中的上下限报警值和匹配的分辨率位数调出后,存贮到便笺式存贮器的 2、3、4字节。Read Power Supply (读供电方式) B4h :用于DS18B20来确认供电方式是用寄生电源供电还是外部电源供电,以此来决定在读时间间隔把单总线拉低还是保持高电位。3、DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图2-5所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1
21、,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2
22、计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。高温度系数振荡器减法计数器2减到0斜率累加器预置计数比较器低温度系数振荡器减法计数器预置减到0温度寄存器增加停止图2-5 DS18B20的内部测温电路框图Fig.2-5 The diagram of DS18B20s interior measures the warm electric circuit另外,由于DS18B20单线通信功能是分
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