以上只是簡單列舉幾個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子，在現(xiàn)實(shí)生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz頻段NRF24L01射頻芯片，由AT89S52單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。該接口設(shè)計(jì)具有成本低、傳輸速率高、軟件設(shè)計(jì)簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過NRF24L01無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送部分以單片機(jī)AT89S52為核心，使用溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20實(shí)時(shí)采集溫度并通過nRF24l01將采集的溫度無線傳送給接收部分，然后在LCD1602上顯示，并通過串口發(fā)送到PC機(jī)上顯示，通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度過高或過低進(jìn)行報(bào)警。
方案二：采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149系列單片機(jī)作為主控芯片。此單片機(jī)是一款高性能的低功耗的16位單片機(jī)，具有非常強(qiáng)大的功能，且內(nèi)置高速12位ADC。但其價(jià)格比較昂貴，而且是TPFQ貼片封裝，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和開發(fā)周期。
方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增強(qiáng)型51單片機(jī)作為主控芯片。此芯片內(nèi)置ADC和SPI總線接口，且內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，可達(dá)到1MPS。而且價(jià)格適中。
方案一：采用GSM模塊進(jìn)行通信，GSM模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置SIM卡，通信過程中需要收費(fèi)，后期成本較高。
方案二：采用TI公司CC2430無線通信模塊，此模塊采用Zigbee總線模式，傳輸速率可達(dá)250kbps，且內(nèi)部集成高性能8051內(nèi)核。但是此模塊價(jià)格較貴，且Zigbee協(xié)議相對(duì)較為復(fù)雜。
方案二：采用NRF24L01無線射頻模塊進(jìn)行通信，NRF24L01是一款高速低功耗的無線通信模塊。他能傳輸上千米的距離（加PA），而且價(jià)格較便宜、，采用SPI總線通信模式電路簡單，操作方便。
方案一：采用AD590是美國ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源。AD590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合由于AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。但其需要用到差分放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換，需要原件多。
方案二：采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。經(jīng)濟(jì)，方便。
使用DS18B20線路簡單，編程容易，但是比AD590精度低。AD590還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大，但是溫度精確�？紤]到電路的設(shè)計(jì)，成本，還有多點(diǎn)通信，我們選擇方案二，即用DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。
方案一：選擇主控為ST7920的帶字庫的LCD12864來顯示信息。12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數(shù)常用的漢字及ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點(diǎn)畫線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果。
單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運(yùn)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）,隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），只讀程序存儲(chǔ)器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口（SCI），顯示驅(qū)動(dòng)電路（LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路），脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)最小然而很完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)�？偟亩詥纹瑱C(jī)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：集成度高、存儲(chǔ)容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價(jià)格比高、可靠性高這幾個(gè)方面。
單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可以獨(dú)立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機(jī)的最大特點(diǎn)。然而單片機(jī)又不同于單板機(jī)，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個(gè)最小的、完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。它與單板機(jī)或個(gè)人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)屬于芯片級(jí)應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定的智能
AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè) 全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。引腳圖如圖2.1
此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式�？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷 系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三 種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
XTAL2：系統(tǒng)時(shí)鐘的反向放大器輸出端，一般在設(shè)計(jì)上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)皆可以工作了，此外可以在兩個(gè)引腳與地之間加入一20PF的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。
RESET：AT89S52的重置引腳，高電平工作，當(dāng)要對(duì)晶片重置時(shí)，只要對(duì)此引腳點(diǎn)評(píng)提升至高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)動(dòng)作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。
EA/Vpp：“EA”為英文“External Access”的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動(dòng)作，也就是說當(dāng)引腳為低電平后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲(chǔ)器空間。如果使用8751內(nèi)部程序空間時(shí)，引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部EPROM時(shí)，可以利用此引腳來輸入21 V的燒錄高壓（Vpp）。
PORT0（P0.0―P0.7）：端口0是一個(gè)8位寬的開路電極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個(gè)位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個(gè)I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，P0在當(dāng)做I/O用時(shí)可以推動(dòng)8個(gè)LS的TTL負(fù)載。如果當(dāng)EA引腳為低電平時(shí)（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），P0就以多工方式提供地址總線（A0―A7）及數(shù)據(jù)總線（D0―D7）。設(shè)計(jì)者必須外加一個(gè)鎖存器將端口0送出的地址鎖住成為A0―A7，再配合端口2所送出的A8―A15合成一個(gè)完整的16位地址總線，而定位地址到64K的外部存儲(chǔ)器空間。
PORT1(P1.0―P1.7)：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動(dòng)4個(gè)LS TTL負(fù)載，若將端口1的輸出設(shè)為高電平，使是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當(dāng)作定時(shí)器2的外部緩沖輸入腳，而P。1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)引腳。
PORT2(P2.0―P2.7)：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LS的TTL負(fù)載，同樣地，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時(shí)，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。P2除了當(dāng)做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51擴(kuò)充外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，也提供地址總線的高字節(jié)A8―A15，這個(gè)時(shí)候P2便不能當(dāng)做I/O來使用了。
PORT3（P3.0―P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，同時(shí)還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋?/div>
其引腳分配如下：
P3.0：RXD,串行通信輸入。
P3.1：TXD,串行通信輸出。
P3.2：INT0,外部中斷0輸入。
P3.3：INT1,外部中斷1輸入。
P3.4：T0，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器0輸入。
P3.5：T1，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器1輸入。
P3.6：WR,外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入信號(hào)。
P3.7：RD,外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取信號(hào)。
2.1.1 單片機(jī)控制模塊
單片機(jī)控制模塊由AT89S52最小系統(tǒng)組成，其中包括單片機(jī)，晶振電路和復(fù)位電路。
（1）、晶振電路
晶振電路由兩個(gè)30pF電容和一個(gè)12MHz晶體振蕩器構(gòu)成，接入單片機(jī)的X1、X2引腳。
（2）、復(fù)位電路
單片復(fù)位端低電平有效。
單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2.2：
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圖2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
2.2 單片2.4GHz nRF24L01無線模塊
2.2.1 nRF24L01芯片概述
nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。
nRF24L01主要特性如下：
GFSK調(diào)制；
硬件集成OSI鏈路層；
具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能；
片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼；
數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s；
SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s；
125個(gè)頻道；
與其他nRF24系列射頻器件相兼容；
QFN20引腳4 mm×4 mm封裝；
供電電壓為1.9 V～3.6 V。
2.2.2 引腳功能及描述
nRF24L01的封裝及引腳排列如圖所示。各引腳功能如下：
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圖2.3 nRF24L01封裝圖
CE：使能發(fā)射或接收;
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01：
IRQ：中斷標(biāo)志位；
VDD：電源輸入端；
VSS：電源地；
XC2，XC1：晶體振蕩器引腳;
VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V；
ANT1,ANT2：天線接口；
IREF：參考電流輸入。
2.2.3 工作模式
通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表所示。
待機(jī)模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；
待機(jī)模式2則是在當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時(shí)進(jìn)入此模式；
待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。
在掉電模式下電流損耗最小，同時(shí)nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
表1：nRF24L01四種工作模式
模式 | PWR_UP | PRIM_RX | CE | FIFO寄存器狀態(tài) |
接收模式 | 1 | 1 | 1 | - |
發(fā)射模式 | 1 | 0 | 1 | 數(shù)據(jù)在TX FIFO 寄存器中 |
發(fā)射模式 | 1 | 0 | 1→0 | 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 |
待機(jī)模式2 | 1 | 0 | 1 | TX FIFO 為空 |
待機(jī)模式1 | 1 | - | 0 | 無數(shù)據(jù)傳輸 |
掉電 | 0 | - | - | - |
2.2.4 工作原理
發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動(dòng)應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除;若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí),若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。
接收數(shù)據(jù)時(shí),首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。
在寫寄存器之前一定要進(jìn)入待機(jī)模式或掉電模式。如下圖，給出SPI操作及時(shí)序圖：
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圖2.4 SPI讀操作
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圖2.5 SPI 寫操作
2.2.5 配置字
SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對(duì)單個(gè)字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個(gè)，使用時(shí)這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。
nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01 的配置寄存器共有25個(gè)，常用的配置寄存器如表2所示。
表2：常用配置寄存器
地址（H） | 寄存器名稱 | 功能 |
00 | CONFIG | 設(shè)置24L01工作模式 |
01 | EN_AA | 設(shè)置接收通道及自動(dòng)應(yīng)答 |
02 | EN_RXADDR | 使能接收通道地址 |
03 | SETUP_AW | 設(shè)置地址寬度 |
04 | SETUP_RETR | 設(shè)置自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間和次數(shù) |
07 | STATUS | 狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài) |
0A~0F | RX_ADDR_P0~P5 | 設(shè)置接收通道地址 |
10 | TX_ADDR | 設(shè)置接收接點(diǎn)地址 |
11~16 | RX_PW_P0~P5 | 設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度 |
2.2.6 nRF24L01模塊原理圖
nRF24L01單端匹配網(wǎng)絡(luò)：晶振，偏置電阻，去耦電容。
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圖2.6 nRF24L01單端50Ω射頻輸出電路原理圖
2.3 溫度傳感器 DS18B20
DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的"一線器件"體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì) Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 "一線總線"數(shù)字化溫度傳感器 同DS1820一樣，DS18B20也 支持"一線總線"接口，測量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為± 2°C �，F(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
2.3.1 DS18B20管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
DS18B20的管腳和封裝如下圖2.7：
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圖2.7 DS18B20引腳及封裝
引腳定義：
(1)DQ為單數(shù)據(jù)總線，是數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；
(2)GND為電源地；
(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)：
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圖2.8 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
（1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。
（2） DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。
圖2.9 DS18B20溫度值格式表
這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。
例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。
2.3.2 DS18B20的工作原理
DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。18B20共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源，它們分別是：
- ROM 只讀存儲(chǔ)器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號(hào)，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。
- RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個(gè)字節(jié)RAM，每個(gè)字節(jié)為8位。第1、2個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個(gè)字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報(bào)警值儲(chǔ)存）的鏡像。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第5個(gè)字節(jié)則是用戶第3個(gè)EEPROM的鏡像。第6、7、8個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。第9個(gè)字節(jié)為前8個(gè)字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。
控制器對(duì)18B20操作流程：
- 復(fù)位：首先我們必須對(duì)DS18B20芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號(hào)。當(dāng)18B20接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在15~60uS后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。
- 存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個(gè)60~240uS的低電平信號(hào)。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來將會(huì)是控制器與18B20間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時(shí)間不足或是單總線的電路斷路都不會(huì)接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意意外情況的處理。
- 控制器發(fā)送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了，ROM指令共有5條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條，ROM指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。ROM指令為8位長度，功能是對(duì)片內(nèi)的64位光刻ROM進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個(gè)器件并作處理。誠然，單總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)器件，并通過每個(gè)器件上所獨(dú)有的ID號(hào)來區(qū)別，一般只掛接單個(gè)18B20芯片時(shí)可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發(fā)送ROM指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。
- 控制器發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令：在ROM指令發(fā)送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲(chǔ)器操作指令分別是寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將RAM數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM中的報(bào)警值復(fù)制到RAM、工作方式切換。存儲(chǔ)器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。
- 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個(gè)存儲(chǔ)器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個(gè)操作要視存儲(chǔ)器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機(jī)）必須等待18B20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴(yán)格遵循18B20的讀寫時(shí)序來操作。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細(xì)介紹。
當(dāng)主機(jī)收到DSl8B20的響應(yīng)信號(hào)后，便可以發(fā)出ROM操作命令之一，這些命令如下：
指令代碼 代碼
Skip ROM（跳躍ROM指令）[CCH]
這條指令使芯片不對(duì)ROM編碼做出反應(yīng)，在單總線的情況之下，為了節(jié)省時(shí)間則可以選用此指令。如果在多芯片掛接時(shí)使用此指令將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致錯(cuò)誤出現(xiàn)。
Read Scratchpad （從RAM中讀數(shù)據(jù)）[BEH]
此指令將從RAM中讀數(shù)據(jù)，讀地址從地址0開始，一直可以讀到地址9，完成整個(gè)RAM數(shù)據(jù)的讀出。芯片允許在讀過程中用復(fù)位信號(hào)中止讀取，即可以不讀后面不需要的字節(jié)以減少讀取時(shí)間。
Convert T（溫度轉(zhuǎn)換）[44H]
收到此指令后芯片將進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的溫度值放入RAM的第1、2地址。此后由于芯片忙于溫度轉(zhuǎn)換處理，當(dāng)控制器發(fā)一個(gè)讀時(shí)間隙時(shí)，總線上輸出“0”，當(dāng)儲(chǔ)存工作完成時(shí)，總線將輸出“1”。在寄生工作方式時(shí)必須在發(fā)出此指令后立刻超用強(qiáng)上拉并至少保持500MS，來維持芯片工作。
與DS18B20的所有通訊都是由一個(gè)單片機(jī)的復(fù)位脈沖和一個(gè)DS18B20的應(yīng)答脈沖開始的。單片機(jī)先發(fā)一個(gè)復(fù)位脈沖，保持低電平時(shí)間最少480μs，最多不能超過960μs。然后，單片機(jī)釋放總線，等待DS18B20的應(yīng)答脈沖。DS18B20在接受到復(fù)位脈沖后等待15～60μs才發(fā)出應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖能保持60～240μs。單片機(jī)從發(fā)送完復(fù)位脈沖到再次控制總線至少要等待480 μs。
讀時(shí)隙需15～60 μs，且在2次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要1 μs的恢復(fù)時(shí)間。讀時(shí)隙起始于單片機(jī)拉低總線至少1 μs。DSl8820在讀時(shí)隙開始15μs后開始采樣總線電平。
寫時(shí)隙需要15～75 μs，且在2次獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少需要1μs的恢復(fù)時(shí)間。寫時(shí)隙起始于單片機(jī)拉低總線。
2.3.3 DS18B20的硬件設(shè)計(jì)
DS18B20在本系統(tǒng)中與發(fā)送端單片機(jī)的P3.3連接。如圖：
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圖2.10的DS18B20硬件連接圖
2.4 顯示模塊
本系統(tǒng)顯示模塊分兩種：1、接收端顯示模塊用LCD1602液晶模塊。2、發(fā)送端使用數(shù)碼管顯示。
2.4.1 接收端顯示模塊
本設(shè)計(jì)在接收端部分采用LCD1602液晶顯示模塊來顯示溫度，,P0由上拉電阻提高驅(qū)動(dòng)能力，作為數(shù)據(jù)輸出并作為LCD的驅(qū)動(dòng)，P2口的P2.7-P2.6分別作為液晶顯示模塊的使能信號(hào)E，數(shù)據(jù)/命令選擇RS，R/W端則配置成寫。具體電路如圖2.11所示。
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圖2.11 LCD1602液晶顯示模塊電路圖
2.4.2 發(fā)送端顯示模塊
本設(shè)計(jì)在發(fā)送端部分采用數(shù)碼管顯示，P0由上拉電阻提高驅(qū)動(dòng)能力，作為數(shù)據(jù)輸出。P2.7-P2.4分別作為數(shù)碼管位顯示S1-S4。
如圖2.12所示：
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圖2.12發(fā)送端數(shù)碼管顯示連接
2.5 報(bào)警電路
當(dāng)外界溫度超過預(yù)設(shè)溫度上下限時(shí)，為更加有效的引起用戶的注意，及時(shí)關(guān)注溫度的變化，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了聲報(bào)警電路。該電路由蜂鳴器和NPN三極管組成，具體電路如圖2.13所示。
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圖2.13 接收端報(bào)警電路
2.6 接收端與PC機(jī)通信
本系統(tǒng)采用MAX232來完成TTL- EIA（美國電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)）雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，僅需+5 V電源便可工作，使用十分方便，其與AT89S52連接時(shí)可以采用最簡單的方式連接（見圖2.14），MAX232的T1 IN引腳與89S52的串行輸入口線P3．1TXD相連，R1 OUT引腳與89S52的串行輸入口線P3．0RXD相連，MAX232的T1 OUT、R1 IN分別于與RS232的2、3引腳相連。MAX232泵電源引腳必須接0．1μf 電容，如圖中的C7、C8、C9、C10。
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圖2.14 單片機(jī)與PC機(jī)串口通信電路
2.7 電源電路設(shè)計(jì)
A、本系統(tǒng)單片機(jī)需要一組＋5V電源，采用的電源電路如圖2.15所示。該電路是把市電220V交流電壓經(jīng)電壓器降壓至8V，輸入進(jìn)行全橋整流，成為脈動(dòng)直流，經(jīng)過，一級(jí)濾波后送至三端穩(wěn)壓集成電路lm7805穩(wěn)壓，再經(jīng)二級(jí)濾波后即為＋5V輸出，圖2.15的四個(gè)二極管組成了全橋整流電路，C1，C3是一級(jí)濾波電容，U1是穩(wěn)壓管lm7805，C4是二級(jí)濾波電容。
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圖2.15 +5V電源電路
B、本系統(tǒng)無線模塊需要一＋3.3V電源，采用電源電路如圖2.16所示。該電路把先前轉(zhuǎn)換得到的＋5V電源經(jīng)過低壓差電壓調(diào)節(jié)器lm1117轉(zhuǎn)換為＋3.3V電源。
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圖2.16 無線模塊+3.3V電源供電電路
2.8 其他外圍電路
本系統(tǒng)需要在溫度過高的情況下驅(qū)動(dòng)繼電器，打開通風(fēng)系統(tǒng)。
繼電器連接發(fā)送端單片機(jī)P3.7口。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
3.1.1 發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)發(fā)送端采用DS18B20溫度傳感器采集溫度，經(jīng)AT89S52收集處理數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示，如果溫度過高，則單片機(jī)控制繼電器工作，再由nRF24L01模塊發(fā)送到接收端。其中包括DS18B20和nRF24L01模塊的初始化配置。軟件流程圖如3.1。
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圖3.1 發(fā)送端程序流程圖
3.1.2 接收端軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)接收端采用nRF24L01無線模塊接收發(fā)送端傳來的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)AT89S52在LCD1602液晶顯示器上顯示。溫度過高則報(bào)警電路工作。最后單片機(jī)把數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸給PC機(jī)。其中包括nRF24L01模塊和LCD1602液晶顯示器的初始化。流程圖如3.2 。
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圖3.2 接受端程序流程圖
4 系統(tǒng)仿真
4.1 電源電路的仿真
4.1.1 +5V電源電路仿真
使用multisim仿真，由家電220V經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換成7.6V交流電壓，再經(jīng)過橋式整流，后經(jīng)7805穩(wěn)壓芯片得到直流5V電壓。如圖4.1
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圖4.1 +5V電源設(shè)計(jì)仿真
4.2 發(fā)送端溫度采集與顯示仿真
發(fā)送端溫度采集與顯示電路由Protues仿真軟件進(jìn)行仿真。DS18B20接單片機(jī)P3.3口。P0口接4位數(shù)碼管段選端，P2.7-P2.4分別接數(shù)碼管位選段S4-S1。當(dāng)前DS18B20顯示18.0，LCD1602顯示18.0 。顯示仿真成功。
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圖4.3 溫度采集及顯示仿真
4.3 接收端LCD1602顯示溫度仿真接收端接收到溫度數(shù)據(jù)后由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)。由LCD1602液晶顯示器顯示。1602的數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P0口，RS，RW和E端分別接P2.0-P2.2口。用Protue顯示仿真結(jié)果如圖4.4 。
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圖4.4 接收端LCD1602液晶顯示仿真
5 硬件電路板設(shè)計(jì)
5.1 系統(tǒng)硬件原理圖
5.1.1 發(fā)送端原理圖
電源模塊：由VCC提供+5V高電平，Power接口接入，經(jīng)過LM1117降壓為+3.3V電平，為nRF24L01模塊提供高電平。
顯示模塊：P1口接無線模塊的控制端口。P0.0—P0.7接數(shù)碼管段選端D0-D7。
無線模塊控制模塊：無線模塊由P2口控制。
溫度采集模塊：溫度采集由DS18B20 I/O端接入單片機(jī)P3.3口。
單片機(jī)最小系統(tǒng)：X1，X2接外部振蕩電路，RESET端接復(fù)位電路，EA端接高。
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圖5.1 發(fā)送端原理圖
5.1.2 接收端原理圖
接收端由單片機(jī)主控電路、USB電源+5V接入、串口通信電路、無線模塊供電電路、LCD1602液晶顯示接口和報(bào)警電路組成。
單片機(jī)主控電路由AT89S52最小系統(tǒng)組成。
+5V電源由USB接口提供給單片機(jī)和其他模塊。接入后發(fā)光二極管點(diǎn)亮。
串口通信模塊由DB9和RS232的外圍電路組成。串口通信一邊接單片機(jī)的RXD和TXD，一邊連接PC機(jī)。
LCD1602顯示模塊數(shù)據(jù)端接單片機(jī)P0口，RS，RW，E分別接單片機(jī)的P2.0-P2.2 。
報(bào)警電路接單片機(jī)的P2.7腳。由一個(gè)三極管和喇叭組成。
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圖5.2 接收端原理圖
5.2 系統(tǒng)PCB圖
5.2.1 發(fā)送端PCB圖
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圖5.3 發(fā)送端PCB圖
5.2.2 接收端PCB圖
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圖5.4 接收端PCB板圖
5.3 硬件制作
硬件的制作有印制電路板，打孔和焊接原件組成。
印制電路板用熱傳印紙打印電路圖，經(jīng)過熱傳印機(jī)把紙上的電路圖轉(zhuǎn)印到電路銅板上，之后進(jìn)行腐蝕銅板處理，把不需要的銅去掉，得到所要電路。經(jīng)過印制打孔后的電路板如下圖。
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圖5.5 印制后的電路板
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焊接原件后如下圖。
圖5.6 焊接原件后的電路板
5.4 硬件調(diào)試在沒通電之前，先用萬用表檢查線路的正確性，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格是否符合要求。特別注意電源的正負(fù)極以及電源之間是否有短路，并重點(diǎn)檢查地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線是否存在相互間的短路或其他信號(hào)線的短路。晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好是保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。在本系統(tǒng)中我們都進(jìn)行了仔細(xì)的檢杏，所以此步驟不會(huì)發(fā)生故障，這一步如果檢查不細(xì)通電后可能會(huì)造成不可想象的后果，所以這一步也至關(guān)重要。
通電后檢查各器件引腳的電位，仔細(xì)測量各點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)的插座上的各點(diǎn)電位，若有高壓，將有可能損壞單片機(jī)仿真器。同樣，如果電壓過低就沒有能力驅(qū)動(dòng)其負(fù)載。
在斷電的情況下，除單片機(jī)以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機(jī)仿真器的仿真接口相連，為軟件調(diào)試做好準(zhǔn)備。
其中遇到的問題很多，如印制電路線不合格，中間有些許斷路，造成調(diào)試的失敗。還有USB電源供電電壓不足的問題，電源電壓經(jīng)過供電給負(fù)載，電壓下降0.5V，致使單片機(jī)不工作的問題。
5.5 硬件調(diào)試結(jié)果我們進(jìn)行的是單點(diǎn)通信，傳輸溫度數(shù)據(jù)。發(fā)送端采集溫度，在4位LED數(shù)碼顯示管上顯示，并發(fā)送到接收端。其結(jié)果如圖。
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圖5.7 發(fā)送端采集到溫度顯示
接收端接收到溫度及顯示：
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圖5.8 接收端接收到數(shù)據(jù)并顯示在LCD1602上
6 nRF24L01應(yīng)用于無線組網(wǎng)6.1 無線組網(wǎng)的意義及研究價(jià)值隨著GSM、WCDMA及3G商用，近距無線通信并能上網(wǎng)成了一種迫切需求：實(shí)現(xiàn)低功耗、低價(jià)位、可替代電纜的無線數(shù)據(jù)鏈路。人們希望通過一個(gè)小型的 短距離的無線網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)和商業(yè)用戶提供各種服務(wù)。而目前幾乎所有的無線網(wǎng)絡(luò)都在某一點(diǎn)上連接到有線網(wǎng)絡(luò)中，以便訪問文件、數(shù)據(jù)庫和因特網(wǎng)。此時(shí)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信的設(shè)計(jì)便顯得尤為重要。
6.2 通信模型及協(xié)議設(shè)計(jì)1、通信模型的建立
常見的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)多采用環(huán)型和星型兩種模式。
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它們的系統(tǒng)示意圖分別如圖6.1和圖6.2所示。
圖6.1 環(huán)形系統(tǒng)示意圖
圖6.2所示為星形系統(tǒng)示意圖。
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圖6.2 星形系統(tǒng)示意圖
其中，環(huán)型系統(tǒng)主要用于傳輸距離較遠(yuǎn)且實(shí)時(shí)性要求不高的場合；而星型系統(tǒng)則特別適用于近距離條件下，數(shù)據(jù)量較大且實(shí)時(shí)性要求較高的場合。
總結(jié)
數(shù)據(jù)采集與處理是51單片機(jī)的常用領(lǐng)域，除了電信號(hào)以外，單片機(jī)還可以利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)非電信號(hào)的采集。本設(shè)計(jì)介紹的數(shù)字溫度計(jì)就是一個(gè)典型事例。本設(shè)計(jì)采用一種直接數(shù)字輸入式的溫度傳感芯片DS18B20實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)�；贒S18B20數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)確實(shí)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，溫度傳感器得到電纜長度達(dá)到幾十米都可以正常讀取溫度數(shù)據(jù)。相比之下，傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)采用熱敏電阻等溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換處理電路才能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，不但電路復(fù)雜，而且熱敏電阻的可靠性相對(duì)較差，測量溫度的精度差，很難保證熱敏電阻的一致性和線性，在應(yīng)用中需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、共模干擾問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差等技術(shù)問題。
本設(shè)計(jì)內(nèi)容重點(diǎn)：
NRF24L01無線傳輸模塊的操作。
DS18B20的各種操作命令。
單片機(jī)數(shù)碼管和LCD1602顯示。
單片機(jī)的串口通信。
研究展望：
進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
1．提高溫度控制器測溫精度和分辨力
在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度控制器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達(dá)到2°C。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.5~0.0625°C。為了提高多通道智能溫控器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。
2．增加溫度控制器測試功能
新型智能溫度控制器的測試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，采用DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外，智能溫度控制器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
智能溫度控制器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡便。對(duì)某些智能溫度控制器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率，分辨力及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。
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