1、前言第 1 页(共 59 页)无线壁挂炉温控器设计（发射端）1 前言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
2、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 所示。表 1 各种行业温湿度要求范围行业 工序 温度（） 行业 工序 温度（）印刷 印刷 2427 蔬菜 蘑菇栽培 1427弹药 存储 70 档案 保管 1424粮食 谷物储藏 16 光学 研磨 27陶瓷 成型 27 照相 胶片制成 2324制丝 3032 梳棉 2124烟草储藏 2124纺织精纺 2427无线壁
3、挂炉温控器设计(发射端)第 2 页（共 59 页）2 选题背景2.1 目的和意义随着人们工作和生活节奏的加快，一个舒适的家庭环境能够在一定程度上改善人们因压力过大而产生的疲惫感。无线壁挂炉温控器的设计与研究，有利于有效地控制炉壁的温度，为居民的生活带来方便和便捷。同时，满足了广大用户的要求，解决了无线遥控的需求。国际国内对壁挂炉温控器的研究从没有停止过。主要着力于功耗更小，通信距离更长，温度控制温度更精准，控制范围更广阔。同时，各个厂家追求控制界面的人性化，大屏幕显示，房间温度，设定温度，当前时钟同时显示，掉电永久记忆功能，可选华氏温度和摄氏温度单位，为了舒适和节能，可选休假和温度保持模式。2
4、.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。例如：位处理、查表、多种地址访问方式、多
5、种跳转、乘除法运算、状态监测、中断处理等，增强了实时性。2.3 短距离无线通信技术的现状和发展趋势（1）红外通信技术（IrDA）26,28,30红外通信技术 IrDA(InfraRed Data Association)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 4 Mbit/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、接收具前言第3 页(共59 页)第 21 页 共 58 页有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用
6、、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
7、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）26,28,30IEEE802.11b 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
8、线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上 AP(Access Point)，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(Wired EquivalentPrivacy)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
9、（OFDM）调制技术，同样工作在 2.4GHz 频段，速率达 54 Mbit/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 无线壁挂炉温控器设计(发射端)第 4 页（共 59 页）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 100 Mbit/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、
10、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。2.4 小结随着人们工作和生活节奏的加快，一个舒适的
11、家庭环境能够在一定程度上改善人们因压力过大而产生的疲惫感。无线壁挂炉温控器的设计与研究，节省了室内电线电缆的安装，为居民的生活带来便捷，能更加有效地控制室内温度。同时，个性化的设计界面满足了广大用户的普遍要求。3 方案论证3.1 系统方案设计无线温度控制系统的设计方案图如图 1 所示：方案论证第 5 页(共 59 页)图 1 无线温度控制系统的设计方案图3.1.1 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
12、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键盘 控制器显示器控制信号无线发射器执行机构炉壁加热器温度传感器控制对象室内温度无线壁挂炉温控器设计(发射端)第 6 页（共 59 页
13、）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。3.1.2 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
14、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 定以了三种功率等级（100mw、25mw 和 1 mw） ，当蓝牙设备功率为 1 mw 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
15、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。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。新一代短方案论
16、证第 7 页(共 59 页)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。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。3.1.3 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。
17、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 DS
18、P 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（Microcontroller Unit） ，也可称微型计算机（Single Chip Microcomputer） 。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 48K 字节，RAM 小于 256
19、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无线壁挂炉温控器设计(发射端)第 8 页（共 59 页）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。3.2 器件的选用3.2.1 数字式温度传感器的选择随着温度传感器智能化、
20、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用 MCU 的 I/O 引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与 MCU 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要
21、尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有 Philips 公司的 I2C 总线，Motorola 公司的 SPI 总线，National Semiconductor 公司的 Microwireplus 总线，Dallas Semiconductor 公司的 1-Wire 总线和 Siemens 公司的 Profibus 总线等。常用的数字温度传感器主要有：AD7418 是是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 A/D 转换器。测温范围为-55+125，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 0.25，精度为2，转换时间为
22、 1530ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。AD7418 可以级联至多 8 片在同一个 I2C 总线上。方案论证第 9 页(共 59 页) LM74 是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、-型 A/D 数转换器，并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10A,适用于对功率消耗有严格限制的系统。 LM
23、74 的模数转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达 0.0625的分辨率，转换时间为 425ms。 MAX6575L/H 是美国 MAXIM 公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40+125，其误差范围：在 25时优于3, 在 85时优于4.5，在 125时优于5。但是 MAX6575L/H 在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根 MCU 的 I/O 总线上同时挂接 8 个 MAX6575L/H 进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时
24、有重叠的现象，MAX6575 提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX6575L 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在 5m 以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。 DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常
25、方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20 的测温范围-55+125，最高分辨率可达 0.0625，由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；无线壁挂炉温控器设计(发射端)第 10 页（共 59 页）性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；具有 CRC 校验功能，可靠性高；软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。由于 DS18B20 独特的单总线接口方式在多点测温
26、时有明显的优势，占用 MCU 的 I/O 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用 DS18B20 做为温度测量的传感器。3.2.2 无线收发芯片的选择无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。在选择时，应主要参考以下几点： 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。 收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。 功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 发射功率在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。 收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少 PCB 面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。
