无线传感网络节点-学位论文.doc

毕业论文题目：无线传感网络节点设计毕业论文摘 要无线传感网络是一种以通信为中心无线网络。通过使用无线传感网络人们可以实现信息的快速、大范围、自动化的采集和传输。它可以广泛的应用于国防军事、环境监测、物流领域、高效农业、智能交通、医疗保健、制造业等领域。本设计是基于AT89C51单片机无线传感网络节点的设计，通过DS18B20的温度传感器采集温度并经过AT89C51单片机的处理传送出去。整个设计采用了仿真电路和程序编写。第一部分是无线传感网络的发展概况和未来，第二部分是无线传感网络节点的硬件设计，第三部分是无线传感网络节点的软件设计。关键词： DS18B20，AT89C51，射频，低功耗AbstractWireless sensor network is a communications-centric, non-wireless network infrastructure. Wireless sensor networks by using the information that people can achieve rapid, large-scale, automated collection and transmission. It can be widely used in national defense, environmental monitoring, logistics, high efficiency agriculture, transportation, health care, manufacturing and other fields.In this paper, based on AT89C51 microcontroller design of wireless sensor network node. DS18B20 collected by the temperature sensor temperature and after processing send out AT89C51 microcontroller. The design uses only the simulation circuit and programming.This article first describes the development of wireless sensor networks and the future. The second section describes the wireless sensor network node hardware design. The third section describes the wireless sensor network node software design.Key words: DS18B20, AT89C51, RF, low power consumptionI目录摘 要IABSTRACTII引言11 绪论21.1无线传感器网络的研究背景21.2 无线传感器网络的特点21.3无线传感器网络的发展历程31.4无线传感器技术的应用与研究41.5论文研究的内容52 无线传感器网络节点的硬件设计52.1无线传感器网络结构52.2无线传感器节点结构62.3 无线传感网络节点设计方案论证72.3.1 方案展示72.3.2 最终确定的方案102.3.3 无线传感网络节点工作原理102.4 无线传感网络节点硬件设计102.4.1 传感器单元102.4.1.1 DS18B20102.4.1.2 DS18B20的使用方法122.4.1.3 DS18B20内部结构框图122.4.1.4 DS18B20的通信协议142.4.1.5 DS18B20控制方法162.4.1.6 DS18B20具体电路172.4.2 处理器模块172.4.2.1主控制器AT89C51的基本结构182.4.2.2 AT89C51引脚及其功能182.4.3 电源模块192.4.4 射频模块202.4.4.1 无线射频芯片CC2500202.4.4.2 射频单元与单片机的连接212.4.5 串口设计212.4.5.1 串口的任务212.4.5.2 串口的波特率222.4.5.3 串口有关的寄存器222.4.5.4 串口的电路设计233 无线传感网络节点的软件设计233.1 开发环境233.2 节点软件设计243.2.1 设计功能243.2.2 数据采集部分的主程序设计253.2.3 读出温度子程序263.2.4 显示温度子程序274 无线传感网络节点的通信设计294.1 射频通信设计294.2 网络节点与其他节点之间的通讯设计294.3 数据通信包设计325 仿真结果与分析335.1 Proteus335.2 仿真输出345.2.1 软件程序仿真结果345.2.2 电路仿真结果345.3 仿真结果分析36结论37致谢38参考资料39引言无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是近年来得到迅速发展和普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展对现代科学技术产生了极其深刻的影响。与传统的网络技术不同，无线传感器网络技术将现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术有机地融为一体，已经是近几年来国内外研究的热点，引起了世界上许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，其应用前景十分广阔。1 绪论1.1无线传感器网络的研究背景传感器的定义根据国家标准GB7665-87是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。而近年来对传感器的需求越来越复杂，单个传感器已经基本不能满足同益增长的复杂要求。所以将多种传感器构建成网络已经成为研究的热点。传感器网络通常是由许多空间分布的装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器监控不同位置的条件(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。通常这些装置很小很便宜，以便可以大量制造和部署，因此它们的资源(能源、存储、计算速度和带宽)严重受限。每个装置都具备一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。这些装置互相帮助，将数据传输到一台监控计算机。传感器网络是由一组传感器以Ad Hoe方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。对于传统网络，大部分是以有线方式构建，这是因为有线方式的传输带宽，传输速度快，误码率低，构建简单等优点。但是这些优点对于传感器来说并不重要，这是因为传感器的数据传输率低，要求带宽窄，而误码率问题可以通过纠错与编码方式降低。所以，在传感器网络方面采用有线传输模式并不是最好的选择。我们注意到传感器是为了监控不同位置的条件，比如温度、声音、振动，压力、运动的信息，所以其安装位置一般来说都是具有典型代表性的。特别对于一些特定环境中，例如古建筑、恶劣的污染坏境，布线困难或者无法布线的情况，采用无线方式传感器网络是较为合适的。山于传感器种类繁多，其数据特性也各不相同。所以构造一个万能的传感器网络技术上非常复杂，代价也很高。因此构造一些较小的，灵活的子网络，再由这些子网络构造一个大的网络成为较为通用的做法。当前无线传输设备小型化，低功耗化，使得无线传感器网络的构建成为可能。1.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。传统计算机网络技术中业已成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但是基于光线传感器网络自身的用途和优点，开发专用的通信队议和路由算法已经成为了当前无线传感器网络领域内急待研究的课题。无线传感器网络具有以下特点：（1）无线传感器网络包括了大面积的空间分布：比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络。（2）源受限制：网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要尽最大可能的节省电源消耗。（3）网络的自动管理和高度协作性：在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。（4）以数据为中心：在无线传感器网络中，人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心。（5）网络的动态拓扑、多跳路由：无线传感器网络是一个动态的网络。一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障从运行网络中退出；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。由于网络中节点通信距离有限，如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路。1.3无线传感器网络的发展历程无线技术和传感器技术的不断进步是无线传感器网络发展的直接推动力。无线传感器网络的发展是由传感器网络开始的，从年代上，传感器网络大致可以分为四代。早在上世纪70年代，就出现了将传感器采用点对点的通信方式，这样所连接的传感器便构成传感器网络的雏形，我们可以把它归之为第一代传感器网络。20世纪80年代，随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时具有了获取多种信息的综合处理能力，并可通过串行或并行等接口与控制器相关联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，第三代传感器网络逐渐形成。第四代传感器网络采用大量的具有多功能多信息获取能力的传感器，在通信方式上采用自组织无线接入，从而构成了现代意义的无线传感器网络。无线传感器网络起始于20世纪90年代术期，最早用于军事上战场信息的收集。最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出无线传感器网络是下世纪面临的一个发展机遇。2002年10月24日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。在美国自然科学基金委员会(Natural Science Foundation，NSF)的推动下，加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等大学研究了无线传感器网络的基础理论和关键技术。2003年，美国技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专版，在论述四大新技术时，无线传感器网络也被列入其中。美国今同防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年IEEE Spectrum杂志发表一期专集：传感器的国度，论述了无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。在国内，现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现在1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，并作为该领域提出的5个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中国科学院依托上海微系统所成立了微系统研究与发展中心，中心在无线传感器网络方向陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目。2005年初，中国科学院召开了关于无线传感器网络技术的研讨会，共商无线传感器网络下一步的工作。国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020)在支持的重点领域及其优先主题信息产业及现代服务业中列入了“传感器网络及智能信息处理”，并在自订沿技术中重点支持“自组织传感器网络技术”。我国国家自然科学基金2005年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划，2006年国家自然科学基会将水下移动传感器网络的关键技术列为研究重点。1.4无线传感器技术的应用与研究目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护，随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络被广泛地应用于生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测，比较常见的应用有：可通过跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫的栖息、觅食习惯等进行濒临种群的研究等；可在河流沿线分区域布设传感器节点，随时监测水位及相关水资源被污染的信息；在山区中泥石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设节点，可提前发出预警，以便做好准备，采取相应措施，防止进一步的恶性事故的发生；可在林区铺设这些传感器节点来监测森林火警，一旦有危险，可立刻发出警报，消防人员也可以利用个人数字助理(PDA)生成监测区域的温度梯度场，以确定高温区域：类似的应用还包括化工厂的事故监控等。在这类应用中，对传感器的需求量很大，所以必须降低传感器的制造成本。医疗护理，罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。无线传感器网络在检测人体生理数据、老年人健康状况、医院药品管理以及远程医疗等方面同样发挥出色的作用。在病人身上安置体温采集、呼吸、血压等测量传感器，医生可以远程监测病人的情况。利用无线传感器网络可以长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中将非常有用。美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感器网络系统。该系统在鞋、家具、以及家用电器等嵌入传感器，帮助老年人、患者及残障人士独立地进行家庭生活，必要时通过WSN向医务人员、社会工作者请求帮助。研究人员开发了基于多个加速度传感器的无线传感器网络系统，用来进行人体行为模式监测，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。该系统使用多个传感器节点，安装在人体几个特征部位。系统实时地把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，并在监控界面显示受测人的行为模式。这个系统稍加产品化，便可成为一些老人及行动不便的病人的安全助手。同时，该系统也可以应用到一些残障人士康复中心，对病人的各类肢体恢复进展进行精确测量，为设计康复方案带来宝贵的参考依据。军事领域，由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。另外军事应用方面与灾难预警的应用有相似之处，只是传感器的监测对象是敌军情况而非意外灾难。比如2005年，美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统。这些节点被安置在建筑物周围，能够有效地按照一定的程序组建成网络进行突发事件(如枪声、爆炸源等)的检测，为救护、反恐等行动提供了强力手段。1.5论文研究的内容由于应用的多样性，传感器网络研究在兼顾通用性的同时，必须进行面向应用的、具有系统针对性的研究，以提高执行效率。本课题在对传感器网络进行科学分类的基础上展开针对性研究，进而根据各种应用特点，设计出高效率的系统，充分发挥传感器网络的潜能。在传感器网络节点设计中，需要解决无线传感器节点微型化技术，即在有限的系统资源条件下，微型、廉价、能量有限的多功能传感器设计技术。无线传感器网络节点在未来将是一次性的，因此节点不仅要成本低廉，而且工作时间要尽可能长。因此，电源供电和功耗问题是无线传感器网络节点软硬件设计的核心问题。可扩展性也是传感器节点设计中必须考虑的问题，传感器节点应当在具备通用处理器和通信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口，以适应不同的组件。无线通信协议是软件中的一个重要问题，它直接关系到节点的各方面性能。综上，本文研究的重点问题集中在两方面，即：低能耗的无线传感器网络节点的硬件设计和无线传感器网络路由协议性能的仿真实现及研究。2 无线传感器网络节点的硬件设计2.1无线传感器网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点(SensorNode)，汇聚节点(Sink Node)和管理节点，其网络结构如2-1所示。大量传感器节点随机部署在监测区(SensorField)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐渐地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。图2-1 无线传感器网络结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Intenet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。2.2无线传感器节点结构无线传感器节点的基本组成包括处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元四个基本单元，如图2-2。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本地采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量控制模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。此外，可以选择的其它功能单元还有定位系统、移动系统、电源自供电系统等。图2-2 无线传感网络节点的基本组成2.3 无线传感网络节点设计方案论证2.3.1 方案展示单片机电路单元处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用，也适合作为网关节点。另一类是以采用单片机为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功率也很小。本课题的设计要求比较低，采用能耗较小的单片机是合适的。方案一：采用TI公司推出的一款16位超低功耗单片机MSP430F449，其工作电压范围为1.8V-36V，并且采用三套独立的时钟源，包括高速的主时钟、低频时钟(如32768kHz)以及DCO片内时钟，可在满足功能需要的情况下按一定比例降低MCU主时钟频率，以降低功耗。MSP430F449必需的外围电路包括复位电路、JTAG仿真口、电源滤波电路以及无源晶振，其中复位电路直接与电源连接，会有几微瓦的功耗。MSP430系列单片机采用了RISC接口，具有丰富的寻址的方式，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令，有较高的处理速度，在8MHZ晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点都保证了可编制出高效率的源程序。方案二：采用Freescale公司的HCS08，每个HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上几个存储器以及外设模块组成。HCS08 核的组成部分都有HCS08 CPU，背景调试控制器(BDC)，支持多达32 个中断/复位源，芯片级地址译码，无线收发单元。方案三：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。最终确定选择方案三的AT89C51，因为51单片机具有好的适用性和强大的功能。能满足本设计的需要。 无线收发单元方案一：采用TI公司的CC2500。CC2500是一种低成本真正单片的2.4GHz收发器，为低功耗无线应用而设计。电路设定为2400-2483.5MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段。RF收发器集成了一个数据传输率可达500kbps的高度可配置的调制解调器。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。方案二：采用nRF2401，nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。方案三：采用TI公司的CC1100。CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他频率。无线射频芯片的种类和数量繁多，无线收发芯片的选择在设计中至关重要，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本。无线射频收发芯片的工作频段有433MHz，968MHz，以及ZigBee使用的24GHz等等。在选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：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。（1）发射功率。在同等条件下，为了保证有效和可靠通信，应选用发射功率较高的产品。（2）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。（3）收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件的数量直接决定产品的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件，如变容管、声表滤波器等；还有些芯片收发分别需要两根天线，会增加成本。（4）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13。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。（5）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。综合以上5点要素，在设计时选择Chipcon公司的CC2500无线射频芯片。供电单元由于节点的电源由两节5号电池供电，节点芯片工作在33 v的电压下，所以采Linear公司的LTC3400开关型升压芯片。它的开关频率为12 MHz，效率最高可达92。它的外围电路简单，使整个电源在PCB上的面积大大降低。因此选择了LTC3400LTC3400还可在轻负载情况下自动转为突发模式，以节省电能。传感器单元传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量，将这些环境变量转变为可供测量的信号。相对于常规的传感器，课题的设计中更多的会涉及到的是现成的集成设计的微型传感器，至于传感器的具体工作原理，我们并不关心，我们只要知道用就可以了。考虑到整个节点由电池供电，必须选择体积小、低功耗、外围电路简单的传感器。如果是实际应用，完全可以直接采用不需要信号调理电路的数字式传感器，而在我们的课题设计中，则应当尽量不要使用数字式传感器。传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器，可由处理器I/O口直接驱动，可以减少能量消耗。对于大电流工作的传感器，I/O口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制。 本设计内选用温度传感器DS18B20。2.3.2 最终确定的方案AT89C51CC2500LTC3400+5V+1.83.6VDS18B20+3.3V由AT89C51构成的无线传感网络节点由五部分组成：DS18B20温度传感器、AT89C51、LTC3400电源、CC2500射频单元。DS18B20温度传感器完成数据的采集和转换然后传送给AT89C51，AT89C51将数据处理转送给CC2500无线模块，通过无线模块发送出去，LTC3400的电源部分为整个系统提供电力供应。总体设计如图2-3所示：图2-3 无线传感网络节点总体设计2.3.3 无线传感网络节点工作原理利用AT89C51组成的无线传感网络节点的工作原理：温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节）传送给51单片机，然后单片机经过处理经由CC2500的无线发射模块发送给上位机。2.4 无线传感网络节点硬件设计2.4.1 传感器单元2.4.1.1 DS18B20传感器模块，又称为数据采集模块，它主要目的是将传感器所采集到得模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号，然后将数据处理等待发送，它为系统提供了进行处理和决策所必需的原始信息。因此，它是现代监测系统中的关键环节。传感器获得信息正确与否，直接影响整个系统的精度，如果传感器的误差较大则随后的测量电路、放大电路以及微处理器的精确度再高也是徒劳的，因此正确选用传感器尤为重要。在本系统中，考虑到现实应用的多样性，设计采用内部和外部传感器的方式进行数据采集。所谓内部就是在节点上设计一个数字式测温芯片-DSl8B20；所谓外部就是系统对外提供两路接口给外接传感器。DSl8820是是美国DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器。目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线(如SPI总线、I2C总线或SCI总线等)，至少需要两条或两条以上的信号线。美国DALLAS半导体公司开发了一种新技术单总线技术。它采用单根信号线完成数据的双向传输，并且可以通过该信号线为单总线器件提供电源，节省IO口资源，结构简单，成本低廉、便于扩展。单总线系统是由挂在一对双绞线(一根信号线，一根地线)上的单总线器件芯片，专门的通信协议组成，该系统中只有一个总线命令者，从者可以有多个。总线命令者可以是PC机或者普通的单片机，从者是DALLAS公司提供的单总线器件芯片。作为单总线器件。DSl8820全部传感元件和转换电路都集成在一个形如三极管的集成电路内。与其它传感器相比，DSl8820具有以下技术特性：（1）具有独特的单总线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需一条I/O口线就可实现微处理器与它的双向通信；（2）支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个DSl8B20，很方便地实现多点温度的检测；（3）数字信号输出，不需要信号放大和A/D转换等外围电路；（4）测温范围-55+125，在-1+85时测温准确度为0.5；（5）能提供912位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数；（6）其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，电源电压范围为+3.0V5.5V。因为它是数字输出，而且只占用一个I/O端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的A/D转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。DSl8820只有三根外部引脚，其中VDD和GND为电源引脚，另一根DQ则作为I/O总线，因此称为一线式数据总线。如图2-4：2-4 DS18B20连接设计图DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。DS18B20引脚介绍：TO92封装的DS18B20的引脚排列见图2-5，其引脚功能描述见表2-1。图2-5表2-1DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2I/O数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。2.4.1.2 DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。2.4.1.3 DS18B20内部结构框图DS18B20采用脚TO-92封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如2-6所示。I/OC64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器VDD图2-6 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2-7所示。低位一直为，是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为，用户要去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。由表2-2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。温度LSB温度MSBTH用户字节一TH用户字节二配置寄存器保留保留保留CRC 图2-7 DS18B20字节定义表2-2 DS18B20温度转换时间表当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2-3部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H2.4.1.4 DS18B20的通信协议由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完