无线智能温控系统设计

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 (1)

1 绪论 (2)

1.1 系统的设计背景 (2)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.3 系统概述 (3)

2 温度采集系统硬件的设计 (4)

2.1 温度传感器 (4)

2.2 温度测试电路 (5)

2.2.1 智能温度传感器DS18B20 (10)

2.2.2 键盘以及显示电路 (13)

2.2.3 电源以及看门狗电路 (14)

2.3 输出通道设计 (15)

2.4 硬件抗干扰设计 (16)

3 PTR2000无线通信模块 (16)

3.1 PTR2000无线通信模块的概述 (20)

3.2 PTR2000无线通信协议原理及设计 (20)

3.2.1 无线通信协议的简介 (20)

3.2.2 PTR无线通信协议原理及设计 (25)

4无线远程通信的实现及设计 (25)

4.1 通信概述 (27)

4.2计算机与AT89C51单片机的多机通信 (27)

4.3远程数据交换的实现 (30)

4.4无线通信的硬件设计 (31)

4.4.1无线发射电路的设计 (31)

4.4.2无线接受电路的设计 (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，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 composition

2 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。

图2-1分机组成图

Fig.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DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92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DS18B20

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在

-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。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、设备或过程控制、测温类消费电子产品等[3]。

1、D S18B20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 DS18B20’s internal structure

DS18B20有4个主要的数据部件：

① 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。

②温度灵敏元件。

③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。

④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，其各位定义如

下图所示。

TM R1 R0 1 1 1 1 1 MSB DS18B20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 DS18B20’s 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 resolution relations

R0R1温度计分辨率/bit最大转换时间/us

0 0 9 93.75

0 1 10 187.5

1 0 11 375

1 1 1

2 750

2）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 9～12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TH TL配置保留保留保留8位CRC LSB MSB

图2-4 DS18B20存储器映像图

Fig.2-4 The diagram of DS18B20’s 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 DS18B20’s temperature value form

232221202-12-22-32-4

MSB

LSB S S S S S 26 25 24 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

+0.5

-0.5

-10.125

-25.0625

-55

00000111 11010000 00000001 10010001 00000000 10100010 00000000 00001000 00000000 00000000 11111111 11111000 11111111 01011110 11111110 01101111 11111100 10010000 07D0H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FE6FH FC90H

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与T H ，T L 作比较，若T>T H 或T

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

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 9～12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，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。

图2-5 DS18B20的内部测温电路框图

Fig.2-5 The diagram of DS18B20’s interior measures the warm electric circuit 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数

据。

4、DS18B20与单片机的硬件接口

DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成，本系统在每一个现场环境中设计了8个温度采集点。硬件连接电路如下图：

图2-6 DS18B20的接口

Fig.2-6The diagram of DS18B20’s connection

本系统为多点温度测试，DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但时间应用中发现，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。在这种情况下我们可以采用分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。

对DS18B20的设计，需要注意以下问题：

1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20 进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20 的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。

2）有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20 序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。

3）测温电缆线建议采用屏蔽4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另

一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20 在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。若VCC脱开未接，传感器只送85.0 ℃的温度值。

4）实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。

2.2.2 键盘以及显示电路

1、键盘电路

本系统设计的键盘主要功能是在现场可以通过对键盘的操作，实现所选通道的温度值的实时显示，方便了在现场察看的工作。键盘的功能可由软件来实现。单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路，以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。键盘有编码和非编码两种。非编码键盘硬件电路极为简单，故本系统采用拨码开关来控制[4]。由于每个现场设计了八路温度采集，键盘设计时选用了四位拨码开关，满足了对八路通道的选择。具体电路设计如图2-7所示。

1）开关状态的可靠输入的设计

键开关状态的可靠输入有两种解决方法。一种是软件去抖动：它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。另一种为硬件去抖动：即为按键添加一个锁存器。两种方法都简单易行，本设计采用的是硬件去抖。

图2-7 键盘电路

Fig.2-7 The diagram of keyboard electric circuit

2）对按键进行编码给定键值或给出键号

对于按键无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的散转移。为使编码间隔小，散转入口地址安排方便，常采用依次序排列的键号。

表2-4拨码开关值的含义

Tab.2-4 Table of the code switch value the meaning

拨码开关值含义

0000 实时显示通道一的温度值

0001 实时显示通道二的温度值

0010 实时显示通道三的温度值

0011 实时显示通道四的温度值

0100 实时显示通道五的温度值

0101 实时显示通道六的温度值

0110 实时显示通道七的温度值

0111 实时显示通道八的温度值

1*** 自动循环显示所有通道的温度

3）选择键盘监测方法

对是否有键按下的信息输入方式有中断方式与查询方式两种。本设计采用的