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1.4短距离无线通信技术的现状与发展趋势 3
1.5本章小结 5
第二章系统方案的总体设计 6
2.1系统方案构想 6
2.2系统方案的确定 6
2.2.1传感器方案 6
2.2.2短距离无线通信模块方案 7
2.2.3系统控制及数据处理模块方案 8
2.3器件的选用 9
2.3.1数字式温度传感器的选择 9
2.3.2无线收发芯片的选择 11
2.3.3键盘显示模块的选择[21] 13
2.3.4温度控制模块的选择 13
2.4本章小结 14
第三章电路的硬件设计 15
3.1温度采集部分电路设计 15
3.1.1温度数据采集硬件接口电路 15
3.1.2数字式温度传感器DS18B20 16
3.2无线收发电路的设计 21
3.2.1nRF401芯片的介绍[15] 21
3.2.2典型应用电路说明 21
3.3单片机的选择 24
3.4键盘显示电路的设计 24
3.4.1键盘硬件电路的设计 24
3.4.2显示电路的设计 25
3.5温度控制部分电路设计 26
3.5.1D/A转换电路 26
3.5.2比例积分电路 26
3.5.3半导体制冷器驱动电路 30
3.6相关控制电路设计 32
3.7本章小结 32
第四章系统的软件设计 33
4.1主程序设计 33
4.1.1上位机主程序 33
4.1.2下位机主程序 33
4.2子程序设计 35
4.2.1nRF401的通信子程序 35
4.2.2温度测量子程序 36
4.2.3PID控制子程序 36
4.3本章小结 40
第五章结论与展望 41
5.1结论 41
5.2展望 41
参考文献 42
致谢 44
附录1总体电路图 45
附录2系统源程序 46
第一章引言
1.1课题的研究目的和意义
温度是人们日常生活中接触比较多的一个物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温度也有着较高的要求。
例如：
烟叶和纸张是吸湿性极高的材料，卷烟生产的每一个阶段对温度都有非常特别的要求，以确保所使用材料的水分，保证生产的效率和产品质量；
印刷车间的温度控制水平对印刷质量有很大的影响；
为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高；
而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的温度。
随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：
制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温度控制。
因此，对温度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。
目前，温度传感器已广泛应用于气象、农林、冶金、化工、纺织、食品、家用电器、仓储等许多领域。
一些领域对温湿度控制的要求如表1-1所示。
表1-1各种行业温湿度要求范围
行业
工序
温度（℃）
印刷
24~27
蔬菜
蘑菇栽培
14~27
弹药
存储
≤70
档案
保管
14~24
粮食
谷物储藏
16
光学
研磨
27
陶瓷
成型
照相
胶片制成
23~24
烟草
制丝
30~32
纺织
梳棉
21~24
储藏
精纺
1.2课题背景
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。
单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
按照内部数据通道的宽度，单片机可分为4位、8位、16位及32位等。
单片机的中央处理器（CPU）和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。
位处理、查表、多种地址访问方式、多种跳转、乘除法运算、状态监测、中断处理等，增强了实时性。
单片机有两种基本结构形式:
一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿（Princeton）结构。
另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛（Har-vard）结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
单片微型计算机自从问世以来，作为微型计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉等优点，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成就。
本文讨论的单片机无线温度控制系统的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的温度测量和显示系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。
不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。
20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。
这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。
这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。
其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。
MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。
它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。
目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：
基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。
1.3课题来源
在日常生活和工作中，我们常常用到温度控制，温度控制系统广泛应用于汽车,锅炉,电子,化工等各个领域。
早期常用的一些温度控制系统都使用模拟电路设计制作的，有些使用热敏电阻，有些使用铂电阻，有些使用热电偶，还有些使用PN结，其准确性和精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，这种产品功能强，是前者的换代之物。
随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。
小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。
它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
测量和显示的控制。
在本设计上按照个人的意图稍加扩展，就可以实现更多更强大的功能。
1.4短距离无线通信技术的现状与发展趋势
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。
与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。
所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。
无线数据通信技术可分为两大类：
一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据（CDPD），通用分组无线传输技术（GPRS）、EDGE等。
二是基于局域网的技术，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、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（如蜂窝移动通信网）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。
（1）红外通信技术（IrDA）[26,28,30]
红外通信技术IrDA（InfraRedDataAssociation）采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。
它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4Mbit/s，1995年IrDA将通信速率扩展到的高达16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。
因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动电话等移动设备。
但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA设备中的核心部件LED易磨损。
（2）蓝牙技术（Bluetooth）[26,28,30]
蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet）。
多个微微网之间也可以形成分布式网络（Scatternet），从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。
蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:
规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。
蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。
（3）IEEE802.11b（Wi-Fi）[26,28,30]
IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz的ISM频段，采用直接序列扩频DSSS技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。
802.11b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP（AccessPoint），就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。
802.11b具有有线等价保密机制WEP（WiredEquivalentPrivacy）确保数据安全。
以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。
更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。
速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用（OFDM）调制技术，同样工作在2.4GHz频段，速率达54Mbit/s，比目前通用的802.11b快了5倍，并且完全向后兼容802.11b，802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，而下一代的Wi-Fi标准802.11n可望达到100Mbit/s。
（4）微功率短距离无线通信技术[30]
近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以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，性能稳定且不受外界影响。
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。
1.5本章小结
本文介绍的设计是针对日常生活常用的无线温度控制系统，可以完成测量温度、显示温度和控制温度的功能。
该系统操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用。
第二章系统方案的总体设计
第二章系统方案的总体设计
温湿度的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。
因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。
2.1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、短距离无线通信技术、数据处理控制技术和功能化模块来构造基本的系统功能。
系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温湿度数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，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；
在短距离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。
2.2系统方案的确定
2.2.1传感器方案
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需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或DSP处理。
被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。
而且模拟信号在长距离传输过程中，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，计数器，数字显示系统等）相联，用微控制器、DSP或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。
它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，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。
2.2.2短距离无线通信模块方案
蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。
蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。
但是蓝牙设备价格昂贵，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级（100mw、25mw和1mw），当蓝牙设备功率为1mw时，其发射范围一般为10m。
红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的传输。
IrDA具有技术成熟、体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、成本低廉等优点。
也存在着只能视距传输、移动时不能传输、LED易磨损等缺点。
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，性能稳定且不受外界干扰。
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。
2.2.3系统控制及数据处理模块方案
温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/0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。
单片机是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（MicrocontrollerUnit），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/O）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4~8K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。
2.3器件的选用
2.3.1数字式温度传感器的选择
随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界
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