智能无线温度传感器.doc

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1、智能无线传感器指导教师-张飞云2010-6智能无线温度传感器一、 摘要本文介绍的重点是无线温度传感。硬件部分是以单片机为核心，还包括数据采集模块，模-数转换模块，无线数传模块和串行接口部分，还有一些简单的外围电路。模-数转换模块，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换。无线数传模块是通过单片机的通信口发射和接受信号。二、 引言现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1

2、)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器和控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。无线与在线式温度传感器相比较，有如下优点： 无线温度传感器的安装位置没有任何限制摆放灵活且无须布线。 无线温度传感器采用防水设计可以应用于非常潮湿的环境。 无线温度传感器的安装和维护非常简便。 减少了电缆使用量，降低了系统成本、提高了系统的可靠性。 如果库房翻新，无线温度传感器不存在连接电缆问题可以随意拆卸，不存在重复投资问题。 系统可以很方便的与空调机的自动控制系统连接。 无线连接方式是当今传感器发展的一个主要趋势。

3、现代测量中，无线温度传感器已成为日益重要的一种测量工具。现在无线温度传感器已广泛应用于粮库、油田、矿井以及饭店等需要远距离监控温度的场合。三、 系统结构智能无线温度传感器，此系统的最前端是温度传感器，温度传感器把采集到的模拟信号，经过信号调理电路，对采集到的信号进行适当调整，以适合A/D转换器的需要。AD转换器采用MC14433，它可以满足这次设计需要的精度。MC14433把模拟量转换为数字量后输出给单片机，单片机选用AT89C2051，单片机控制数据的采集，传输，它是整个系统的核心。由单片机处理后，通过无线收发模块来收发。这样就实现了无线温度传感器的功能。结构框图如1-1所示。图1-1 系统

4、结构框图1. 单片机图1-2 AT89C2051的引脚框图 图1-3 MC14433引脚图单片机采用的是AT89C2051,如图1-2，它的功能与AT89C51相同,而且引脚只有20脚,而这次设计只需要用到单片机的P1口和P3口, P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输出口）；P3.3 /INT1（外部中断1）；P3.4 T0（定时器0外部输入）等。本设计把P3.1用于串行接口部分，P1.0-P1.7作为单片机的输入部分。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。2. 模-数转换模块A/D转换

5、采用芯片MC14433，如图1-3，是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 精度：读数的0.05%1字 模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档 转换速率：2-25次/s 输入阻抗：大于1000M 电源电压：4.8V8V 功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）3. 温度传感器 温度传感器采用的是AD590，它有线性好、精度适中

6、、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。AD590的封装和基本应用电路如图1-4所示。它的主要特性如下： 流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：Ir/T=1mA/K式中： Ir流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。图1-4 AD590的封装和基本应用电路 AD590的测温范围为-55+150。 AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 Ir变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 输

7、出电阻为710MW。 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。4. 信号调理电路信号调理电路是传感器与A/D之间的桥梁，也是测控系统中重要组成部分。信号形式的变换，放大，滤波，共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求（失调及失调温漂），速度要求（带宽，上升率），幅度要求（工作电压范围及增益）及共模抑制要求。常用于前置放大器的有A741，LM741，LF347，OP-07，ICL7650等。本系统采用的是LM741，放大倍数为5倍。输出电压为05V。信号调理电路如1-5图

8、所示图1-5 信号调理电路5. 无线数传模块图1-6 DF发射模块的等效电路图无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、数字图像传输等领域中。DF数据发射模块的等效电路如图1-6，工作频率为315MHz，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即

9、使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。DF数据模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700800米，发射功率约500毫瓦。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。DF数据模块采用AS

10、K方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。主要技术指标： 通讯方式：调幅AM 工作频率：315MHz/433MHz 频率稳定度：75KHZ 发射功率：500MW 静态电流：0.1UA 发射电流：350MA 工作电压：DC 312V四、 运行原理该智能无线温度传感器主要是在单片机的指挥下协调各部件运行的，其运行过程主要包括：初始化、采集、串行通信。1. 初始化初始化包括对单片机片内RAM初始化、中断初始化、串行口初始化和

11、A/D转化初始化。2. 采集采集主要是把信号采集来通过MC14433把模拟信号转化成数字信号，能为单片机识用。MC14433在DS1期间输出的千位BCD码包含过量程、欠量程和极性标志信息，这些信息所代表的意义见下表。表1-1 DS1选通时Q0Q3表示的输出结果DS1Q3Q2Q1Q0输出结果状态11XX0千位数为010XX0千位数为11X1X0输出结果为正值1X0X0输出结果为负值10XX1输入信号过量程11XX1输入信号欠量程由表2-1可知： Q3表示千位（1/2）数的内容，Q3=“0”（低电平）时，千位数为1；Q3=“1”（高电平）时，千位数为0。 Q2表示被测电压的极性，Q2=“1”表示正

12、极性，Q2=“0”表示负极性。Q0=“1”表示被测电压在量程外，可用于仪表自动量程切换。当Q3=“0”时表示过量程；当Q3=“1”时，表示欠量程。过量程时，VxVr且A/D转换输出读数为1999，欠量程时输出读数为=179。MC14433的DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。其脉冲时序如图1-7。图1-7 MC14433选通脉冲时序图单片机存放数据的格式如下：20H D7-D4 D3-D

13、0 21H D7-D4 D3-D0十 个符号 千 百 MC14433上电后，即对外部模拟输入信号进行A/D转换，由于EOC和DU端相连，每次转换完毕都有相应的BCD码级相应的选通信号出现在Q0Q3和DS1DS4上，当单片机开CPU中断，允许/INT1中断申请，并置外部中端为边沿触发方式，在执行程序后，每次A/D转换结束时，都将A/D转换结果数据送入RAM中的20H、21H单元。3. 串行通信串行通信采用中断方式，产生一次中断发射一组数据。在数据接收过程中有定时器监控，如在发送某一个数过程中超过了规定的时间，认为发射数据有错，也将重新发射。这样实现通信数据的累加和校验、数据和信息的发送以及命令。五、 原理图六、 实物图