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摘要

紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是一種利用紅外線作為傳輸媒介的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，它相對于無線電數(shù)據(jù)通信具有功耗低、價格廉價、低電磁干擾、高保密性等優(yōu)點，目前開展迅猛，尤其是在近距離無線數(shù)據(jù)通信中得到廣泛的運用。

本文主要介紹基于51單片機的紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的原理。在硬件設(shè)計原理的介紹中，主要分析了系統(tǒng)中NE555數(shù)據(jù)調(diào)制電路、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、DS18B20溫度傳感器電路、單片機外圍電路以及聲光報警電路。在系統(tǒng)軟件設(shè)計的介紹中，我們主要分析單片機串口通信協(xié)議、控制溫度傳感器采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)的編解碼；而液晶顯示局部軟件那么是為了具有更好的人機交互界面。

通過調(diào)試后，本系統(tǒng)根本到達預(yù)期要求，1、正確實現(xiàn)雙機通信功能，在2400波特率下通信距離到達7米左右；2、具有在超時通信不暢的情況下進行報警提示功能；3、具有自動搜尋一幀數(shù)據(jù)起始位的功能，這樣可以有效防止外界的干擾；4、通過串口可以與PC機實現(xiàn)正確通信,可以作為計算機的紅外無線終端,完成數(shù)據(jù)的上傳和下放。因此本系統(tǒng)具有廣闊的實用價值。

關(guān)鍵詞：AT89S52單片機；數(shù)據(jù)采集；紅外通信；調(diào)制解調(diào)；串口通信

Abstract

Infraredwirelessdatatransmissionsystemisawirelessdatatransfermethodthatusesinfraredasatransmissionmedium,Comparedwiththeradiodatacommunication,ithasmanyadvantagesinpowerconsumption,Productioncosts,electromagneticinterference,andtheconfidentiality.Atpresent,thistechnologyisdevelopingrapidly,Inparticular,Itiswidelyusedinshort-rangewirelessdatacommunications,

Inthispaper,weareintroducedinfraredwirelessdatatransmissionsystem’stheorythatbasedonthesingle-chipmicrocomputer51.Inthehardwaredesignprincipleintroduction,Wemainlyanalysisthesystem’sdatamodulationcircuitofNE555,infraredtransmitter,IRreceivercircuit,DS18B20temperaturesensorcircuit,microcontrollerperipheralcircuits,aswellassoundandlightalarmcircuit.Inintroducingthesystemsoftwaredesign,WemainlyanalysisMCUserialcommunicationprotocol,tocontroltemperaturesensordatacollection,datacodec;And,Thesoftwareoftheliquidcrystaldisplayisbettertohavetheman-machineinterface.

Throughdebugging,thesystemachievedtheexpectedgoals,1,thesystemcancorrectachievedouble-communicationsfunctions,in2400baudrate,thecommunicationdistancecanreachabout7m;2,Ithasalarmfunctioninovertimecommunicationsimpededcircumstances;3,withanautomaticsearchfunctionofinitialdata,thiscaneffectivelypreventoutsideinterference;4,thesystemsandPCcancommunicatethroughserialport,itcanbeusedasthecomputer’sinfraredwirelessterminalsandcompletedatauploadanddecentralization.Sothesystemhasbroadpracticalvalue.

Keywords:AT89S52SCM；DataAcquisition；Infraredcommunication；Modem；SerialCommunication

目錄

1引言

1

1.1紅外技術(shù)的國內(nèi)外開展及現(xiàn)狀

1

1.2本課題的主要研究內(nèi)容

2

1.3本課題的研究目的和意義

2

2紅外通信技術(shù)介紹

4

2.1紅外通信系統(tǒng)根本組成

4

2.2紅外通信系統(tǒng)工作原理

4

2.3紅外通信系統(tǒng)的分類

4

2.4通信協(xié)議

5

3系統(tǒng)整體設(shè)計

6

3.1系統(tǒng)框圖設(shè)計

6

3.2系統(tǒng)性能指標

7

4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

8

4.1溫度采集電路設(shè)計

8

4.2單片機外圍電路設(shè)計

10

時鐘電路設(shè)計

10

復位電路設(shè)計

11

報警電路設(shè)計

11

按鍵電路設(shè)計

12

4.3數(shù)據(jù)調(diào)制和紅外發(fā)射電路設(shè)計

12

載波電路設(shè)計

12

紅外發(fā)射電路設(shè)計

15

4.4紅外接收電路設(shè)計

16

4.5與PC機串口通信電路設(shè)計

17

4.6LCD顯示電路設(shè)計

18

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

21

5.1系統(tǒng)總的程序流程圖設(shè)計

21

5.2溫度采集模塊軟件設(shè)計

23

5.2.1DS18B20的控制時序

24

5.2.2DS18B20的程序流程圖

25

5.3串行通信軟件設(shè)計

26

串行通信的字符格式

26

串行通信的數(shù)據(jù)通路形式

26

串行通信的工作方式

27

串行通信傳輸速率的計算

27

串行通信軟件設(shè)計流程圖

28

5.4主從機串口中斷軟件設(shè)計

29

5.5報警局部軟件設(shè)計

32

5.6液晶顯示模塊軟件設(shè)計

33

6系統(tǒng)的制作及組裝

35

6.1系統(tǒng)電路的布局和布線

35

6.2電路板的制作

35

6.3系統(tǒng)組裝

36

7系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

37

7.1硬件電路調(diào)試

37

系統(tǒng)電源測試

37

7.1.2紅外通信電路調(diào)試

37

液晶背光調(diào)試

40

7.2軟件調(diào)試

40

7.3性能測試

41

8結(jié)論

43

致謝

45

參考文獻

46

附錄

47

附錄1：紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主機PCB圖

47

附錄2：紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)從機PCB圖

47

附錄3：紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實物圖

48

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59

1引言

1.1紅外技術(shù)的國內(nèi)外開展及現(xiàn)狀

自從1800年英國天文學家F.W.赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術(shù)的開展經(jīng)歷了兩個多世紀，從那時開始，紅外線和紅外元件、部件的科學研究逐步開展，但開展比較緩慢，直到1940年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術(shù)，在這以前主要的研制成果主要是熱敏型紅外探測器，通過它科學家認識了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質(zhì)。20世紀初開始，通過測量大量的有機物質(zhì)和無機物的吸收和發(fā)射光譜，證明了紅外技術(shù)在物質(zhì)分析中的價值。30年代，首次出現(xiàn)紅外光譜代。40年代初，光電型紅外探測器問世，其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢靠。50年代，半導體物理學的迅速開展，使光電型紅外探測器得到新的推動。60年代初，隨著固體物理、光學、電子學、精密機械的開展，使紅外技術(shù)在軍、民兩用都得到了廣泛的開展和應(yīng)用。70年代，紅外成像技術(shù)獲得迅速開展。80年代，紅外技術(shù)進入研制鑲嵌焦面陣列系統(tǒng)的新時期。接下來的幾十年里隨著人類科學技術(shù)的不斷進步，紅外技術(shù)也得到了長足的開展。特別是紅外遙感技術(shù)的開展極大的開闊了人類的視野，通過衛(wèi)星紅外遙感可以對地球進行勘測，在尋找水源、氣象檢測、監(jiān)視森林火災(zāi)等方面起了重要的作用。21世紀以來紅外在紅外探測、紅外無線通信、紅外遙感、紅外成像等方面的應(yīng)用都極大的改善了我們的生活方式。

紅外通訊技術(shù)也是隨著紅外技術(shù)的開展而開展，尤其是進入90年代這一通信技術(shù)又有了新的開展，應(yīng)用范圍更加廣泛。1993年，一個由部件、計算機系統(tǒng)、外圍設(shè)備和電信廠商組成的大型集團—紅外無線數(shù)據(jù)協(xié)會〔IRDA〕就紅外通信的一套標準達成一致。現(xiàn)在約有一百多家廠商支持紅外通信標準。主要的PC機開發(fā)商，如微軟、蘋果、東芝等，已推出了在計算機之間采用這種高速紅外數(shù)據(jù)通信的數(shù)字設(shè)備。并且它作為一種最具有本錢效益和便于使用的無線通信技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注和重視。

中國的紅外技術(shù)研究工作是在新中國成立后才開展的。首先研究的是工作波段在1—3um的硫化鉛紅外探測器，數(shù)年之后又相繼研究鈦酸鉛等熱電探測器，并得到一定應(yīng)用。改革開放以來，紅外技術(shù)得到了迅速的開展，開展了從單元、線列到紅外膠平面的探測器研究工作。紅外探測器產(chǎn)品已布滿1—3、3—5和8—14um三個大氣窗。上世紀90年代中前期，我國研制出第一臺熱像儀，其技術(shù)性能與國外相當，為我國紅外技術(shù)的升級換代起了重要的作用。目前我國研制的熱成像儀，可以滿足軍隊武器系統(tǒng)的各種性能需要。在民用領(lǐng)域各種紅外測溫儀、紅外熱像儀、星載紅外遙感儀等，也逐漸開展成熟。

經(jīng)過40多年大開展，中國在紅外技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了重大的進步，建成了專業(yè)研究所，紅外物理實驗室和眾多的研究課題組，一批高等院校中，也設(shè)立了紅外專業(yè)或包含紅外專業(yè)的光電技術(shù)系，一批民營企業(yè)、股份制企業(yè)相繼誕生，已經(jīng)形成了不同規(guī)模的產(chǎn)品，中國紅外產(chǎn)品與應(yīng)用市場日趨成熟，正逐漸普及。

1.2本課題的主要研究內(nèi)容

本次課題是基于51單片機的紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，其根本任務(wù)就是要完成基于紅外線的無線數(shù)據(jù)發(fā)射、接收和數(shù)據(jù)處理等問題，因此在設(shè)計過程中主要的任務(wù)有以下幾個方面：

掌握紅外無線傳輸系統(tǒng)的根本組成和紅外無線傳輸系統(tǒng)的工作原理；

對整個系統(tǒng)進行分塊理論分析，其中包括數(shù)據(jù)采集、發(fā)射局部、接收局部、調(diào)制局部、串口通信局部、顯示局部和控制局部；

根據(jù)要求進行電路設(shè)計和元器件的選型，并要仔細分析每個元件所起的作用，特別是對于51單片機、NE555定時器、TS1620液晶一定要掌握其控制原理；

在進行電路布線時一定要注意信號干擾問題，它將在很大程度上決定你的結(jié)果正確與否；

結(jié)合硬件電路來設(shè)計軟件，我們在編寫軟件的過程中應(yīng)該編好一局部調(diào)試一局部；不然，當編寫很多時，不易分析問題的所在地；

結(jié)合軟硬件進行電路調(diào)試，在這局部一定要學會分析問題的所在，比方是硬件問題還是軟件問題、發(fā)射局部問題還是接收局部問題等。如果分析得當將會少走許多彎路；

系統(tǒng)的性能測試和電路的優(yōu)化，其主要是測試有效通信的距離及其傳輸波特率。通過這些方法讓整個系統(tǒng)到達最好的效果。

通過以上的過程根本上就能設(shè)計出能進行紅外無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，并且可以通過串口傳輸?shù)诫娔X上實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。隨著調(diào)制和編碼技術(shù)的飛速開展，紅外這種無線傳輸技術(shù)也將日益得到廣泛的運用。

1.3本課題的研究目的和意義

在電腦技術(shù)開展的早期，當時數(shù)據(jù)都是通過線纜傳輸?shù)模€纜傳輸連線比較麻煩，需要特制接口，非常不方便，并且采用有線線纜的本錢也很高。于是人們就開始研究無線的數(shù)據(jù)傳輸來取代這種傳統(tǒng)的線纜傳輸，就有了我們現(xiàn)在比較熟悉的紅外、藍牙等無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

紅外無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相對于別的無線傳輸技術(shù)有很多獨特的優(yōu)點：1、紅外線在傳輸過程中不受無線電干擾，而且它的使用不受國家無線管委會的限制，并不需要申請專門的頻點，因此具有很強的保密性和穩(wěn)定性；2、紅外線具有很好的方向性，所以它特別適合方向性很強的無線數(shù)據(jù)傳輸；3、紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相對于別的無線傳輸系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)要簡單的多，因此可以降低整個系統(tǒng)的本錢；4、其傳輸不受地域的限制既可以在室內(nèi)使用也可以在室外使用。5、紅外無線數(shù)據(jù)傳輸還具有低功耗的特點，在移動設(shè)備中這一點尤其重要；6、隨著編碼調(diào)制技術(shù)的開展，其數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，信息容量也變得越來越來大。但是紅外無線傳輸技術(shù)也有一些技術(shù)難題和缺點，例如紅外射束易受塵埃、雨水等物質(zhì)的吸收，如何在野外環(huán)境下克服這些物質(zhì)的吸收，增強紅外射束信號的強度是急需研究解決的課題。

雖然紅外無線數(shù)據(jù)傳輸還存在一些缺乏，但是他在近距離數(shù)據(jù)傳輸和控制上相對于別的無線傳輸方式還是具有很大的優(yōu)勢。現(xiàn)在紅外通信技術(shù)得到迅猛的開展，廣泛運用于移動設(shè)備、室內(nèi)辦公設(shè)備、各種近距離遙控系統(tǒng)以及電腦外圍設(shè)備等。現(xiàn)在科學家已經(jīng)開始研究把紅外無線通信運用到無線局域網(wǎng)中；隨著各種調(diào)制和編碼技術(shù)的開展，體積小、位數(shù)率高、傳輸距離較遠的紅外無線通信技術(shù)日益成熟，紅外通信技術(shù)將會在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。所以，研究紅外無線數(shù)據(jù)傳輸是一個非常有意義的課題。

2紅外通信技術(shù)介紹

2.1紅外通信系統(tǒng)根本組成

紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由發(fā)射局部、信道局部和接收器三局部組成。發(fā)射局部：主要包括紅外發(fā)射器和編解碼控制器，其主要功能就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼后再發(fā)射出去；信道局部：信道是傳輸信息的載體，本系統(tǒng)是以紅外線作為傳輸媒介進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模唤邮站植浚褐饕t外接收器和解碼控制器，其主要功能就是完成接收信號的正確解調(diào)和解碼。圖2-1所示的就是一個最根本的紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖2-1紅外通信系統(tǒng)根本組成

2.2紅外通信系統(tǒng)工作原理

紅外無線數(shù)據(jù)傳輸是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳輸載體的一種無線通信技術(shù)。發(fā)送端將需要傳送的二進制數(shù)字信號調(diào)制到38kHz的載波上，并驅(qū)動紅外發(fā)射管將電信號轉(zhuǎn)換成光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)，最后復原為二進制數(shù)字信號后輸出。其實紅外通信的實質(zhì)就是對二進制數(shù)字信號進行調(diào)制與解調(diào)，這樣可以增加信號的抗干擾能力，以便利用紅外信道進行正確的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3紅外通信系統(tǒng)的分類

根據(jù)紅外收發(fā)器的位置來分，那么有4種通信方式：(a)窄視方式(NLOS，narrowline2of2sight)、(b)寬視方式(WLOS、wide2LOS)、(c)散射方式(diffuse)、(d)跟蹤方式(tracked)，如圖2-2所示。以上四種方式中，相同的通信距離下發(fā)射光強排列為:散射方式>寬視方式>窄視方式=跟蹤方式。根據(jù)接收紅外信號方式不同還可以分為直射方式和反射方式，具體如圖2-3所示。

圖2-2紅外信號按收發(fā)器位置不同的傳輸方式

圖2-3直射和反射式

紅外無線數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)通信速率的不同可分為：低速模式〔SIR，SerialInfrared〕,其通信速率小于115.2Kbps；中速模式〔MIR，MediumSpeedInfrared〕，通信速率為0.567Mbps；高速模式〔FIR，F(xiàn)astSpeedInfrared〕,通信速率為4Mbps；超高速模式〔VFIR，VeryFastSpeedInfrared〕，位速率為16Mbps。

2.4通信協(xié)議

紅外無線通信作為一種成熟的通信技術(shù)，目前已經(jīng)形成了標準的應(yīng)用協(xié)議。紅外數(shù)據(jù)委員會(IrDA)作為一個工業(yè)機構(gòu)間協(xié)作組織于1993年由HP、COMPAQ、INTEL等發(fā)起成立，旨在建立開放的紅外數(shù)據(jù)通信標準。目前，IrDA規(guī)定了紅外物理層協(xié)議(IrPHY)、紅外鏈路訪問層協(xié)議(IrLAP)、紅外鏈路管理層協(xié)議(IrLMP)，并且還規(guī)定了一些專門的應(yīng)用層協(xié)議。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。

圖2-4紅外通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

紅外物理層協(xié)議是規(guī)定了自由空間中點對點電器設(shè)備之間采用半雙工通信的紅外鏈接標準，規(guī)定串行紅外(SIR)數(shù)據(jù)發(fā)射速率分別至115.2Kpbs、0.576Mbps、1.152Mbps、4Mbps、16Mbps。鏈路訪問層協(xié)議是在物理層協(xié)議的根底上進一步規(guī)定了通信協(xié)議中堆棧的分配。目前只對LOS方式作了規(guī)定，包括協(xié)議效勞、環(huán)境假設(shè)、協(xié)議實現(xiàn)的消息表、對消息的編碼、消息交互標準，該鏈路協(xié)議適用于點對點或點對多點傳輸。紅外鏈路管理層協(xié)議為多個軟件應(yīng)用能夠獨立、同時地操作入口提供支持，從而共享一個IrLAP連接。

3系統(tǒng)整體設(shè)計

本次系統(tǒng)設(shè)計的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的紅外無線發(fā)射和接收，因此在設(shè)計過程中，主要圍繞采集需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)射、數(shù)據(jù)接收等方面來構(gòu)建系統(tǒng)，下面兩節(jié)將分別介紹系統(tǒng)整體框圖和系統(tǒng)所到達的技術(shù)指標。

3.1系統(tǒng)框圖設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計時，為了有更好的可操作性，將系統(tǒng)分為主控和受控兩個局部，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中實行雙向通信，這樣更好的增加了雙機交互功能，在使用中也有很大的實用性。以下圖3-1就是我們本次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3-1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

整個系統(tǒng)分為兩局部：主機局部和從機局部。下面我們分別進行這兩方面的介紹：

一、紅外無線通信主控局部〔主機〕；它在整個系統(tǒng)中起核心控制地位，首先，通過單片機對溫度傳感器的控制來采集本地環(huán)境溫度；然后，把采集到的數(shù)據(jù)送到單片機中進行分析處理，并通過LCD進行本地溫度顯示；按鍵局部主要是起通信模式切換的作用，本系統(tǒng)共有3種模式可供選擇；模式1：測試兩機的通信局部是否正常；模式2：將主機的溫度數(shù)據(jù)傳送到從機；模式3：將從機的溫度傳到主機。并且每一種模式都是通過主機發(fā)射指令來確保兩機的模式同步。其中不管是哪一種模式我們都可以將數(shù)據(jù)通過串口傳到PC上位機，這樣更加便于我們分析數(shù)據(jù)。最后，就是主機的通信局部，它主要包括發(fā)射和接收兩局部；發(fā)射局部：主要利用單片機串口具有自動編碼功能，在發(fā)射時單片機自動加上幀的起始位和結(jié)束位，然后將其調(diào)制到555振蕩器產(chǎn)生的38KHZ載波上，再通過紅外發(fā)射管進行發(fā)射；接收局部：采用一體化的紅外接收頭來對接收到的紅外信號進行放大、濾波、解調(diào)，最后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理執(zhí)行相應(yīng)的功能。主機局部除完成雙機通信外，還設(shè)置有通信轉(zhuǎn)換接口，通過電腦的上位機軟件來實現(xiàn)PC機與系統(tǒng)的通信功能。

二、紅外無線通信的受控局部〔從機〕；它除了沒有與PC機通信的串口接頭和不能發(fā)送控制命令外，其余局部的結(jié)構(gòu)和功能與主機根本相同。從機也能采集本地溫度進行顯示；從機最重要的功能是隨時保持對主機發(fā)送命令的應(yīng)答，通過接收的不同命令進行不同的響應(yīng)操作；

3.2系統(tǒng)性能指標

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，首先要實現(xiàn)的功能就是完成數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收；如果這一功能沒有實現(xiàn)，那么就根本談不上別的功能。其次，為了增加系統(tǒng)的實用性，可以將PC機與整個系統(tǒng)連接起來；這樣更加符合現(xiàn)代通信要求。最后，顯示局部一定要很直觀的反響系統(tǒng)的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理情況等。因此，根據(jù)以上要求設(shè)計本系統(tǒng)的性能指標如下：

〔1〕系統(tǒng)能正確的通過紅外線進行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收；

〔2〕采集的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后兩位；

〔3〕紅外的有效傳輸距離S，在傳輸速率為1200bps時，S>7m；2400bps時，S>6m；

〔4〕實現(xiàn)雙機雙向通信的功能；

〔5〕實行主、從機設(shè)計，主機單端全程控制整個系統(tǒng)；

〔6〕顯示局部準確顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作模式、溫度數(shù)據(jù)等；

〔7〕系統(tǒng)具有超時過失報警功能，良好的人機交互界面；

〔8〕具有自動搜索一組數(shù)據(jù)標志位的能力，即使在某一時刻數(shù)據(jù)被打亂，接下來只要通信信道通常，系統(tǒng)就能自動搜索正確數(shù)據(jù)的起始位。

〔9〕系統(tǒng)通過串口與PC機進行雙向通信功能，這樣更加方便數(shù)據(jù)的分析、保存。

通過上面的介紹，可以大體上了解整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，接下來將進行具體的電路原理圖設(shè)計。

4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)主要以AT89S52單片機為主控制器，以溫度傳感器、液晶顯示、鍵盤局部、串口局部、報警局部、紅外發(fā)射和接收局部為受控模塊，它們共同構(gòu)建起了整個紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在主機局部，為了能與PC機實現(xiàn)紅外無線通信，特增加了串口轉(zhuǎn)換接頭和電平轉(zhuǎn)換局部來實現(xiàn)功能的多樣化。

系統(tǒng)的通信過程與單片機的串口通信很相似，唯一的區(qū)別就是用紅外無線數(shù)據(jù)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用單片機系統(tǒng)的自動編碼功能可以實現(xiàn)硬件電路簡單、編碼可靠等優(yōu)點，并且，通過軟件對通信協(xié)議的規(guī)定可以實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)傳輸和接收，具有抗干擾強、超時出錯報警等功能特點。接下來就是電路的分塊設(shè)計。

4.1溫度采集電路設(shè)計

本系統(tǒng)中，我們主要使用DS18B20溫度傳感器來采集現(xiàn)場環(huán)境溫度，DS18B20是美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它具有體積更小、使用電壓更寬、更經(jīng)濟等優(yōu)點，它的測量溫度范圍為?55~+125℃，在?10~+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，現(xiàn)場溫度直接用“一線總線〞的方式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，它還可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，因此使用非常方便。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四局部組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TL和TH、高速暫存器。DS18B20管腳排列如圖4-1，從左到右管腳分別為1、GND；2、I/O；3、VDD。

圖4-1DS18B20

光刻64位序列號是出廠前被刻好的，它可以看成是該DS18B20的地址序列號。由于光刻ROM使每一個DS18B20都相互不同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。溫度傳感器可以完成對溫度的測量。內(nèi)部高速暫存器包含8個連續(xù)字節(jié)，前兩個是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低8位，第二個字節(jié)是溫度的高8位，第3、4個是TH、TL的易失性拷貝，第5個字節(jié)是結(jié)構(gòu)存放器的易失性拷貝，這3個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位時被刷新。第6、7、8字節(jié)用于內(nèi)部計算。第9個字節(jié)是冗余字節(jié)。暫存器具體分布如表4-1所示。

表4-1DS18B20存放器分布

字節(jié)序號

存放器名稱

0

溫度最低數(shù)據(jù)位

1

溫度最高數(shù)據(jù)位

2

高溫限制

3

低溫限制

4

保存

5

保存

6

計數(shù)剩余值

7

計數(shù)器/℃

8

CRC校驗

DS18B20使用12位的二進制數(shù)來存儲溫度值，最高位為符號，其中，低8位的數(shù)據(jù)儲存順序為：

2

高8位的數(shù)據(jù)儲存順序為:

S

S

S

S

S

S代表溫度的正負，S=1，代表接收到的為負溫度；S=0，代表接收到的為正溫度；結(jié)合上面的順序就可以將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度，例如，0550H為85℃，0191H為+25.0625℃，但要注意的是，負溫度是以二進制的補碼形式存在的，因此在轉(zhuǎn)換時要將接收到的數(shù)據(jù)進行取反加1后再進行操作。例如FF92H所代表的溫度為?55℃。

DS18B20與單片機相連主要有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，DQ與單片機的I/O口相連；另外一種是用寄生電源供電，此時，VCC和GND都接地，DQ口與單片機的I/O相連。但無論是那一種方式，其DQ都要接5K左右的上拉電阻來增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。其典型電路如圖4-2所示。

圖4-2DS18B20的典型應(yīng)用電路圖

由于DS18B20是單線通信，單片機通過此線向18B20發(fā)送指令，18B20也通過此線將采集到的溫度傳回來。因此，在溫度采集的軟件編寫過程中一定要注意好時序邏輯的控制，否那么將采集不到正確的數(shù)據(jù)。這個我們在軟件局部會具體說明。

4.2單片機外圍電路設(shè)計

在本系統(tǒng)設(shè)計中，使用的是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)編程，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單片機為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52單片機最小系統(tǒng)如圖4-3所示。

圖4-3AT89S52單片機最小系統(tǒng)

AT89S52單片機為用戶提供了豐富的資源：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計時器、串口、中斷繼續(xù)工作，掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。接下來將分類介紹單片機的外圍電路。

4.2.1時鐘電路設(shè)計

在單片機的內(nèi)部有一個高增益反向放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為XTAL2，在芯片的外部通過這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反響電路，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路如圖4-4所示。

圖4-4AT89S52外部時鐘源電路圖

電路中的電容一般取22PF左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.2MHZ～12MHZ，在本系統(tǒng)中使用的11.0592MHZ，但我們必須注意的是振蕩脈沖經(jīng)過二分頻才作為系統(tǒng)的時鐘信號，在二分頻的根底上再三分頻產(chǎn)生ALE信號，在二分頻的根底上再進行六分頻就得到機器周期信號。因此一個機器周期是振蕩周期的12倍,我們使用的是11.0592MHZ晶振，因此機器周期為(1/11.0592)*12微秒。

4.2.2復位電路設(shè)計

RST引腳是單片機復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩脈沖周期〔即2個機器周期〕以上，產(chǎn)生復位信號的電路如圖4-5所示。

圖4-5單片機復位電路

此復位電路為按鍵電平方式復位，首先具有開機復位的功能，在平時狀態(tài)中由于電容阻斷直流電壓，因此RST復位端口一直為低電平；當按鍵S1按下時經(jīng)過R6、R7分壓，RST端為高電平那么會進行系統(tǒng)復位。

4.2.3報警電路設(shè)計

在這個系統(tǒng)中報警局部主要采用蜂鳴器報警，當系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)的過程中其信號被阻擋超過一定的時間時，蜂鳴器就會報警來提示信號傳輸不正常，蜂鳴器電路如圖4-6所示。

圖4-6蜂鳴器電路

在這個電路中將Bell〔蜂鳴器的控制端〕與單片機的I/O口相連，用PNP型三極管8550對蜂鳴器進行電路驅(qū)動，用軟件來控制蜂鳴器的響停。

4.2.4按鍵電路設(shè)計

在單片機的按鍵局部采用按鈕型按鍵，按鍵未按下時其輸出端為高電平，按鍵按下時輸出端為低電平；為了增加電平的準確性，可以在按鍵的輸出端加上拉電阻來確保其上下電平的正確，這樣通過單片機來檢測I/O口的電平狀況，然后執(zhí)行不同的操作，這樣就實現(xiàn)了按鍵的控制功能，電路如圖4-7所示。

圖4-7按鍵電路

4.3數(shù)據(jù)調(diào)制和紅外發(fā)射電路設(shè)計

數(shù)據(jù)發(fā)射局部是我們本次系統(tǒng)設(shè)計的一個重要局部，它的性能好壞直接關(guān)系到我們所設(shè)計的系統(tǒng)能否正常無線通信和通信的有效距離；在設(shè)計時經(jīng)過大量資料的查詢和進行多個方案的論證，我們發(fā)現(xiàn)這局部需要解決的問題主要有兩個方面：1、如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)制；2、對調(diào)制后的數(shù)據(jù)又怎樣進行紅外發(fā)射。因此，下面主要從這兩個方面來說明電路的設(shè)計。

4.3.1載波電路設(shè)計

本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能為：紅外無線數(shù)據(jù)傳輸，由于所需要傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)是由單片機串口發(fā)送，這樣的信號頻率較低，抗干擾的性能較差，因此，為了增加信號的抗干擾能力和信號傳輸?shù)木嚯x，我們將要傳輸?shù)男盘栒{(diào)制到一個比調(diào)制信號頻率高得多的信號上，這就要求設(shè)計一個產(chǎn)生載波的電路，在本系統(tǒng)設(shè)計中，利用NE555定時器來構(gòu)成載波信號發(fā)生器。

NE555定時器是一種將模擬功能與邏輯功能相結(jié)合的多用途單片集成電路，可以產(chǎn)生時間遲延和脈沖信號，由555構(gòu)成的時基電路具有以下優(yōu)點：1、定時精度高，工作速度快；2、使用電壓范圍寬，為2V～18V；3、結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活；4、有一定的輸出功率，可以直接驅(qū)動小型繼電器、指示燈及微電機；5、工作可靠性高，使用范圍廣；只要在外部配上幾個適當?shù)淖枞菰涂梢詷?gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與整形電路，在工業(yè)自動化控制、定時、測量及家用電器等方面廣泛的應(yīng)用。NE555的引腳排列如圖4-8所示。

圖4-8NE555管腳圖

各引腳的功能如表4-2所示。

表4-2NE555引腳描述

引腳號

引腳名

功能

引腳號

引腳名

功能

1

GND

電源地

5

CV

電壓控制端

2

Trigger

觸發(fā)

6

Threshold

閾值

3

Output

輸出

7

Discharge

放電端

4

Reset

復位端

8

V+

電源正

NE555內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。它包含兩個電壓比較器、一個根本的RS觸發(fā)器、泄放電管和三個5K電阻構(gòu)成的分壓器。Comp是兩個結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。比較器一共有兩個輸入端，分別標有“+〞和“?〞。如果V+>V-,

圖4-9NE555內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

比較器輸出電壓為高電平，反之那么輸出為低電平。比較器的參考電壓由電阻分壓器決定。在控制電壓端CV〔第5腳〕懸空時，那么Comp1“—〞的參考電壓為2/3Vcc，Comp2的“+〞端參考電壓為Vcc/3。根本觸發(fā)器的RS端為直接清零端，低電平有效，平時可以接高電平；放電管提供外接電容的放電回路；控制電壓輸入端CV端平時可以對地接一個去耦電容。NE555定時器的功能如表4-3所示。

表4-3NE555邏輯功能表

輸入

輸出

正跳變觸發(fā)〔6〕

負跳變觸發(fā)〔2〕

復位〔4〕

放電管

輸出〔3〕

X

X

0

導通

0

<2/3Vcc

<1/3Vcc

1

截止

1

>2/3Vcc

>1/3Vcc

1

導通

0

<2/3Vcc

>1/3Vcc

1

不變

不變

在本系統(tǒng)設(shè)計中，使用NE555定時器構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生38KHZ載波。多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路，接通電源后，無需外加觸發(fā)信號，就能自動地不斷翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形波。由于這種矩形波中含有很多諧波分量，因此就稱之為多諧振蕩器。具體的電路如圖4-10所示。

圖4-10NE555定時器電路

在電路設(shè)計過程中，首先必須掌握555振蕩頻率的計算。系統(tǒng)接通電源后，電源通過R12、R13對C5進行充電，輸出端OUT輸出高電平；當C5上的電壓高于2/3Vcc時泄電管就會導通，這時C5通過R13進行放電，這時輸出端輸出為低電平；當C5上電壓低于1/3Vcc時放電管被截止，這時又開始進行充電，輸出高電平；就是這樣不斷的翻轉(zhuǎn)來產(chǎn)生我們所需要的波形；其輸入與輸出信號關(guān)系如圖4-11所示。

圖4-11NE555的輸入與輸出波形

555定時器輸出信號波形的上下電平持續(xù)時間與充放電的電容、電阻有直接關(guān)系，其中高電平持續(xù)時間TW1≈0.7*R12*C5(由于接有高速開關(guān)管IN4148，因此在充電時R13會被短路掉，這樣可以調(diào)整輸出波形的占空比。)；低電平的持續(xù)時間為TW2≈0.7*R13*C5；那么整個脈沖周期為T=TW1+TW2，其占空比為q=TW1/T；

由于接收局部使用的是一體化紅外接收頭，專門接收38KHZ的紅外信號，所以這就要求NE555定時器產(chǎn)生38KHZ的載波信號，載波信號的周期為T=(1/38)ms=26.3us,又因為T=TW1+TW2=0.7*R12*C5+0.7*R13*C5=26.3us，并且C5=3300PF，R13=5.1K,R12為10K的滑動變阻器；經(jīng)計算R12≈6.3K，這個阻值完全能夠通過調(diào)整電位器來到達。

下面主要分析信號是怎樣調(diào)制到載波上去的。本系統(tǒng)中需要傳輸?shù)男盘柺怯蓡纹瑱C串口發(fā)送出來的，為了使接收信號和發(fā)射信號的相位差為0，我們在單片機的發(fā)送端〔TXD〕加上一個74HC04非門對發(fā)送的信號進行反相，然后再用這個信號去控制NE555定時器的復位端〔RST〕，555定時器的復位端是低電平有效，因此當74HC04輸出到555復位端的信號為高電平時，那么555輸出端的信號為38KHZ的方波；為低電平時，那么555被復位，其輸出端為低電平。這樣一個過程就完成了將要發(fā)射的TXD基帶信號調(diào)制到38KHZ載波信號上的任務(wù)，然后再用調(diào)制好的信號再去控制三極管的導通與截止，導通時紅外發(fā)射二極管就會發(fā)射波長為940nm左右的紅外線，具體的波形轉(zhuǎn)換如圖4-12所示。

圖4-12信號傳輸波形

4.3.2紅外發(fā)射電路設(shè)計

平時我們常用的紅外發(fā)射二極管有SE303、PH303等，它們是采用砷化鎵〔GaAs〕和砷鋁化鎵〔GaAlAs〕等半導體材料制成的，本系統(tǒng)電路發(fā)射局部采用的是日本NEC公司生產(chǎn)的SE303紅外發(fā)射二極管，其外形與普通的發(fā)光二極管相似，導通時管壓降小于1.4V。紅外發(fā)光二極管的反向擊穿電壓較低，約為5~30V，因此在平時的使用過程中其反向電壓不得超過5V。

一般小功率的紅外發(fā)射二極管的正向工作電流為30~50mA，在使用時如果長時間超過電流的工作范圍，容易使紅外發(fā)光二極管損壞；但是，在紅外通信過程中又要求通信距離盡可能的遠，這時就可以采用脈沖電流的方式來發(fā)射紅外信號。假設(shè)脈沖電流的平均值與恒定的直流值相等，那么脈沖電流的幅度要比允許的工作電流大得多，其發(fā)射效率也較高。因此，本系統(tǒng)采用直流脈沖電流驅(qū)動方式，其電路如圖4-13所示。其中R17、R20為限流電阻，以防止流過SE303的電流過大而

圖4-13紅外發(fā)射電路圖

損壞管子。在電路圖中三極管工作在開關(guān)狀態(tài)〔截止和飽和導通〕，功率計算如下，Ve為SE303的導通電壓，Vce為三極管發(fā)射極與集電極之間的電壓，那么當飽和導通時電流I=〔5?Ve?Vce〕/R17=(5?1.2?0.3)/20=0.175A;那么發(fā)射時紅外二極管的功率為P=UI=1.2*0.175=0.21W，又因為脈沖占空比q≈0.5，所以平均功率為P/2=105mW,電阻R17的功率Pr=20*0.175/2=1.75W,因此R17必需用一個大功率的電阻。

4.4紅外接收電路設(shè)計

紅外接收二極管其實就是一種光電二極管，它的內(nèi)阻由射入管內(nèi)的光通量決定，無紅外光照時為幾兆歐，有紅外光照時僅為幾千歐姆，接收到的紅外信號轉(zhuǎn)換成的電信號非常微弱；所以，這個信號必需通過放大器放大后才能用于對電路的控制。而這個放大器除了應(yīng)有高的放大倍數(shù)外，還應(yīng)該是低噪聲并具有對信號波的解調(diào)能力〔濾除信號載波，只留下有用的調(diào)制信號〕。如果所有的這些電路都由自己搭建出來，其效果并不理想而且抗干擾能力差，所以我們選擇了一體化的專用紅外接收頭HS0038B，其外觀如圖4-14所示。

圖4-14HS0038B管腳圖

HS0038B是集成紅外接收、放大、濾波和比較器輸出的模塊，主要有以下優(yōu)點：1、單一的接收器和前置放大器的組合；2、靈敏度高；3、內(nèi)置濾波器；4、抗干擾強；5、與TTL及CMOS兼容，適用于微處理器操作與控制。6、低功耗。其內(nèi)部原理框圖和典型應(yīng)用電路如圖4-15所示。

圖4-15HS0038B內(nèi)部框圖及典型應(yīng)用電路圖

HS0038B紅外接收二極管主要用于接收頻率為38KHZ的紅外線，當接收到38KHZ的紅外信號時，輸出端1腳為低電平；當接收到的紅外信號頻率不是此頻率或沒有接收到紅外線信號時，那么輸出端1腳為高電平。由于接收頭輸出的信號為標準的TTL電平；因此，我們可以直接將接收到的信號送入單片機的接收端RXD進行信號處理。解調(diào)過程如圖4-16所示。

圖4-16HS0038B的接收與輸出波形

正因為一體化紅外接收頭有如此多的有點，所以它在紅外通信中得到了越來越來廣泛的應(yīng)用。

4.5與PC機串口通信電路設(shè)計

51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。為了使單片機能夠與PC機進行紅外無線通信，在設(shè)計時，系統(tǒng)特增加了串口電路，串口通信局部只設(shè)在主機電路局部，在從機電路中不設(shè)此模塊。雖然電腦與單片機都有串口，但他們并不能直接相連起來進行通信。因為電腦的串口是RS—232C接口，是符合EIA〔美國電子工業(yè)協(xié)會〕RS—232C標準的外部總線標準接口。RS—232C采用的是負邏輯，及邏輯“1〞時為－5V~?15V；邏輯“0〞時為+5Ｖ~＋15V。而CMOS電平邏輯“1〞時為4.99V，邏輯“0〞時為0.01V；TTL電平的邏輯“1〞和“0〞分別對應(yīng)電平為2.4V和0.4V。所以，在單片機與PC機通信電路之間應(yīng)添加轉(zhuǎn)換電路將TTL或CMOS電平與RS—232C電平進行相互轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)設(shè)計中選用的是MAXIM公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232C屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動芯片，芯片引腳如圖4-17所示。其實它就是起一個電壓變換作用，將高電平變成低電平，低電平變成高電平，但與普通的

圖4-17MAX232引腳圖

反向器又有所不同的是它還具有升壓的功能。MAX232C的主要特點有：1、符合所有的RS—232C技術(shù)標準；2、只要單一+5V電源供電；3、片載電荷泵，具有升壓、電壓極性翻轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和?10V電壓；4、低功耗，典型供電電流5mA；5、內(nèi)部集成了2個RS—232C驅(qū)動器。并且MAX232外部電路也非常簡單，只需接幾個0.1uF電容就可以了；典型應(yīng)用如圖4-18所示。

圖4-18MAX232典型應(yīng)用原理圖

PC機和MAX232接口的連接非常簡單，在一般的應(yīng)用中，只需有三條線即可完成通信，分別是串口接頭DB9的第2腳RXD與MAX232的輸出相連，第3腳TXD與MAX232的輸入相連，然后在共地，最后，通過串口線連接到電腦的串口上就可以實現(xiàn)單片機與PC機的串行通信了，不過在通信的過程中一定要特別注意雙方的波特率一定要相同，否那么，通信是不可能成功的，具體的電路如圖4-19所示。

圖4-19PC機與MAX232的電路圖

4.6LCD顯示電路設(shè)計

在顯示局部使用的是TS1620液晶顯示器，它是利用液晶經(jīng)處理后能改變光線的傳輸方向的特性實現(xiàn)顯示信息的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。其外觀如圖4-20所示。

圖4-20TS1620液晶顯示器

TS1620是一款字符型液晶模塊,使用2行16字的5*7點陣圖形來顯示字符,它采用標準的16腳接口，各引腳情況如表4-4所示。

表4-4TS1620引腳功能介紹

第1腳

VSS電源地

第9腳

D2雙向數(shù)據(jù)線

第2腳

VDD+5V電源

第10腳

D3雙向數(shù)據(jù)線

第3腳

VEE液晶顯示偏壓信號

第11腳

D4雙向數(shù)據(jù)線

第4腳

RS數(shù)據(jù)/命令選擇端

第12腳

D5雙向數(shù)據(jù)線

第5腳

R/W讀/寫選擇端

第13腳

D6雙向數(shù)據(jù)線

第6腳

E使能端

第14腳

D7雙向數(shù)據(jù)線

第7腳

D0雙向數(shù)據(jù)線

第15腳

BLA背光源正極

第8腳

D1雙向數(shù)據(jù)線

第16腳

BLK背光源負極

TS1620的數(shù)據(jù)端和指令端可以直接與單片機的I/O口相連接，其中第3腳為液晶比照度調(diào)節(jié)端口，接地時比照度最強；接電源時比照度最強；因此，可以對地連接一個10K的滑動變阻器來調(diào)節(jié)液晶的比照度；在15腳的背光地接一個小電阻進行限流；TS1620與單片機的連接電路如圖4-21所示。

圖4-21單片機與TS1620液晶的連接電路

TS1620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由DDRAM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大規(guī)模集成電路組成。

DDRAM為數(shù)據(jù)顯示用的RAM，用以存放LCD顯示的數(shù)據(jù)，只要將標準的ASCII碼放入DDRAM，內(nèi)部控制線路就會自動將數(shù)據(jù)傳送到顯示器上，并顯示出該ASCII碼對應(yīng)的字符；

CGROM為字符產(chǎn)生器ROM，它存儲了192個5*7的點陣字型，但只能讀出不能寫入；

CGRAM為字型、字符型的RAM，可供使用者存儲特殊造型的造型碼，但它最多只能存8個造型；

IR為指令存放器，負責存儲MCU要寫給LCD的指令碼，當RS及R/W引腳為0且E由1變?yōu)?時，D0～D7引腳上的數(shù)據(jù)會存入到IR存放器中；

DR為數(shù)據(jù)存放器，它負責存儲微機要寫到CGRAM或DDRAM的數(shù)據(jù)，因此可將DR看成一個數(shù)據(jù)緩沖器；

BF為忙碌信號，當BF=1時，不接收微機送來的數(shù)據(jù)或指令；當BF=0時，接收外部數(shù)據(jù)或指令，所以在寫數(shù)據(jù)或指令到LCD之前，必須查看BF是否為0；

AC為地址存放器，負責計數(shù)寫入/讀出CGRAM或DDRAM的數(shù)據(jù)地址，AC依照MCU對LCD的設(shè)置值而自動修改它本身的內(nèi)容。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次系統(tǒng)設(shè)計要實現(xiàn)的目標是紅外無線數(shù)據(jù)的傳輸，也就是用紅外線作為傳輸媒介進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。首先的任務(wù)就是確立要傳輸什么數(shù)據(jù)；這些數(shù)據(jù)怎樣進行傳輸；其次是如何將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)、顯示出來，給人一個直觀的感覺；還有就是要設(shè)置一些控制端，這樣可以更好的實現(xiàn)人機交互功能。

5.1系統(tǒng)總的程序流程圖設(shè)計

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計中，設(shè)計方案是采集一個地點的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，然后再將其傳輸?shù)搅硗庖粋€地方；其中，在通信過程中設(shè)計有主機和從機兩局部；主機負責整個系統(tǒng)的控制，從機的主要任務(wù)就是接收主機發(fā)送的命令，并發(fā)送應(yīng)答信號給從機；同時，根據(jù)命令做出相應(yīng)的反響。除此以外，雙機都具有發(fā)送和接收溫度數(shù)據(jù)的功能。

根據(jù)上面所設(shè)計的任務(wù)。在本系統(tǒng)設(shè)計中選用一體化的溫度傳感器DS18B20來采集環(huán)境溫度；用顯示內(nèi)容比較豐富的TS1620液晶顯示器來進行顯示；所以軟件的設(shè)計主要有以下幾個方面：1、DS18B20的讀寫操作軟件設(shè)計；2、通信程序的編寫；3、TS1620液晶顯示驅(qū)動函數(shù)的編寫；4、人機交互功能及控制程序的編寫。根據(jù)上面的要求所設(shè)計的主、從機程序流程圖分別如圖5-1和圖5-2所示。

圖5-1單片機主機主程序流程圖

圖5-2單片機從機主程序流程圖

5.2溫度采集模塊軟件設(shè)計

在前面的硬件局部已經(jīng)分析了DS18B20的結(jié)構(gòu)及功能，現(xiàn)在我們主要分析其軟件控制指令及其方法。因為DS18B20是支持“一線總線〞接口的溫度傳感器，與單片機的連接方便、占用口線較少等功能，但是由于單片機對DS18B20發(fā)送指令和接收它回傳給單片機的數(shù)據(jù)都是通過這單根總線進行通信的，所以在程序編寫過程中必需注意時序問題：1、DS18B20從測量結(jié)束到溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這個延時必需保證的，不然，那么會出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示85；2、較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳輸，因此對DS18B20進行讀寫編程時，必需嚴格保證讀寫時序，否那么將無法讀取測量結(jié)果。3、在DS18B20測量溫度程序設(shè)計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦有某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，那么沒有返回信號，程序就會進入死循環(huán)，這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時都要給與重視。另外在進行通訊時必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制器操作。因此，控制器必須先提供下面5個ROM操作命令之一：①讀ROM；②匹配ROM；③搜索ROM；④跳過ROM；⑤報警搜索。這些命令對每一個器件的激光ROM局部進行操作，成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進行存儲器和控制器操作，表5-1列出了DS18B20的指令操作集。

表5-1DS18B20的指令集

指令

代碼

指令

代碼

讀ROM

33H

寫暫存存儲器

4EH

跳過ROM

55H

讀暫存存儲器

BEH

搜索ROM

CCH

溫度變換

44H

F0H

重新調(diào)出

B8H

告警搜索

ECH

讀電源

B4H

5.2.1DS18B20的控制時序

〔1〕初始化

時序見圖5-3所示。單片機總線t0時刻發(fā)送一個復位脈沖〔持續(xù)時間最短不得低于480us的低電平信號〕，接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)，DS18B20在檢測到總線的上升沿之后，等待15－60us，接著DS18B20在t2發(fā)出存在脈沖〔應(yīng)答信號為低電平，持續(xù)時間60—240us〕，如圖5-3中虛線所示。

圖5-3DS18B20初始化時序圖

〔2〕寫時間隙

當主機總線t0時刻從高拉至低電平，就產(chǎn)生寫時間隙，從t0時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DS18B20在t0后15—60us間對總線采樣。假設(shè)低電平，寫入的位是0，見圖5-4；假設(shè)為高電平，寫入的位是1，見圖5-5。連續(xù)寫兩位的間隙應(yīng)大于1us。

圖5-4寫0時序圖5-5寫1時序

〔3〕讀時間隙

時序見圖5-6，主機總線t0時刻從高電平拉至低電平時，總線只須保持低電平14us。之后在t1時刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時間時隙，讀時間隙在t1時刻后t2時刻前有效。t2距t0為15us，也就是說，t2時刻前主機必需完成讀位。在讀時間結(jié)束時，I/O引腳經(jīng)外部的上拉電阻拉回至高電平。并在t0后的60us后釋放總線。

圖5-6讀時序

5.2.2DS18B20的程序流程圖

對DS18B20的操作一般包含下面四個步驟：1、初始化；2、ROM操作命令；3、存儲器操作命令；4、執(zhí)行/數(shù)據(jù)。其中的初始化如上面的時序中講到的一樣；然后就是對ROM的操作，DS18B20片內(nèi)有光刻64位的ROM，它可以看成是該DS18B20的地址序列碼。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個的目的。由于我們此次系統(tǒng)設(shè)計在單總線上左右一個DS18B20，那我們就直接跳過匹配ROM〔SkipROM〕的操作就行了。接下來就是對存儲器的讀寫操作，其中讀寫“1〞和“0〞與上面的時序操作一樣。最后就是將接收到的數(shù)據(jù)進行微機處理；這樣就完成了一次對DS18B20的訪問過程。其具體程序流程如圖5-7所示。

圖5-7DS18B20控制程序流程圖

5.3串行通信軟件設(shè)計

本次系統(tǒng)的通訊設(shè)計雖然是紅外無線通信，但就其本質(zhì)還是基于單片機的串口通信，只是在通信的過程中利用紅外線作為傳輸媒介取代傳統(tǒng)的電纜傳輸。因此系統(tǒng)軟件設(shè)計也主要是對單片機串口通信的設(shè)計。

5.3.1串行通信的字符格式

串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩x是：數(shù)據(jù)傳輸按位順序進行，最少只需一根數(shù)據(jù)線就能完成通信，本錢低但速度慢。串行通信又可以分為異步通信和同步通信兩種方式。單片機中使用的串行通信都是異步方式，因此下面只介紹異步通信。

異步串行通信以字符為單位，即只能一個字符接一個字符的地傳遞，具體的字符格式如圖5-8所示。

圖5-8異步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖址袷?/p>

〔1〕起始位。發(fā)送器通過發(fā)送起始位而開始一個字符的傳送。起始位使數(shù)據(jù)線處于低電平狀態(tài)。

〔2〕數(shù)據(jù)位。起始位之后就傳送數(shù)據(jù)。傳送過程中低位在前高位在后。

〔3〕停止位。停止位在最后，用以標志一個字符的傳送的結(jié)束，它對應(yīng)于高電平狀態(tài)。停止位可能是1、1.5或2位。

〔4〕幀。從起始位開始到停止位結(jié)束的全部內(nèi)容稱之為一幀，幀也就是代表一個字符的完整通信格式。

5.3.2串行通信的數(shù)據(jù)通路形式

〔1〕單工形式。其數(shù)據(jù)傳輸是單向的。通信雙方中一方固定為發(fā)送端，另一方那么固定為接收端。

〔2〕全雙形式。其數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，且可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

〔3〕半雙工形式。數(shù)據(jù)也是雙向傳輸?shù)模侨魏螘r刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另外一方接收數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，如果在發(fā)送的同時接收也在運行，那么紅外接收端將接收到自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣就會引起通信出錯；但同時又要實現(xiàn)雙向通信，因此系統(tǒng)采用半雙工通信的方式。通信示意圖如圖5-9所示。

圖5-9半雙工形式的串行通信

5.3.3串行通信的工作方式

51單片機的串口通信共有4種工作方式，具體如表5-2所示。在本次系統(tǒng)中使用的是串行工作方式1，方式1是10位為一幀的異步通信方式。包括一個起始位，

表5-2串口傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)

SM0SM1

工作方式

功能

波特率

00

方式0

8位同步移位存放器

focs/12

01

方式1

10位異步接收發(fā)送器

可變

10

方式2

11位異步接收發(fā)送器

fosc/32或focs/64

11

方式3

11位異步接收發(fā)送器

可變

8個數(shù)據(jù)位和1個停止位。

5.3.4串行通信傳輸速率的計算

方式1的波特率是可變的，它是以定時器T1作波特率發(fā)生器，其值由定時器1的計數(shù)溢出率來決定，其計算如公式1所示：

波特率=〔定時器1溢出率〕〔1〕

其中SMOD為電源控制存放器的最高位，其值為1或0。

當定時器1作為波特率發(fā)生器使用時，應(yīng)選用工作方式2，因為工作方式2具有8位自動重裝載功能，這樣可防止程序反復裝入初值所引起的誤差，使波特率更加穩(wěn)定。假設(shè)設(shè)定其初值為M，那么計數(shù)器溢出周期如公式2所示：

T=其中，是晶振頻率。〔2〕

那么波特率計算如公式3所示：

波特率〔3〕

如果波特率的情況下，定時器T1的計數(shù)初值可由公式4可得：

其中，B代表波特率。〔4〕

例如要在串口通信中使用的波特率為1200b/s，那么可以根據(jù)上面給出的計算公式來計算T1的初始值，其計算過程如下〔假使波特率不增倍及smod=0〕：

晶振頻率為11.0592MHZ。〔5〕

即T1工作在方式2的情況下，且賦予TH1=232，TL1=232的初值，那么串行通信的波特率為1200b/s。

5.3.5串行通信軟件設(shè)計流程圖

在本次系統(tǒng)設(shè)計中串口通信的主要任務(wù)是傳輸本地采集的溫度數(shù)據(jù)，然后在接收端將接收到的數(shù)據(jù)顯示出來，并且還要有雙向通信的功能；在溫度數(shù)據(jù)處理過程中最關(guān)心的是數(shù)據(jù)的符號和數(shù)據(jù)的大小。因此，我們設(shè)計數(shù)據(jù)的符號用一個字節(jié)來儲存；數(shù)據(jù)的大小分為整數(shù)局部和小數(shù)局部兩局部來儲存；又因為通信媒介使用的是紅外線；所以，當有物體阻擋時，接收方就會接收不到發(fā)送來的數(shù)據(jù)信號，即使重新順暢信道，由于單片機分不清符號位和數(shù)據(jù)位的順序，那么數(shù)據(jù)處理就會全部出錯；所以，在發(fā)送溫度數(shù)據(jù)之前先發(fā)送一幀判斷數(shù)據(jù)，接收端只有在接收到此數(shù)據(jù)后才認為后面跟的是正確的溫度數(shù)據(jù)，否那么將放棄數(shù)據(jù)接收。這樣傳輸一組溫度數(shù)據(jù)需發(fā)送5幀數(shù)據(jù)〔可以將其存放在一個數(shù)組里面〕。只有將一個完整的溫度數(shù)據(jù)接收完成時，才將接收到的數(shù)據(jù)送去計算處理〔及顯示出來〕。數(shù)據(jù)發(fā)送的格式如下：

發(fā)送的順序

0

1

2

3

發(fā)送的數(shù)據(jù)

判斷字符

符號

溫度整數(shù)局部

溫度小數(shù)局部

發(fā)送局部的程序流程圖如圖5-10所示：

圖5-10單片機串口發(fā)送程序流程圖

接收局部程序流程圖如圖5-11所示：

圖5-11單片機串口接收程序流程圖

5.4主從機串口中斷軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，我們必須清楚通信協(xié)議，所謂通信協(xié)議也就是主、從機事先約定好通信方式和內(nèi)容，這樣可以確保通信準確。例如從機和主機約定為：從機接收到主機發(fā)送的“A〞，就顯示“OK〞代表通信正常，接收到別的就不會顯示；因此，它相當于一個比較的過程；本系統(tǒng)設(shè)計中，這個比較是在串口終端中完成的。

在主機中串口中斷主要完成的任務(wù)有：雙機是否通信正常的檢測、對從機的應(yīng)答信號進行比較、檢測幀的起始位、接收溫度數(shù)據(jù)等功能；主機串口中斷處理如表5-3所示。圖5-12為主機串口中斷程序流程圖。

表5-3主機串口中斷處理

中斷比較信號

通信協(xié)議

A

雙機通信正常

1

命令從機工作模式1成功

2

命令從機工作模式2成功

3

命令從機工作模式2成功

c

一幀數(shù)據(jù)的標志位

圖5-12主機串口中斷程序流程圖

從機串口中斷主要完成的任務(wù)有：判別聯(lián)系信號、檢測主機的模式命令、發(fā)送應(yīng)答信號、檢測幀的起始位、接收溫度數(shù)據(jù)等功能；從機中斷處理如表5-4所示。圖5-13為從機串口中斷程序流程圖。

表5-4從機通信協(xié)議

中斷比較信號

通信協(xié)議

B

雙機通信正常發(fā)送應(yīng)答信號A

1

工作模式1，發(fā)送應(yīng)答信號1

2

工作模式2，發(fā)送應(yīng)答信號2

3

工作模式3，發(fā)送應(yīng)答信號3

c

一幀數(shù)據(jù)的標志位

圖5-13從機串口中斷程序流程圖

本系統(tǒng)共有三種工作模式，它們分別代表了三種不同的數(shù)據(jù)傳輸和顯示方式，具體如表5-5所示。

表5-5三種通信模式比照

模式序號

顯示及傳輸方向

PC通信

1

雙機都顯示本地溫度數(shù)據(jù)；

可顯示主機的溫度數(shù)值

2

主機向從機傳輸溫度數(shù)據(jù)〔主機發(fā)送從機接收〕

可顯示主機溫度和向從機發(fā)送數(shù)據(jù)

3

從機向主機傳輸溫度數(shù)據(jù)〔主機接收從機發(fā)送〕

接收從機發(fā)射過來的溫度信號并顯示

設(shè)計中的每一種模式切換都必需進行通信測試，測試過程為：主機向從機發(fā)送聯(lián)系信號只有當主機接收到從機的應(yīng)答信號時才開始接下來的操作，如接收數(shù)據(jù)等；否那么主機將會一直發(fā)送聯(lián)系信號直到接收到對方的應(yīng)答信號為止。通過這種方式可以有效防止雙機還未進入正常工作狀態(tài)就開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r發(fā)生，可以大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.5報警局部軟件設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計過程中還碰到這樣的問題——接收到的溫度數(shù)據(jù)中某幾位是正確的而別的幾位是錯誤的，例如本來發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)是15.45度，但在接收端液晶顯示出來卻是15.12度，即前兩位正確而后兩位錯誤；經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)只要在數(shù)據(jù)傳輸過程中用什么東西擋住紅外線一下就會導致后面的接收數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，經(jīng)過調(diào)試與分析終于找出了答案。因為在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中是按字節(jié)發(fā)送的，例如，要發(fā)送5，其實發(fā)送的代碼為00000101，但傳輸時是按位來傳輸?shù)模僭O(shè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?01時擋住紅外線時，接收端接收到亂碼其結(jié)果就可能是11111101，即使把物體拿開后，由于連帶關(guān)系也會導致后面的數(shù)據(jù)全部出錯；為了防止有時不小心擋住了紅外線致使數(shù)據(jù)出錯，在設(shè)計時我們在每一組溫度數(shù)據(jù)前面都加上一個校驗字節(jié)，這樣由軟件來判斷，只有接收到校驗位后才認為后面的四個字節(jié)是有效的溫度數(shù)據(jù)，否那么不保存接收到的數(shù)據(jù)，通過這種方式可以防止上面的出錯情況，并且還設(shè)計了超延時報警來通知通信出了問題，下面是具體的程序分析。

檢測校驗位程序：

switch(rec1)

{

case'c':{//字符c即為校驗字符

if(flag==1)

{

flag2=1;

P2_2=1;P2_3=1;P2_4=1;

jishu++;

}

}break;

}

檢測超時報警程序：

voidtime0()interrupt1

{

charbi;

shu++;

if(shu>=1000)

{

shu=0;

if((bi==jishu)&&(flag2==1))//報警提示

{

P2_2=0;P2_3=0;P2_4=0;

}

bi=jishu;

}

}

其報警局部軟件流程圖如圖5-15所示：

圖5-15報警局部軟件流程圖

主、從機的報警局部程序處理完全相同，都是在定時器T0的中斷中進行判斷的；當進行數(shù)據(jù)傳輸時，如果在一定的時間內(nèi)都沒有接收到數(shù)據(jù)校驗，那么認為信號被阻擋了，系統(tǒng)就進行報警提示；直到接收到有效溫度數(shù)據(jù)為止。

5.6液晶顯示模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)對TS1620液晶顯示器的控制其實就是對LCD控制器的操作，LCD控制器內(nèi)有多個存放器，我們通過對RS(數(shù)據(jù)命令選擇端)和R/W〔讀/寫命令選擇端〕的控制來具體選擇哪一個存放器，選擇情況見表5-6。

表5-6TS1620內(nèi)部存放器選擇表

RS

R/W

存放器及操作

0

0

指令存放器寫入

0

1

忙標志和地址計數(shù)器讀出

1

0

數(shù)據(jù)存放器寫入

1

1

數(shù)據(jù)存放器讀出

下面是LCD的主要指令：

〔1〕清屏指令；RS=0，R/W=0；輸入命令0x01;功能：將顯示緩沖區(qū)的DDRAM的內(nèi)容全部寫入空格。光標復位，地址計數(shù)器AC清零。

〔2〕功能設(shè)置命令；RS=0，R/W=0；其輸入命令為：

0

0

1

DL

N

F

*

*

功能：設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)，當DL=0時數(shù)據(jù)位為8位，DL=0時數(shù)據(jù)位4位。

設(shè)置顯示行數(shù)，當N=1時雙行顯示，N=0時單行顯示。

設(shè)置字形大小，當F=1時5*10點陣，F(xiàn)=0時為5*7點陣。

〔3〕讀忙標志位和地址計數(shù)器AC命令；RS=0，R/W=1；其讀出數(shù)據(jù)為：

BF

AC6

AC5

AC4

AC3

AC2

AC1

AC0

當BF=1時表示忙，這時不能接收命令和數(shù)據(jù)；BF=0時表示不忙。