采集与发射系统设计毕业设计.docx

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采集与发射系统设计毕业设计

1引言1

2设计思路和系统框图2

3系统理论分析4

3.1无线数字通信相关理论4

3.2超再生电路的特点和工作原理6

4系统硬件设计7

4.1编码与发射和接收与解码电路分析与设计7

4.2主控制器电路分析与设计13

4.3测温电路分析与设计16

4.4数据显示电路的设计18

5系统软件设计20

5.1数据采集与发射部分程序设计20

5.2数据接收与显示部分程序设计22

6系统电路的制作与调试23

6.1电路硬件焊接制作24

6.2系统调试及性能分析24

7结论26

参考文献27

致　谢29

附录1：

采集与发射部分总电路图30

附录2：

接收与显示部分总电路图31

附录3：

英文资料32

附录4：

英文资料译文39

附录5：

程序清单44

1引言

随着短距离、低功率无线数据传输技术的成熟，特别是802.11b、红外线、蓝牙等应用的推广，无线数据传输的应用再次成为热点。

许多应用领域都采用无线的方式进行短距离数据传输，这些领域涉及小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡等。

这些大多采用蓝牙技术或无线射频收发芯片，因此这方面的研究也受到广泛关注。

目前常用的短距离无线通信主要有802.11b、红外通信、蓝牙、以及一些无线射频收发芯片。

其中IEEE802.1Ib实现的是有形的、特定的网络，传输距离长、速度快，可以满足用户运行大量占用带宽的网络操作，成为无线局域网的国际标准。

IEEE802.11b比较适用于办公室中的企业无线网络，有效距离长达100米，较适合用在影像等高速无线传输，在计算机局域网中应用广泛。

红外通信IrDA是一种点到点、窄角、专用数据传输标准，工作在0-1m距离之内，速率在9600bit/s-16Mbit/s之间，适配器包括传统的串口和并口。

红外通信技术成熟，但红外通信属视距离技术，也就是说红外通信接口的设备之间传输数据，中间不能有阻碍物，并且总体实现成本较高，只在一些中高端的手持设备中有所应用。

蓝牙有一个完整协议规范，功能全面但协议复杂，不容易掌握，需要长时间学习掌握，并且实现成本相对较高，因此应用发展较慢。

而现在最常用的射频无线收发芯片大多集成了全部射频收发和基带传输处理，设计、调试成本低、周期短，并且它们体积小、价格便宜、传输距离相对较远、可靠性高，特别适合于低成本的无线通讯设备使用。

因而在工业上得到广泛应用。

射频无线收发电路以射频芯片为核心，通过外围电路及其参数的设计来实现无线数据的接收和发射。

无线收发射频芯片内部一般集成了完整的接收和发射功能电路，芯片外部接少数几个到几十个分立无源元件即可实现无线数据的收发。

射频芯片一般工作在300M～1000MHzISM频段，发射功率10～20dB；调制方式常采用AM/FM/ASK/OOK/FSK中的一种和几种；可电池供电；可嵌入己有的仪器仪表、控制设备和便携式移动装置中；可直接与计算机、单片机等接口。

射频芯片分单发芯片、单收芯片和收发一体芯片。

设计时要充分考虑发射和接收芯片的匹配，各项指标要一致。

由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。

选择无线收发芯片时应需要考虑以下几点因素：

功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。

2设计思路和系统框图

以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，传统的电路方案不是电路烦琐就是调试困难，令人望而却步，影响了用户的使用和新产品的开发。

而采用F05—J04系列射频收发模块使人们摆脱了无线产品设计的困难，F05—J04系列射频收发模块功耗极低，工作频率稳定可靠，外围元件少，频率一致性较好，调试简单，便于设计生产，且价格低廉，适合于便携式手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接受灵敏度的设计，且工作频率为国际通用的数传频段315MHz，满足无线管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数据传输的理想选择。

作为一个通信系统，应有其主控制器。

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

单片机的潜力越来越被人们所重视。

特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。

比较之下，ATMEL公司的8位单片机AT89S52以其功能强大、使用方便而成为本系统主控制器的选择。

一个产品的设计应该有准确的应用定位才能在后期的开发和生产中发挥出巨大的实用功能和经济效益。

温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量，特别是在自动化控制系统中，温度数据采集是其中最常见的一种，但由于种种条件限制，在很多应用中，近距离现场测温困难重重。

从生产生活的实际应用出发，本无线数据传输系统采用测量的实时温度数据作为发射信号，发送至接收端以数字温度值显示，以解决远程测温这一难题。

温度数据的测量，可采用热敏电阻，也可采用最新的智能数字温度传感器，基于设计方便和应用范围广等方面的考虑，决定采用美国DALLAS公司生产的智能型数字温度传感器DS18B20,它以电路简单、测温精确、转换时间短、传输距离远、分辨率高等特点给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

按照设计要求和上述思路，确定系统由两个部分共六个模块组成：

数据采集与发射部分由控制器、测温电路和编码及发射等三个模块组成；数据接收与显示部分由控制器、接收及解码和温度显示等三个模块组成。

系统结构框图如图2-1和图2-2所示。

3系统理论分析

3.1无线数字通信相关理论

3.1.1数字通信系统模型

利用数字信号来传递数据的过程称为数字通信，计算机通信、数字电话、数字电视等都属于数字通信。

与模拟通信相比，数字通信具有下列优点：

（1）以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发技术来发现与纠正通信错误，从而有效保证通信的可靠性。

（2）在长距离数字通信中，可通过中继器放大和整形技术来保证数字信号的完整性，不累积噪声。

（3）可使用加密技术有效增强通信的安全性。

（4）数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度也大大超过模拟设备，性能价格比高。

近20年来，数字通信技术开始发展并得到广泛应用。

目前，数字通信已开始在长距离语音通信、无线通信和数字数据通信等领域逐渐取代传统的模拟通信。

数字通信系统一般由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及发送端和接收端时钟同步组成，其中编码器包括信源编码和信道编码，解码器包括信源解码和信道解码。

如图3-1所示。

发送端信源所产生的原始信号通常要经过编码器编码后进入信道传输，在接收端经解码器解码还原。

图3-1：

数字通信系统模型

数字通信的信源可以是模拟信号或数字信号。

对于二进制形式的数字信号，可以直接用两种电平来表示，为了改变其传播特性，通常对二进制数据进行编码（即信道编码），然后再进行传输。

3.1.2无线数据传输系统模型

对数据传输系统而言，由于需要传输的信息都是数字信号，也就是`0'、‘1’序列，所以它并不包含信源编解码部分，只有调制/解调和信道编/解码电路。

其系统模型如图3-2所示。

数字通信中还有一个不可缺少的部分是时钟同步。

由于数字通信系统传输的是数字信号，所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟。

而为了保证接收端正确接收数据，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持一致。

为了使接收端收到的数据中具有一定的时钟信息，便于数据的恢复，同时为了改善信号的传输质量，在发送端的模块中除了包含调制设备之外，通常还有信道编码器，在接收端相应的要有信道解码器。

3.1.3数字信号的ASK调制

调制的主要任务就是把接收到的数字信号转换为便于信道传输的形式，比较常用的调制方式有调幅、调频等。

解调就是把数据从调制信号中恢复出来，对应不同的调制方式采用的解调方式也各不相同。

F05系列采用调幅方式调制以降低功耗,在本系统中采用二进制振幅键控（ASK）调制与解调法。

二进制振幅键控ASK信号是利用二进制数字基带脉冲序列中的1、0码去控制载波输出的有或无得到的。

ASK有乘法器实现法和键控法两种实现方法，乘法器实现法的原理方框图如图3－3所示，其数字信号与载频为fc的余弦信号进行混频得到调制信号；振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解调法，同步解调方框原理如图3-4所示。

图中uASK（t）信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反相搬移，以恢复基带信号。

低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，解调的相干载波用2cos2πfct。

图3-3：

ASK调制器框图

图3-4：

ASK同步解调方框图

3.2超再生电路的特点和工作原理

接收模块J04E采用独特的超再生电路结构。

超再生接收电路方框图见图3-5所示，该电路仅由一级超再生检波电路就能完成选择信号、放大信号及实现解调的功能。

为使信号达到一定的幅度以至推动译码电路工作，通常在超再生检波级后还加有低放级。

超再生接收电路较简单，使用电子元件较少，具有较高的灵敏度。

但是选频特性较差，噪声偏大。

适用于一些要求不高的频率信号接收场合。

对于再生式接收，在调试过程中再生不能调得太强，否则就会产生振荡，无法收到信号，只能听到刺耳的尖叫声。

对于超再生电路就不存在这个问题。

超再生电路正常工作的条件之一就是电路要产生高频振荡，这种电路的高频振荡不是连续的而是处于间歇状态。

故电路必须具有使高频振荡处于间歇状态的控制电压，称为熄灭电压，振荡频率在20KHz到60KHz之间。

处于间歇状态的高频振荡对电路中的电压波动非常敏感，当有外来载波信号时，高频振荡的振幅受载波强度的控制。

无外来信号时，振幅受电路中无规律的杂乱噪音电压的控制。

超再生检波级工作于非线性状态，具有检波功能：

正常工作时所检的波是受载波信号控制的高频振荡电压，并且检波后得到的波形与载波的包络是一样的。

当工作不正常时电路所检的波是受电路内部噪音控制的高频振荡电压，它检波后得到的是超再生电路特有的沙沙噪音。

还要说明的是，超再生电路检波的并不是天线所收到的载波信号，而是受载波控制的由电路自身的振荡回路产生的振荡电压，该电压的幅度很大，故超再生检波电路具有较高的灵敏度。

4系统硬件设计

按照设计要求和确定的系统框图，将系统电路分成单元模块设计，包括测温电路单元、主控制器单元、编码与发射单元、接收与解码单元、温度数据显示单元五个单元模块。

其中，编码与发射单元和接收与解码单元是相应的配套单元，其设计必然是一体的。

4.1编码与发射和接收与解码电路分析与设计

4.1.1射频收发模块简介与收发电路设计

射频发射模块F05系列采用声表谐振器稳频，SMT树脂封装，频率一致性较好，特别适合无线遥控及数据传输系统。

F05具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，当发射电压为3V时，发射电流约2mA，发射功率较小，12V为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约5-8mA，大于l2V直流功耗增大，有效发射功率不再明显提高。

F05系列采用调幅方式调制以降低功耗，系统调试过程中测得，当数据信号停止时，发射电流降为零，并且数据信号与F05用电阻而不能用电容耦合，否则F05将不能正常工作。

数据电平应接近F05的实际工作电压以获得较高的调制效果，F05对过宽的调制信号易引起调制效率下降，收发距离变近。

F05C为改进型,体积更小,内含隔离调制电路消除输入信号对射频电路的影响,信号直接耦合,性能更加稳定，为本设计的首选。

其主要性能参数如表4-1。

表4-1：

射频发射模块F05C性能参数

发射频率

315M&433M

频差

±150K

传输速率

<10kbps

工作电压

3～12V

发射功率

10mW

发射电流

2～10mA

工作温度

－40℃～+60℃

灵敏度

－105dBm

调制方式

AM/ASK

F05C发射系统应用电路如图4-1所示，编码器采用PT2262，经调试，振荡电阻取4.7M效果较好。

17脚无信号输出时，F05不工作，发射电流为零。

当14脚为低电平时，17脚输出已设定的编码脉冲对F05进行调制发射，即F05C受控于PT2262的17脚输出的数字信号——当17脚为高电平期间射频发射模块F05C发射等幅高频信号，当17脚为低平期间射频发射模块F05C停止工作。

从而完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅，并进行发射。

通过测试F05工作电流可大致判断F05是否处于正常发射状态，空码时加天线发射电流约6mA左右。

接收模块J04E采用独特的超再生电路结构，SMT工艺树脂封装，内含放大整形，输出为数据信号直接至解码器，使用极为方便，是一种性价比较好的超再生模块。

其主要性能参数如表4-2。

表4-2：

射频接收模块J04E性能参数

接收频率

315M

工作电压

3V

工作电流

0.2mA

带宽

±1.5MHz

接收灵敏度

－90dbm

工作温度

－40℃～+60℃

J04E接收系统应用电路如图4-2所示，J04E采用3.5V供电以确保J04E最佳接收灵敏度及输出电平与解码器电平接口，同时R1可滤除一些电源杂波干扰。

当J04E收到外来载波信号时，其处于间歇状态的高频振荡的振幅受载波强度的控制，超再生电路检波受载波信号控制的高频振荡电压，并且检波后得到的波形与载波的包络是一样的，即完成了信号的接收。

J04E无信号时输出为零电平状态（无噪声干扰）可适合与单片机输入端接口，J04E采用条状镀金电感及优化电路，无需外接天线，接收灵敏度优于J04系列的其它型号。

采用一定硬度的镀金电感调整接收频点比采用微调电容调频率的接收电路性能稳定，即使强烈振动也不用担心频点偏离。

J04E具有较宽的接收带宽，出厂时已调在315M，与F05配套基本免调试，在系统电路焊接时发现，只要电源馈电及引线没有太大分布参数即可处于正常接收状态，镀金电感约有±5M可调范围，安装时保持原状不要轻意变动以免频点偏离。

J04E具有极低功耗，3V时只消耗0.2mA电流，可长期处于守机状态。

J04E输出直接与PT2272接口，输出能力可驱动一支LED发光管（系统电路中应串接一支3K电阻以免引起电源波动）。

若采用单片机译码，应注意地线布局，以免单片机晶体干扰J04E。

J04E最低工作电压为2.6V，此时灵敏度下降，收发距离变近。

J04E接通电源用示波器AC50mV/1mS档在3脚能看到一条约50mV（最大杂波100mV）的噪声带，噪声带在直流1.5V，即1/2VDD处，表明J04E处于正常接收状态。

接通发射电源，收发离开2米，能看到码信号，幅度与距离及发射功率有关，信号幅度只要大于200mV，第4脚即可输出整形后的码脉冲，PT2272解码输出高电平。

4.1.2编解码器PT2262/PT2272工作原理

PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，具有功耗低、工作电压范围宽（3～15V）等特点，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。

PT2262和PT2272引脚图分别如图4-3和图4-4所示。

PT2262/PT2272采用18脚双列直插式封装，它们具有很强的抗干扰性能。

其中PT2262是一种编码器，它能将数据和地址编译成代码的波形；PT2272是配套的解码器，具有地址和数据解码功能。

PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441种地址码。

因此，最大程度上避免了编码的冲突，为设计的实现提供了极大的方便。

PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线发射电路；PT2272最多也有6位（D0-D5）数据端输出管脚，17脚为解码有效指示输出，PT2272分为锁存型输出或非锁存型输出，可用于无线接收电路。

PT2262芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。

由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码从输出端17脚（Dout）输出，通过射频发射芯片发射出去。

PT2262编码时序波形如图4-5所示。

PT2262编码后的地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。

PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。

M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。

后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。

在本设计中，由系统的功能要求决定，采用PT2272-M4型即可。

在具体的应用中，PT2262/2272需要外接RC振荡电阻，外接电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。

PT2262输出的编码信号是调制在载波上的，通过改变15脚和16脚之间所接的振荡电阻阻值的大小，即可改变17脚输出时钟的频率。

引脚15、16外接的电阻决定系统的基本振荡频率，并决定了编码的脉冲宽度，也就是控制串行数据的传送速度。

当外接电阻采用4.7M时，2262的振荡频率为16KHz。

4.1.3PT2262/PT2272的地址编码设定

PT2262/2272芯片的地址编码设定只有一致时，才能正确解码。

在本系统中，由于采用PT2272-M4，则可使用8位地址码和4位数据码。

这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：

悬空、接正电源、接地三种状态，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样我们可以很方便选择各种编码状态，如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可。

基于系统的功能要求，为了使电路简单，我们将PT2262的第1脚至第8脚全部接地，PT2272的第1脚至第8脚也全部接地，就能实现配对接收。

编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，PT2262每次发射时至少发射4组字码，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。

因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。

4.1.3单元电路的硬件设计

单片机将4位并行数据从P2口的低四位输出至编码器PT2262的数据端D0～D3，同时给其14脚（TE，编码启动端）一个低电平，PT2262得电工作，触发振荡器产生振荡，其8位地址码（逻辑状态全为“0”）和输入的4位数据码（逻辑状态为“0”或“1”）一起被编码成12位串行数据，高8位为地址，低4位为数据，经17脚逐次发送这12位码输入到发射模块F05C，通过天线发射出去。

接收模块J04E则是将收到的信号进行解调，然后送入解码器PT2272的输入端（14脚），PT2272只有在连续两次检测到相同的地址码（即8位逻辑状态全为“0”的地址码）加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平，以此解码出4位并行数据从D0~D3脚输出，送入单片机并口（P2.0——P2.3），同时也驱动VT端同步为高电平，确认解码有效，此高电平经反向器后转为低电平，送入单片机的INT1引脚，以中断方式使单片机开始处理数据。

由以上分析，可确立编码与发射单元和接收与解码单元的硬件电路，其电路原理图分别如图4-6和图4-7所示。

4.2主控制器电路分析与设计

4.2.1主控制器单片机的选择

主控制器采用ATMEL公司的8位单片机AT89S52。

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。

功能强大的微型计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置的省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

该芯片具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。

其PDIP封装引脚结构图如图4-8所示。

AT89S52单片机对于一般用户来说，存在下列很明显的优点：

（1）内部含Flash存储器

因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。

同时,在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。

（2）和80C51插座兼容

AT89S52单片机的引脚是和80C51一样的，所以,当用80C5l取代AT89S52时，可以直接进行代换。

这时,不管采用40引脚亦或44引脚的产品,只要用相同引脚的80C51系列单片机取代AT89S52即可。

（3）静态时钟方式

AT89S52单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

（4）错误编程亦无废品产生

一般的OTP产品,一旦错误编程就成了废品。

而AT89S52单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。

（5）可进行反复系统试验

用AT89S52单片机设计的系统，可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。

而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。

4.2.2AT89S52功能分析与设计

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

对于本设