無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（溫度遙測） 電子技術(shù)等專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文

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1、 2007年江西省第十八界電子設(shè)計 競賽大專組 題目：無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)〔 溫度遙測〕 院校： 九江學院電子工程學院 學生： 指導老師： 時間：2007年5月27-2007年5月30日 目 錄 目錄……………………………………………………………………....2 摘要……………………………………………………………………....3 一、方案設(shè)計與論證……………………………………………………3 溫度采集處理局部..............................................

2、.............................3 無線數(shù)據(jù)傳輸局部..........................................................................4 .......................................................................... .......5 二、系統(tǒng)的功能及硬件結(jié)構(gòu)………………………………………. .......6 溫度采集局部....................................................

3、...................... .......6 .................................................................... ......7 高頻信號收發(fā)電路.................................................................... ..7 .2編碼解碼局部................................................................ ......... ..9 .2數(shù)據(jù)處理局部.........

4、....................................................... ......... .10三、系統(tǒng)電器原理總圖............................................................... ........ ..11 四、軟件流程圖. ............................................................... ........ ...... ....13 五、系統(tǒng)測試方案.....................................

5、.......................... ........ ..... ....15六、結(jié)果分析...................................................................... ........ ..... ....17 摘 要 無線發(fā)送電路和無線接收電路分別以315MHz陶瓷濾波器和RX3310芯片為核心。整個系統(tǒng)采用兩個單片機，89s52為接收機處理器，完成無線信號的識別、存儲、顯示和設(shè)定報警功能；89C2051為發(fā)射機處理器，完成溫度數(shù)據(jù)的讀取及編碼處理功能；溫度采集局部采用數(shù)字式溫度傳感器

6、DS1820來實現(xiàn)，采用溫度內(nèi)差℃。采用12V電池供電。 一、 方案設(shè)計與論證 此題為無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，要求采集遠方的溫度信息，通過無線的方式發(fā)送到本地處理顯示，溫度測量范圍為10℃～45℃，誤差<℃，所以本系統(tǒng)實際上又可細分為三個大的局部：溫度采集處理局部；數(shù)據(jù)無線傳輸局部；數(shù)據(jù)處理局部。如圖1.1所示： 無線發(fā)送電路 溫度數(shù)據(jù)發(fā)生器 接收數(shù)據(jù) 信號識別 數(shù)據(jù)存儲顯示及上限報警 無線接收電路 圖1.1 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 下面分別對這三個局部的實現(xiàn)進行比擬論證： 1.1、溫度采集處理局部 方案一：溫度采集局部采用熱敏電阻或熱電偶。這種

7、方法是常用的一種方法， 利用熱敏電阻隨溫度的變化而變化的特性，只要測出熱敏電阻的阻值，就可以對照熱敏電阻的阻值—溫度特性曲線圖間接算出對應(yīng)的溫度值。 方案二：采用集成的溫度傳感器如uPC616等來采集溫度。這種溫度傳感器內(nèi)部一般集成了溫度測量局部、穩(wěn)壓局部和運算放大局部，輸出的信號為模擬信號，在單片機處理以前需進行A/D轉(zhuǎn)換。 方案三：采用單總線式數(shù)字溫度傳感器DS1820來測量溫度。DSl820數(shù)字溫度計提供9位(二進制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DSl820或從DSl820送出。因此從單片機CPU到DSl820僅需一條線(和地線)，DSl820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提

8、供而不需要外部電源，測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在l s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。其原理框圖如圖1.2所示： DS1820 溫度傳感器 單片機 圖1.2 DS1820與單片機的連接 方案比擬及選用： 方案一用到熱敏電阻的阻值—溫度特性曲線圖，是一條指數(shù)曲線，非線性較大，在實際使用中要進行線性化處理，比擬復雜，而且熱敏電阻的溫度采集局部容易受外界條件干擾，誤差較大。由于本系統(tǒng)要求較高，所以不準備采用此種方案；方案二，集成傳感器內(nèi)部雖集成了溫度測量局部、穩(wěn)壓局部和運算放大局部，但其輸出的信號仍然為模擬信號，在用89C2051接收的時候，

9、需加上A/D轉(zhuǎn)換局部，電路比擬復雜，所以也不準備采用此種方案。方案三℃，完全滿足本系統(tǒng)的要求。因此本局部采用方案三。 1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸局部 方案一：采用集成的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，比方NRF401、PTR3000等來完成。這種方案數(shù)據(jù)傳輸可靠，距離遠，硬件實現(xiàn)簡單，不失為一種好方法。 方案二：采用電阻、電容、電感等構(gòu)成無線收發(fā)電路。這種方法也是常用的一種方法，比方收音機里采用的接收電路等就是采用這種方法，這種方法主要由分立的電子元件構(gòu)成，電路相對復雜。 方案三：數(shù)據(jù)通過315MHz的高頻發(fā)射電路發(fā)送出去；接收端利用RX3310芯片構(gòu)成接收電路，對接收到的信號進行解碼

10、驗收，其原理框圖如圖1.3所示，這種外圍電路相對簡單，數(shù)據(jù)傳輸可靠。 溫度信號 315MHz高頻發(fā)射電路 RX3310接收 單片機 圖1.3 無線收發(fā)框圖 方案的比擬及選用： 很顯然方案一要比方案二和方案三都要簡潔新穎，但是從系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)來看，本系統(tǒng)是要求設(shè)計一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路，所以就不能采用集成模塊方案，排除方案一；對于方案二，雖然其設(shè)計本錢低，但是其電路設(shè)計復雜，而且易受外界干擾，信號不易驗證；而方案三，采用國家允許無線遙控使用的頻率315MHz，構(gòu)成高頻信號發(fā)射電路，以RX3310為核心構(gòu)成超外差高頻信號接收電路，其外圍電路簡潔，易學易用，可采用曼

11、徹斯特碼、HDLC碼等對信號進行編碼解碼，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。因此我們選用方案三作為具體的實施方案。 1.3 數(shù)據(jù)處理局部 方案一：選用51單片機作為主控制器，用三位LED數(shù)碼管顯示溫度，以常用的2764等數(shù)據(jù)存儲芯片來保存接收到的溫度，和設(shè)定溫度的上下限值，其原理框圖如圖1.4所示，這種方法是大多數(shù)課本上所常用的一種方法，方法簡單，易于使用，但是對于LED顯示需外加驅(qū)動電路，數(shù)據(jù)存儲局部需外加地址鎖存器。 51單片機 LED驅(qū)動電路 地址鎖存 LED顯示 溫度 存儲2764 圖1.4 常用的數(shù)據(jù)顯示存儲原理圖 方案二： 51單片機作為

12、主控制器，采用I2C總線標準的串行 EEPROM存儲器24C08來存儲數(shù)據(jù)，采用液晶顯示器SMC1602來顯示數(shù)據(jù)，其原理框圖如圖1.5所示，這種方式占用端口資源少，存儲量大，顯示穩(wěn)定，而且接口簡單，不需要外加驅(qū)動，易學易用，符合現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計的要求。 51單片機 24C02存儲 LCD顯示 溫度 圖1.5 存儲顯示原理框圖 方案的比擬及選用： 方案一雖然是教學中常用的一種方式，但是接口復雜，需外加驅(qū)動電路，存儲容量相對較少，顯示不穩(wěn)定，而且占用CPU端口資源多，不利于向外擴展；方案二接口簡單，易于使用無須外加驅(qū)動，存儲容量大，顯示穩(wěn)定友好，占用端

13、口資源少，符合現(xiàn)代設(shè)計的需求，所以數(shù)據(jù)處理局部采用方案二。 二、 系統(tǒng)的功能及硬件結(jié)構(gòu) 由前面的分析可以知道，本系統(tǒng)主要由下面幾個硬件來實現(xiàn)，DS1820采集溫度，輸出數(shù)字信號，AT89C2051對接收到的信號進行曼徹斯特編碼后，經(jīng)高頻發(fā)射電路發(fā)送出去；接收端收到信號后對接收到的信號進行解碼驗收，正確的數(shù)據(jù)傳送給AT89S52 CPU，處理后送到24C02和LCD1602存儲顯示。 2.1 溫度采集局部 采用DS1820對外部的溫度進行采集， DS1820為單總線式溫度傳感器，可程序設(shè)定為9~12位的分辨率，精度為±℃，內(nèi)部自帶溫度存儲器，可存儲采集到的溫度，其格式如圖2.1所

14、示，字節(jié)地址0和字節(jié)地址1里面存儲的是℃℃，滿足不了系統(tǒng)的要求；但是，可以通過讀地址的第六、七個字節(jié)來提高其輸出精度，這兩個字節(jié)為計數(shù)剩余值、每度計數(shù)值，通過下面的公式， 存放器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度最低數(shù)字位 0 溫度最高數(shù)字位 1 高溫限值 2 低溫限值 3 保存 4 保存 5 Count_Remain 6 Count_per_c 7 CRC校驗 8 圖2.1 溫度存儲器地址圖 Temperat

15、ure=Tem_Read-0.25-[(Count_per_c-Count_Remain)/Count_per_c] ℃ 圖2.2 DS1820與單片機的連接 本局部涉及到對數(shù)據(jù)進行遠距離傳送并進行編碼解碼問題，也是此題目中的主要組成局部。其中發(fā)射局部由數(shù)據(jù)編碼電路和高頻發(fā)射電路組成，接收局部由RX3310構(gòu)成的超外差接收電路和解碼電路構(gòu)成。 2.2.1 高頻信號收發(fā)電路 1、 信號發(fā)射頻率采用目前國家允許無線遙控使用的頻率315MHz,采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，典型的發(fā)射電路如圖2.2所示： 圖2.3 高頻信號發(fā)射電路 早期的發(fā)射機較多使用LC振

16、蕩器，頻率漂移較為嚴重。采用聲表諧振器SAW可以解決這一問題，其頻率穩(wěn)定度極高，當環(huán)境溫度在－25～＋85度之間變化時，頻飄僅為3ppm/度。其頻率穩(wěn)定性與晶振大體相同，而其基頻可達幾百兆甚至上千兆赫茲。無需倍頻，與晶振相比電路極其簡單。增加了一只數(shù)據(jù)調(diào)制三極管Q1,這種結(jié)構(gòu)使得它可以方便地和其它固定編碼電路、滾動碼電路及單片機接口，而不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出幅度信號值的大小。比方用PT2262等編碼集成電路配接時，直接將它們的數(shù)據(jù)輸出端第17腳接至高頻發(fā)射電路的輸入端即可。待發(fā)送的數(shù)據(jù)由TXD輸入，經(jīng)由Q2-8050基極送入，完成由Q1-C1-L1-L2-SAW組成的振蕩網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)控

17、制，實現(xiàn)對高頻315MHz信號的ASK調(diào)制，調(diào)制后的信號經(jīng)過C2耦合送到天線發(fā)射。由于采用了ASK方式調(diào)制，所以當數(shù)據(jù)信號停止發(fā)射時，電流降為零，可降低功耗。 2、 高頻信號接收電路 與315MHz的發(fā)射電路相匹配的高頻信號接收電路通常采用超再生接收電路和超外差接收電路。超再生接收電路在中波段工作時靈敏度很高，所以常用來制作簡易晶體管收音機。對于工作于短波段的無線遙控或通信設(shè)備，再生檢波的靈敏度及穩(wěn)定性都不符合要求。超外差解調(diào)電路設(shè)置一個本機振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號，與接收到的載頻信號混頻后，得到中頻(一般為465kHz)信號，經(jīng)中頻放大和檢波，解調(diào)出數(shù)據(jù)信號。由于接收到的載頻頻率是固定的，所

18、以其電路要簡單一些。采用聲表穩(wěn)頻，其靈敏度約－100DBM，穩(wěn)定性好。 在這里采用以RX3310為核心構(gòu)成的超外差式接收電路，如圖2.3所示。RX3310是一個可工作在甚高頻的無線接收芯片，它在內(nèi)部集成了高頻放大電路(RF AMP)混頻電路(MIXER)、中放電路(IF AMP)、中頻濾波器(IF FILTER)、限幅器(LIMITER)以及由比擬器構(gòu)成的(ASK)解調(diào)電路等。利用RX3310和很少的元件，可以構(gòu)成比擬可靠的無線接收電路。 圖2.4 超外差接收電路 從外接天線接收的信號經(jīng)C10耦合到L2、C11組成的選頻網(wǎng)絡(luò)進行阻抗變換后輸入RX3310的內(nèi)部高頻放大器輸入端14腳，

19、經(jīng)芯片內(nèi)的高頻放大后〔增益為15～20DB〕的信號再經(jīng)混頻器與本機振蕩信號〔316.8M〕混頻，產(chǎn)生1.8M的中頻信號，此中頻信號經(jīng)內(nèi)部中頻放大后由第3腳輸出，再進入比擬器放大整形，最后數(shù)據(jù)從第8腳輸出。 2.2.2 編碼解碼局部 在利用單片機和高頻信號收發(fā)電路進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)的時候，人們通常自己定義傳輸協(xié)議，不管采用何種調(diào)制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響到數(shù)據(jù)的可靠收發(fā)。 通常采用的碼組格式為：前導碼+同步碼+數(shù)據(jù)幀，前導碼長度應(yīng)大于是10ms，以避開背景噪聲，因為接收模塊接收到的數(shù)據(jù)第一位極易被干擾〔即零電平干擾〕而引起接收到的數(shù)據(jù)錯誤。所以采用CPU編譯碼可

20、在數(shù)據(jù)識別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾；同步碼主要用于區(qū)別于前導碼及數(shù)據(jù)。有一定的特征，好讓軟件能夠通過一定的算法鑒別出同步碼，同時對接收數(shù)據(jù)做好準備；數(shù)據(jù)幀不宜采用非歸零碼，更不能長0和長1。 在這里我們對數(shù)據(jù)的發(fā)送接收采用屢次發(fā)送、復合校驗，屢次發(fā)送指同一幀數(shù)據(jù)2次發(fā)送，復合校驗指曼徹斯特編碼校驗和奇偶校驗： 1、曼徹斯特編碼：對數(shù)據(jù)幀局部采用曼徹斯特編碼，由于在曼徹斯特編碼中，從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"，所以我們就可以用長0或長1來表示前導碼以便和數(shù)據(jù)幀區(qū)分；曼徹斯特編碼是將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ剑课痪幋a

21、中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。℃〔BCD碼為0011 0010 0011〕。那么我們就可以在數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾加上一些實際曼徹斯特編碼不可能出現(xiàn)的同步碼，比方說幀頭0011 0011 幀尾為 1100 1100，以和實際數(shù)據(jù)幀相區(qū)別。 單片機接收到數(shù)字信號后，在對同步碼進行解碼之前首先以中斷方式對前導碼進行無線數(shù)據(jù)解碼，并判斷前導碼是否正確，在判斷前導碼是正確后再采樣數(shù)據(jù)端口，并結(jié)合一個定時器定時方式對前導碼之后的同步碼和數(shù)據(jù)解碼。對通過前導碼測試的數(shù)據(jù)，首先判斷其同步碼是否為0011 0011，如果正確接著判斷其幀尾是否為1100 1100，如果正確，

22、暫存此幀數(shù)據(jù)，采樣下一幀數(shù)據(jù)，當采樣的下一幀數(shù)據(jù)和上一幀數(shù)據(jù)完全一樣的時候，才認為數(shù)據(jù)接收有效，否那么丟棄第一幀數(shù)據(jù)，保存第二幀數(shù)據(jù)，繼續(xù)監(jiān)測接收信號。對于通過曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)幀，由于第一幀數(shù)據(jù)誤碼率相對較大，所以丟棄第一幀，只對第二幀數(shù)據(jù)進行處理，這樣可以在數(shù)據(jù)輸出端口輸出的雜波中辨識出正確有效的數(shù)據(jù)，可以有效地提高數(shù)據(jù)接收的靈敏度，并提高通信距離。 2、奇偶校驗：通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，采用奇偶校驗，加上數(shù)據(jù)的第九位TB8，當接收到經(jīng)過曼徹斯特編碼解碼過的數(shù)據(jù)后，校驗接收數(shù)據(jù)的第九位RB8，判斷其是否與發(fā)送數(shù)據(jù)的第九位相同，不同的丟棄。 2.3 數(shù)據(jù)處理局部 1、 存儲局部 數(shù)

23、據(jù)存儲局部主要用來存儲溫度的上下限和接收到的溫度信息，所以其存儲容量不需要很大，在這里采用基于I2C總線的串行存儲信片24C02來存儲信息。 2、 顯示局部 顯示局部采用5x7點陣的字符型液晶顯示器 圖2.6 LCD1602與51單片機接口電路 3、溫度上下限的設(shè)定及修改 對于一個比擬成熟的系統(tǒng)來說，除了隨時可以顯示溫度、存儲溫度外，還應(yīng)該具有設(shè)定溫度、讀取溫度的功能，在這里通過設(shè)置了三個按鍵設(shè)置、移動、修改來實現(xiàn)這些功能，其實時操作圖如圖2.7、2.8、2.9所示： 圖2.7 設(shè)置溫度上下限 圖2.8 讀取指定溫度 圖2.9 實時溫度讀取計數(shù)

24、 設(shè)置鍵功能主要是用來進行功能轉(zhuǎn)換用，當按下設(shè)置鍵的時候，進入設(shè)置溫度上下限功能，再次按下設(shè)置鍵，進入讀取指定溫度功能，第三次按下功能鍵時，返回到接收數(shù)據(jù)功能；光標鍵主要用于在設(shè)置功能時在各個能設(shè)置的工程之間進行轉(zhuǎn)換；修改鍵用于對修改的功能進行加一功能。 三、系統(tǒng)電氣總原理圖 系統(tǒng)采用兩片51單片機來控制數(shù)據(jù)的采集處理，根本的系統(tǒng)原理圖，.1圖所示 四、軟件流程圖 在整個系統(tǒng)軟件里面，主要的子程序有兩個溫度檢測子程序和數(shù)據(jù)收發(fā)所示： 1、 溫度檢測子程序 返回 發(fā)送復位脈沖檢測存在脈沖 “跳過〞ROM 發(fā)送復位脈沖檢測存在脈沖 溫度變換 發(fā)送復位脈沖檢

25、測存在脈沖 數(shù)據(jù)處理，進行溫度內(nèi)插計算以得到更高的分辨率 讀暫存存儲器和CRC值，并校驗 “忙〞檢測讀一個數(shù)據(jù)字節(jié)，為FFH？ N Y 圖4.1 溫度檢測子程序流程圖 2、 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 取采集的溫度 對采集的溫度加上前導碼 加上同步碼 溫度數(shù)據(jù)加TB8 溫度數(shù)據(jù)加幀尾 將加了前導碼、同步碼、TB8位，幀尾的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去 TI=1? N Y 返回 圖4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 3、數(shù)據(jù)接收子程序

26、 取暫存存放器內(nèi)容內(nèi)容 前導碼正確？ 同步碼正確？ 別離數(shù)據(jù)幀 傳送給CPU串口 返回 N Y N Y RB8=TB8? Y N 存儲數(shù)據(jù)幀 圖4.3 數(shù)據(jù)接收流程圖 五、系統(tǒng)測試方案 1、 測試儀器及設(shè)備 電子溫度計一個 2、 測試方法 1） 數(shù)據(jù)接收板放在學院樓下平地不動，啟動接收模塊工作； 2） ℃以內(nèi)。 3） ℃時，發(fā)射板與接收板之間的距離R，以R為半徑圍繞接收板走動，觀察其誤差大小。 3、 測試結(jié)果 1） 表5.1 定點測量數(shù)據(jù) 時間

27、 溫度計℃ 接收板℃ 時間 溫度計℃ 接收板℃ 時間 溫度計℃ 接收板℃ 3 33 63 6 36 66 9 39 69 12 42 72 15 45 75 18 48 78 21 51 81 24 54 84 27 57 87 30 60 90 2） 動態(tài)測量數(shù)據(jù)〔每3秒鐘記錄

28、一個數(shù)據(jù)，逐漸遠離接收板 表5.2 動態(tài)測量數(shù)據(jù) 時間 溫度計℃ 接收板℃ 時間 溫度計℃ 接收板℃ 時間 溫度計℃ 接收板℃ 3 31.0 33 63 33.5 6 31.1 31.2 36 66 32.6 9 31.2 39 69 12 31.2 31.2 42 72 〔約15米處〕 15 31.2 31.2 45 75 〔約15米處〕 18 31.2 31.2 48 78 21 31.2 31.2 51

29、 81 24 31.2 54 32.5 84 27 31.3 31.2 57 32.7 87 31.3 30 31.4 31.2 60 33.1 90 31.1 六、結(jié)果分析 由上面的定點測試和動態(tài)測試結(jié)果可以看出，接收板接收到的溫度與作為參考的電子溫度計的數(shù)值相差為0-0.2度，滿足精度要求。在實際測試中還存在以下問題： 1、在初始調(diào)試電路時，經(jīng)常產(chǎn)生DS1820輸出溫度數(shù)據(jù)發(fā)生突然跳變的情況，比方說，在某一段時間內(nèi)接收到的溫度為31.1、31.2、31.3、31.4、31.5，突然跳到32.2度的

30、情況，究其原因是DS1820溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換需要一定時間，當A/D轉(zhuǎn)換還沒有完成的時候就送出顯示，屢次積累后就會產(chǎn)生突然跳變，經(jīng)調(diào)試后，每1.5s接收一個數(shù)據(jù)比擬合理。 2、數(shù)據(jù)信號與高頻信號發(fā)射電路輸入端可以用電阻或者直接連接而不能用電容耦合，否那么發(fā)射電路將不能正常工作。數(shù)據(jù)電平應(yīng)接近發(fā)射電路的實際工作電壓，以獲得較高的調(diào)制效果。發(fā)射電路最好能垂直安裝在主板的邊緣，應(yīng)離開周圍器件5mm以上，以免受分布參數(shù)影晌。發(fā)射電路傳輸距離與調(diào)制信號頻率及幅度，發(fā)射電壓及電池容量，發(fā)射天線，接收電路的靈敏度，收發(fā)環(huán)境有關(guān)。在有障礙的情況下，距離會縮短，由于無線電信號傳輸過程中的折射和反射會形成一些死區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)域，不同的收發(fā)環(huán)境會有不同的收發(fā)距離。 ?3、超外差接收電路對天線的阻抗匹配要求較高，要求外接天線的阻抗必須是50歐姆的，否那么對接收靈敏度有很大的影響。 4、數(shù)據(jù)的校驗局部一定要進行復合校驗，否那么易受干擾，會屢次收到亂碼。 5、由于接收板排板不甚合理，導致接收無線數(shù)據(jù)的距離只有十幾米，而用成品的接收模塊就可以到達上百米，作品還有待于進一步提高。