一、基于nRF24L01的無線溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)汁

　　摘要：提出了一種針對無線數(shù)據(jù)傳輸問題的解決方案，該方案基于nRF24L01來設(shè)計無線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗、高性能單片機STC12C5A08S2和溫濕度傳感器DHT11來構(gòu)成多點、實時溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，最后在PC機上完成配置、顯示和報警等功能。該系統(tǒng)使用方便，擴展十分容易，可廣泛應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和養(yǎng)殖等場合。

　　0 引言

　　在當(dāng)今的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要進行溫濕度采集的場合越來越多，準(zhǔn)確方便地測量溫度變得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的有線測溫方式存在著布線復(fù)雜，線路容易老化，線路故障難以排查，設(shè)備重新布局要重新布線等問題。特別是在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制而不便架設(shè)線路的情況下，給溫濕度的數(shù)據(jù)采集帶來了很大的麻煩。要想監(jiān)測到實時的溫濕度數(shù)據(jù)，就必須采用無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進行采集、發(fā)送、接收并對無線采集來的數(shù)據(jù)通過上位機進行處理，以控制并監(jiān)測設(shè)備的運行情況，減少不必要的線路設(shè)備開支。

　　1 系統(tǒng)組成框圖

　　本文設(shè)計的多路無線溫濕度檢測系統(tǒng)將單片機檢測控制系統(tǒng)和射頻通信系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)由主機和從機兩部分構(gòu)成，從機負(fù)責(zé)檢測溫濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)通過射頻系統(tǒng)發(fā)送給主機，主機接收從機發(fā)送過來的信號，并通過串口和PC機進行通信，記錄數(shù)據(jù)。同時可通過PC機設(shè)定報警數(shù)據(jù)上下限。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　2 系統(tǒng)硬件電路

　　系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11進行數(shù)據(jù)采集，以51系列增強型單片機STC12C5A08S2為核心和無線射頻nRF2401構(gòu)成收發(fā)電路，從機使用液晶LCD1602顯示，主機顯示則使用LCD12864，整個顯示系統(tǒng)可與PC上位機相連接。

　　2.1 溫濕度采集電路設(shè)計

　　DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。圖2所示為其溫度采集電路。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與高性能8位單片機相連接。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的過程中可調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口可使系統(tǒng)集成變得簡易而快捷，而且信號傳輸距離可達20m以上。當(dāng)連接線長度短于20m時，應(yīng)使用5kΩ上拉電阻，大于20m時，應(yīng)根據(jù)情況使用合適的上拉電阻。

　　圖2 溫度采集電路

　　2.2 無線發(fā)射、接收電路設(shè)計

　　nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信芯片，采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2 Mb/s.NORDIC無線發(fā)射、接收芯片nRF24L01的電路原理圖如圖3所示。

　　圖3 無線發(fā)射、接收原理圖

　　nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz的ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時的工作電流只有18 mA，它具有多種低功率工作模式，節(jié)能環(huán)保，設(shè)計方便。

　　nRF24L01無線收發(fā)模塊的各管腳功能如表1所列，圖4所示是nRF24L01與單片機連接時的電路圖。

　　圖4 無線模塊與CPU連接電路圖

　　本無線發(fā)射接收模塊需要的電源為1.9~3.6 V，本系統(tǒng)中采用3.3 V直流電源來直接對無線發(fā)射接收模塊供電，5 V電源經(jīng)。ASM1117-3.3芯片轉(zhuǎn)換后可得到穩(wěn)定的直流電源，其電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

　　圖5 無線模塊電源轉(zhuǎn)換電路

　　2.3 串行通信模塊

　　主機單片機接收到nRF24L01的數(shù)據(jù)后，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)單片機程序下載與升級，同時可實現(xiàn)單片機與PC機（上位機）的通信，以便將顯示數(shù)據(jù)信息通過此電路傳送到PC機，并存PC機上顯示，其串行通信電路如圖6所示。

　　圖6 MAX232CPE與PC的串口通信電路

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 下位機軟件

　　本系統(tǒng)使用C語言編程，應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求確定系統(tǒng)程序的完整結(jié)構(gòu)，盡可能采用模塊化程序設(shè)計方法，將任務(wù)劃分為相對獨立的功能模塊，明確各模塊的功能、時間順序和相互關(guān)系，系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為幾個部分，首先是各個模塊的底層驅(qū)動程序編寫，而后是系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試，最后再編寫上位機的系統(tǒng)程序。

　　主程序是控制和管理的核心，系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，系統(tǒng)開始正常運轉(zhuǎn)后，再進行溫、濕度的監(jiān)測與處理等操作。

　　3.2 上位機軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)上位機能完成的功能有顯示串口號，提示串口是否已被成功打開；同時，上位機能夠與下位機同步顯示溫度，而且能夠?qū)崟r曲線顯示溫度；上位機能夠設(shè)置下限溫濕度和上限溫濕度，當(dāng)高于上限溫濕度或低于下限溫濕度時，還能夠報警。將主機單片機的控制電路串行接口與電腦串口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換連接后，選擇正確的通信協(xié)議，設(shè)置好波特率，即可進行通信。圖7所示是上位機操作界面圖。

　　圖7 上位機操作界面

　　上位機軟件可在PC機上通過VC6.0編寫，主要是對MSComm控件及CserialPort類進行操作。

　　首先是串口設(shè)置。本系統(tǒng)利用的是CSERIALPORT類中的初始化函數(shù)InitPort （this，nport，nbtl，‘N’，8，1，m_dwCommEvents，512）。其巾nport為串口號，nbtl為波特率，可利用串口設(shè)置對話框中的串口號和波特率兩個組合框分別得到初始化函數(shù)中的nport和nbtl.

　　其次是對溫濕度上下限的設(shè)置。可利用CSERIALPORT類中的啟動串口監(jiān)測進程函數(shù)Start Monitoring、發(fā)送字符串函數(shù)WriteToPort以及關(guān)閉串口進程StopMonitoring來進行溫度上下限的設(shè)置，其信息通過這些函數(shù)發(fā)送到串口，單片機從RS232上收到數(shù)據(jù)后，與自身的溫度相比較，再進行相應(yīng)的處理。

　　第三是曲線顯示。動態(tài)曲線顯示可利用CHistogram類中的SetRange（200，400），SetPos（temp）函數(shù)，SetRange設(shè)置上下極限值，SetPos是在圖上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)點，temp是從單片機傳來的溫濕度數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，具體的移動曲線可由CHistogram類中函數(shù)實現(xiàn)。

　　4 結(jié)論

　　經(jīng)測試，在發(fā)射接收模塊沒加天線的情況下，無線發(fā)射接收模塊在大多數(shù)情況下的數(shù)據(jù)傳輸距離在200 m左右，發(fā)射頭發(fā)射功率、接收頭接收靈敏度等因素可能會影響傳輸距離，若外加天線，則會大大增加傳輸距離。另外，在調(diào)試過程中，振蕩電阻必須匹配，否則接收距離會變短甚至無法接收。

　　本系統(tǒng)的數(shù)字信號由單片機采樣，基于DHT11的數(shù)字溫濕度傳感器構(gòu)成的實時監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強、電路簡單等諸多優(yōu)點。然后利用單片機與PC機的通信可將數(shù)據(jù)送到PC機進行數(shù)據(jù)的存儲、后期處理與顯示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能強大、顯示直觀、界面友好、性價比高，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖及智能家居等諸多領(lǐng)域。

　　二、基于FPGA的數(shù)字示波器設(shè)計

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對信號的測量技術(shù)要求越來越高，示波器的使用越來越廣泛。模擬示波器使用前需要進行校正，使用比較麻煩；而數(shù)字示波器，由于受核心控制芯片的影響，對輸入信號的頻率有嚴(yán)格的限制?；贔PGA的數(shù)字示波器，其核心芯片可達到50萬門，配合高速外圍電路，可以測量頻率為1 MHz的信號，有效地克服了以往示波器的不足。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計

　　設(shè)計的數(shù)字示波器系統(tǒng)主要使用了Xilinx系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并在此環(huán)境內(nèi)部建立了AD采樣控制模塊、鍵盤控制模塊、VGA顯示模塊等多個模塊，從很大程度上減少了硬件電路的搭建，也因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　另外，設(shè)計使用XPS將32位的MicroBlaze微處理器嵌入到了FPGA中，實現(xiàn)了可編程片的嵌入以及在可編程片上的系統(tǒng)設(shè)計。MieroBlaze通過LBM總線訪問片上的存儲模塊BlockRAM，然后通過OPB總線上掛接外設(shè)進行接口連接和驅(qū)動。

　　VGA顯示部分采用雙緩沖機制進行工作，在FPGA內(nèi)部建立RAM，按照一定時序降RAM內(nèi)的緩存數(shù)據(jù)映射到VGA顯示屏上。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 信號調(diào)理電路模塊

　　信號調(diào)理電路模塊，對輸入的模擬信號進行處理，由于輸入電壓幅度為-2.5～+2.5 V之間，而后一級的AD模塊采用了12位的高速A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS804，只能對0～2 V的電壓進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，故需要將輸入電壓先抬升為0～5 V，在應(yīng)用運算放大器進行比例縮小，達到0～2 V的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。

　　2.2 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　A／D轉(zhuǎn)換模塊采用存儲采樣數(shù)據(jù)的并行數(shù)據(jù)處理方法，這樣可以使硬件電路得到最大程度的簡化，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AD部分的采樣，選用實時采樣技術(shù)。能夠捕獲到單個信號。采樣速率為10 MHz，即在最高頻率1 MHz時，實時采樣可以在每周期采10個點以保證取到一個完整的信號波形。

　　2.3 觸發(fā)電路模塊

　　觸發(fā)電路模塊屬于外觸發(fā)，對模擬信號實現(xiàn)任意電平觸發(fā)，該模塊采用電壓比較器來實現(xiàn)單次觸發(fā)。

　　2.4 存儲模塊

　　存儲模塊包括內(nèi)存儲和外存儲兩部分，使用外部電路進行搭建的為外存儲，內(nèi)存儲在軟件部分進行說明。

　　外部非易失性存儲器模塊采用存儲容量為16 KB的E2PROM芯片24C128，該芯片作為手動存儲的存儲介質(zhì)，從而實現(xiàn)掉電不丟失的設(shè)計目的。

　　2.5 VGA顯示模塊

　　VGA顯示模塊是建于FPGA內(nèi)的雙緩沖機制，由嵌入的MicroBlaze軟核進行控制，能夠進行多個頁面間的切換。另外，每個界面，可以實現(xiàn)中文信息、彩色通道和所測輸入波形的顯示，并可控制顯示內(nèi)容的顯示顏色。

　　2.6 鍵盤模塊

　　4×4矩陣鍵盤模塊實現(xiàn)人機交互。

　　通過鍵盤，可以對示波器的數(shù)字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移等功能進行選擇。

　　3 基于FPGA的軟件設(shè)計

　　FPGA的硬件主要包括：觸發(fā)電路模塊、數(shù)字信號發(fā)生模塊、存儲模塊、鍵盤模塊、VGA顯示模塊等5個部分，軟件流程圖如圖2所示。

　　3.1 觸發(fā)電路程序

　　AD采樣啟動后，將從AD進來的數(shù)據(jù)與觸發(fā)字進行比較，當(dāng)滿足設(shè)定條件時，會產(chǎn)生觸發(fā)信號，此信號送到RAM控制器端。通過對外部觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)信號與內(nèi)部的兩路數(shù)字信號進行觸發(fā)的選擇后，RAM控制器得到觸發(fā)后將采樣數(shù)據(jù)寫入到RAM中。當(dāng)RAM在進行寫數(shù)據(jù)過程中觸發(fā)信號是被抑制的；當(dāng)RAM達到預(yù)觸發(fā)深度時，釋放觸發(fā)信號，等待下一次觸發(fā)的到來。

　　3.2 數(shù)竽信號發(fā)生程序

　　利用DDS的原理，在FPGA內(nèi)部生成一個信號發(fā)生器。主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和比較器3部分。具體做法為：使用一個表示信號平均值的數(shù)據(jù)與AD采樣得來的數(shù)據(jù)進行比較得到同頻同相的A路信號，再經(jīng)由A信號觸發(fā)計數(shù)器，經(jīng)過合理設(shè)置計數(shù)脈沖，得到有45°延時，占空比25％的B路信號。最后對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度輸出。

　　表示信號平均值的數(shù)據(jù)由MicroBlaze測量信號提供。

　　3.3 存儲程序

　　存儲模塊分RAM存儲和FLASH存儲RAM存儲使用一個雙口RAM，寫和讀分開，波形數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時送進RAM，存儲了1 024個點，其中前560組送住VGA顯示。

　　FLASH存儲完成掉電不丟失的存儲目的。20世紀(jì)使用開發(fā)板上的一塊型號為AM29LV160DB的FLASH存儲器，當(dāng)按下存儲健后，F(xiàn)LASH把RAM中的數(shù)據(jù)寫到FLASH中，根據(jù)資料中的讀寫時序圖，使用狀態(tài)機實現(xiàn)這個過程，當(dāng)按下回顯的按鍵時將FLASH中的數(shù)據(jù)讀回圖像顯示RAM，再顯示出來。

　　3.4 鍵盤程序

　　鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，使用FPGA進行掃描控制，實現(xiàn)人機交互。

　　鍵盤子程序主要包括數(shù)字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移、垂直靈敏度檔位設(shè)置，掃描速度檔位設(shè)置等功能與按鍵的對應(yīng)。

　　3.4.1 顯示分辨率分析

　　垂直方向劃分為10 div，設(shè)置3檔垂直靈敏度：1 000 mV／div，100 mV／div和10 V／div，即每div可代表1 000 mV，100 mV和10 mV。

　　A／D轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號輸入端的輸入信號電壓為0～2 V，當(dāng)示波器滿刻度顯示時，被測信號的幅度將分別為：V11=1 V／div×10 div=10 V，V12=0.1 V／div×10 div=1 V，V13=10 mv／div×10 div=100 mV。A／D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入值為Vmax=2 V，程控放大器電路的增益AN=Vmax／VIn，其中N=1，2，3，對應(yīng)于3檔不同垂直靈敏度的增益分別為：A1=2／10=0.2；A2=2／1=2；A3=2／0.1=20。

　　A／D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入值為Vmax=5 V《10 V，將AD采樣的值和數(shù)字信號的值據(jù)當(dāng)前檔位進行計數(shù)存儲，即1μs／div時每10個點保存一個，1 ms，／div時每10 000個點保存一個，1 s／div時每采樣10 000 000個點保存一個。

　　3.4.2 掃描速率分析

　　A／D的轉(zhuǎn)換速率取決于被測信號的頻率范圍，或DSO對掃描速度的要求，設(shè)計掃描速度含1 ms／div，1μs，／div，1 s／div三檔，通過FPGA內(nèi)部建立分頻電路實現(xiàn)了最高采樣率16 MS／s，每10倍頻步進，共六檔，增加了該示波器的實用性。水平顯示分辨率為64點／div，以保證顯示波形清晰穩(wěn)定。

　　3.5 VGA顯示部分

　　VGA顯示模塊使用雙緩沖機制，軟核MicroBlaze通過讀寫顯存來控制VGA顯示。VGA顯示可顯示3種顏色，利用了SOPC的優(yōu)勢。GRAM位寬32b，大大提高了FPGA刷屏的速度。vga_dn與GRAM對內(nèi)嵌的MCU設(shè)計成為BlackBox，MCU只需向相應(yīng)地址發(fā)送合適數(shù)據(jù)即可顯示想要的波形。本設(shè)計主要實現(xiàn)了的顯示為：底色，漢字，示波器的顯示框，波形數(shù)據(jù)。通過取字摸的方式，可在顯示屏上顯示中文信息。當(dāng)部分的數(shù)據(jù)進行綜合時，這幾部分的數(shù)據(jù)各自有不同的優(yōu)先級，當(dāng)多部分重疊時，根據(jù)優(yōu)先級顯示出來。

　　4 總體效果

　　圖3為同時顯示2個數(shù)字通道和1個模擬通道的界面，通道1（CH1）為模擬通道，通道2（CH2）和通道3（CH3）為數(shù)字通道，輸入信號為一正弦波，峰一峰值為1.2 V，通道2，設(shè)定輸入信號信號電壓大于0為高電平，反之為低電平，故通道2為占空比為50％的矩形波。通道3設(shè)定輸入信號大于3.3 V為高電平，反之為低電平，故在本圖上通道3為占空比約為25％的矩形波。由圖可知觀察值與計算值相符。

　　5 結(jié)語

　　設(shè)計實現(xiàn)了一款基于FPGA的VGA顯示的多通道數(shù)字存儲示波器。FPGA的高速性比其他控制芯片更適合于高速數(shù)據(jù)的采集和處理，另外FPGA內(nèi)部存儲模塊在完成輸入信號的量化存儲速度上有著外接RAM無法比擬的優(yōu)勢。通過測試，設(shè)計系統(tǒng)比較好地完成了各項設(shè)計要求。

　　三、單片機與模糊控制的溫控儀設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘要：溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中，常常是表征對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)，其控制具有非線性、時滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達不到好的控制效果。設(shè)計一種以單片機MSP430F149為系統(tǒng)的核心部件，并將模糊控制算法應(yīng)用到其中的溫控儀上，溫度控制范圍為常溫0～100℃，設(shè)定溫度值與測量溫度值實時顯示，控制精度可達±0．5℃。該系統(tǒng)采用恒瀧供電，電路較簡單，成本低，溫度控制精度高，可以廣泛應(yīng)用于需要進行恒溫控制的生產(chǎn)和生活中。

　　0 引言

　　溫度控制對于工業(yè)和日常生活等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，很多應(yīng)用領(lǐng)域，需要精度較高的恒溫控制，由于其控制具有非線性、時滯性和不確定性，用傳統(tǒng)的控制達不到好的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，其魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，所以特別適合于0～100℃溫度的精確控制。

　　MSP430系列單片機是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機。MSP430F149單片機采用了精簡指令（RISC），具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125 ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。MSP430F149單片機具有10位／12位ADC、16位Sigma-Delta A／D、直接尋址模塊（DMA）、端口1～6、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出A／D轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機，可以省去A／D等硬件電路，使其成本降低，可靠性大大增強。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，溫度測量由鉑電阻恒流調(diào)理電路完成，調(diào)理電路的輸出電壓送入單片機，在單片機內(nèi)部實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并對采樣數(shù)據(jù)進行濾波及標(biāo)度變換處理，溫度值由3位數(shù)碼管顯示。輸入的溫度設(shè)定值由4位獨立式鍵盤電路進行，設(shè)定值送入單片機后，由另一個3位數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

　　2 主要硬件電路設(shè)計

　　2．1 鉑電阻測溫調(diào)理電路

　　在本系統(tǒng)中，實際溫度值由鉑電阻恒流工作調(diào)理電路進行測量。為了克服鉑電阻的非線性特點，在信號調(diào)理電路中加入負(fù)反饋非線性矯正網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，鉑電阻選用標(biāo)稱值為100Ω的RT100作為溫度傳感器。A1，A2和A3采用低溫漂運放OP07，由于有電流流經(jīng)鉑電阻傳感器，所以當(dāng)溫度為0℃時，在鉑電阻傳感器上有壓降，這個電壓為鉑電阻傳感器的偏置電壓，是運放A1輸出電壓的一部分，使恒流工作調(diào)理電路的輸出實際不為0，所以需要對這個偏置電壓調(diào)零，圖中R3為調(diào)零電阻。圖中運放A3及電阻R1，R4和R6構(gòu)成負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。R5用于調(diào)整運放A2的增益。

　　2．2 溫度控制電路

　　系統(tǒng)加熱絲與風(fēng)扇均采用圖3所示電路形式。電路采用了晶體管驅(qū)動的直流電磁繼電器。當(dāng)單片機的P5．4為低電平時，繼電器RL1吸合，當(dāng)P5．4為高電平時，繼電器RL1釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機受控復(fù)位時不吸合。繼電器由晶體管2N222A驅(qū)動，可以提供所需的驅(qū)動電流。

　　3 模糊控制規(guī)則表及軟件流程圖

　　3．1 建立模糊控制規(guī)則表

　　采用溫度誤差E和溫度誤差變化率Ec作為模糊控制器的輸入變量，溫度控制量U作為模糊控制器的輸出變量。系統(tǒng)中溫度誤差E、溫度誤差變化率Ec和溫度控制量U（單位：℃）的基本域分別為［-5，+5］，［-2，+2］和［0，1］。輸入語言變量的語言值取7個，輸出控制量用于控制繼電器驅(qū)動電路。將占空比模糊控制量設(shè)定為0，1／4，1／2，3／4，1五個單點模糊量和1個控制風(fēng)扇吹風(fēng)的單點模糊量。輸出語言變量的語言值取6個。當(dāng)U=0時，單片機P3．5口置低電平，使風(fēng)扇控制電路工作；當(dāng)U=1時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個周期內(nèi)全關(guān)斷；當(dāng)U=2時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1／4個周期內(nèi)接通，在3／4個周期內(nèi)關(guān)斷；當(dāng)U=5時，加熱絲控制電路工作，且繼電器在1個周期內(nèi)全接通。本控制系統(tǒng)選用三角函數(shù)、升半梯形函數(shù)與降半梯形函數(shù)作為輸入量語言值的隸屬函數(shù)，用脈沖函數(shù)作為輸出量語言值的隸屬函數(shù)。模糊控制規(guī)則如表1所示。

　　由模糊規(guī)則進行推理可以得出模糊控制器語言規(guī)則的輸入輸出關(guān)系，其關(guān)系是一個非線性的關(guān)系曲面。當(dāng)偏差較大時，控制量的變化應(yīng)盡力使偏差迅速減小；當(dāng)偏差較小時，除了要消除偏差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過沖，甚至引起系統(tǒng)振蕩。

　　3．2 軟件流程圖

　　主程序軟件流程如圖4所示。

　　溫度采集和顯示、鍵盤處理等在編程時作為相對獨立的功能模塊來實現(xiàn)，并自主程序運行中按照設(shè)定的流程來調(diào)用，完成相應(yīng)的任務(wù)后再返回主程序即可。

　　4 仿真分析

　　在Proteus仿真軟件中加入編譯后的HEX文件，使用分析圖表分析系統(tǒng)分析加熱器控制信號與風(fēng)扇控制信號輸出端口的占空比。當(dāng)輸入電壓為2．7 V時，系統(tǒng)的輸出顯示實際溫度為54℃，系統(tǒng)的設(shè)定溫度為55℃，此時P5．4輸出占空比為2：1的加熱器控制信號；而當(dāng)系統(tǒng)的實際溫度大于設(shè)定溫度時，系統(tǒng)輸出適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇控制信號以恒定的功率散熱，說明滿足設(shè)計要求。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)采用低功耗MSP430系列單片機作為控制核心，整個控制電路較簡單，用模糊控制算法設(shè)計程序，設(shè)定溫度值與測量溫度值實時顯示，控制精度可達±0．5℃，在實際生產(chǎn)和生活中具有廣泛的實用性。

　　四、3軸加速度計全功能計步器參考設(shè)計

　　簡介

　　計步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計利用加重的機械開關(guān)檢測步伐，并帶有一個簡單的計數(shù)器。晃動這些裝置時，可以聽到有一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊。

　　如今，先進的計步器利用MEMS（微機電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來精確檢測真實的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點，因此越來越多的便攜式消費電子設(shè)備開始集成計步器功能，如音樂播放器和手機等。ADI公司的3軸加速度計ADXL335， ADXL345和 ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應(yīng)用。

　　本文以對步伐特征的研究為基礎(chǔ)，描述一個采用3軸加速度計ADXL345的全功能計步器參考設(shè)計，它能辨別并計數(shù)步伐，測量距離、速度甚至所消耗的卡路里。

　　ADXL345專有的（正在申請專利）片內(nèi)32級先進先出（FIFO）緩沖器可以存儲數(shù)據(jù)，并執(zhí)行計步器應(yīng)用的相關(guān)操作，從而最大程度地減少主處理器干預(yù)，為便攜式設(shè)備節(jié)省寶貴的系統(tǒng)功率。其13位分辨率（4 mg/LSB）甚至允許計步器以合理的精度測量超低速步行（每步加速度變化約55 mg）。

　　了解模型

　　在可用于分析跑步或步行的特征當(dāng)中，我們選擇“加速度”作為相關(guān)參數(shù)。個體（及其相關(guān)軸）的運動包括三個分量，分別是前向（“滾動”）、豎向（“偏航”）和側(cè)向（“俯仰”），如圖1所示。ADXL345檢測其三個軸——x、y和z上的加速度。計步器處于未知方向，因此測量精度不應(yīng)嚴(yán)重依賴于運動軸與加速度計測量軸之間的關(guān)系。

　　圖1. 各軸的定義

　　讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個步伐，我們將其定義為單位步行周期，圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關(guān)系。

　　圖2. 步行階段與加速度模式

　　圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側(cè)向加速度相對應(yīng)的x、y和z軸測量結(jié)果的典型圖樣。無論如何穿戴計步器，總有至少一個軸具有相對較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對所有三個軸上的加速度的動態(tài)閾值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關(guān)重要。

　　圖3. 從一名跑步者測得的x、y和z軸加速度的典型圖樣

　　算法

　　步伐參數(shù)

　　數(shù)字濾波器：首先，為使圖3所示的信號波形變得平滑，需要一個數(shù)字濾波器?？梢允褂盟膫€寄存器和一個求和單元，如圖4所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時間會變慢。

　　圖4. 數(shù)字濾波器

　　圖5顯示了來自一名步行者所戴計步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對于跑步者，峰峰值會更高。

　　圖5. 最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)

　　動態(tài)閾值和動態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值（Max + Min）/2稱為“動態(tài)閾值”。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。除動態(tài)閾值外，還利用動態(tài)精度來執(zhí)行進一步濾波，如圖6所示。

　　圖6. 動態(tài)閾值和動態(tài)精度

　　利用一個線性移位寄存器和動態(tài)閾值判斷個體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱為sample_new和sample_old。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來時，sample_new無條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則最新的采樣結(jié)果sample_result移入sample_new寄存器，否則sample_new寄存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結(jié)果更加精確。

　　步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時，加速度曲線的斜率為負(fù)值（sample_new 《 sample_old）。 。

　　峰值檢測：步伐計數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個軸計算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計數(shù)器將忽略。

　　步伐計數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時顯得太敏感。當(dāng)計步器因為步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常緩慢地振動時，步伐計數(shù)器也會認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動。利用“時間窗口”和“計數(shù)規(guī)則”可以解決這個問題。

　　“時間窗口”用于排除無效振動。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口［0.2 s - 2.0 s］之內(nèi)，時間間隔超出該時間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。

　　ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實現(xiàn)時間窗口。表1列出了TA = 25°C， VS = 2.5 V， and VDD I/O = 1.8 V時的可配置數(shù)據(jù)速率（以及功耗）。

　　表1. 數(shù)據(jù)速率和功耗

　　此算法使用50 Hz數(shù)據(jù)速率（20 ms）。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時間在有效窗口之內(nèi)；否則，時間間隔在時間窗口之外，步伐無效。

　　“計數(shù)規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個節(jié)奏模式的一部分。步伐計數(shù)器有兩個工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計數(shù)器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設(shè)經(jīng)過四個連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則（in regulation），那么步伐計數(shù)器就會刷新和顯示結(jié)果，并進入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時，每經(jīng)過一個有效步伐，步伐計數(shù)器就會更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個無效步伐，步伐計數(shù)器就會返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個連續(xù)有效步伐。

　　圖7顯示了步伐參數(shù)的算法流程圖。

　　圖7. 步伐參數(shù)算法流程圖

　　距離參數(shù)

　　根據(jù)上述算法計算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)。

　　距離 = 步數(shù) × 每步距離 （1）

　　每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會較長。參考設(shè)計每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計數(shù)到的步數(shù)判斷當(dāng)前跨步長度。表2顯示了用于判斷當(dāng)前跨步長度的實驗數(shù)據(jù)。

　　表2. 跨步長度與速度（每2秒步數(shù)）和身高的關(guān)系

　　2秒的時間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。以50 Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應(yīng)的指令。處理器利用一個名為m_nLastPedometer的變量記錄每個2秒間隔開始時的步數(shù)，并利用一個名為m_nPedometerValue的變量記錄每個2秒間隔結(jié)束時的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。

　　雖然數(shù)據(jù)速率為50 Hz，但ADXL345的片內(nèi)FIFO使得處理器無需每20 ms讀取一次數(shù)據(jù)，極大地減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測量數(shù)據(jù)存儲在FIFO中。當(dāng)FIFO中的采樣數(shù)與FIFO_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定的數(shù)量相等時，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結(jié)果即可保證實時顯示，從而處理器只需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解決方案沒有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開討論。

　　速度參數(shù)

　　速度 = 距離/時間，而每2秒步數(shù)和跨步長度均可根據(jù)上述算法計算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。

　　速度 = 每2秒步數(shù) × 跨步/2 s（2）

　　卡路里參數(shù)

　　我們無法精確計算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強度、運動水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進行估計。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系。

　　表3. 卡路里消耗與跑步速度的關(guān)系

　　由表3可以得到公式（3）。

　　卡路里（C/kg/h） = 1.25 × 跑步速度（km/h） （3）

　　以上所用的速度參數(shù)單位為m/s，將km/h轉(zhuǎn)換為m/s可得公式4。

　　卡路里（C/kg/h） = 1.25 × 速度（m/s） × 3600/1000 （4）

　　卡路里參數(shù)隨同距離和速度參數(shù)每2秒更新一次。為了考慮運動者的體重，我們可以將公式4轉(zhuǎn)換為公式5。體重（kg）為用戶輸入量，一個小時等于1800個2秒間隔。

　　卡路里（C/2 s） = 4.5 × 速度 × 體重/1800（5）

　　如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數(shù)和距離將不變化，速度應(yīng)為0，此時的卡路里消耗可以利用公式6計算（休息時的卡路里消耗約為1 C/kg/h）。

　　卡路里（C/2 s） = 1 × 體重/1800 （6）

　　最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。

　　硬件連接

　　ADXL345易于連接到任何使用I2C?或SPI數(shù)字通信協(xié)議的處理器。圖8給出了演示設(shè)備的原理示意圖，它采用3V電池供電。ADXL345的/CS引腳連接到板上的VS，以選擇I2C模式。利用一個低成本精密模擬微控制器ADuC7024從ADXL345讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行算法，并通過UART將結(jié)果發(fā)送至PC。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)和時鐘引腳，從ADXL345連接到ADuC7024的對應(yīng)引腳。ADXL345的兩個中斷引腳連接到ADuC7024的IRQ輸入，以產(chǎn)生各種中斷信號并喚醒處理器。

　　圖8. 硬件系統(tǒng)的原理示意圖

　　用戶界面

　　用戶界面顯示測試數(shù)據(jù)，并對操作員的指令做出響應(yīng)。用戶界面（UI）運行之后，串行端口應(yīng)打開，通信鏈路應(yīng)啟動，隨后演示程序?qū)⒊掷m(xù)運行。圖9顯示了用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況。用戶可以輸入其體重和身高數(shù)據(jù)，距離、速度和卡路里參數(shù)將根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行計算。

　　圖9. 用戶佩戴計步器步行或跑步時的測試情況

　　結(jié)論

　　ADXL345是一款出色的加速度計，非常適合計步器應(yīng)用。它具有小巧纖薄的特點，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開發(fā)的計步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費電子設(shè)備中。它在測量模式下的功耗僅40 μA，待機模式下為0.1 μA，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器的負(fù)荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數(shù)據(jù)速率進行定時，從而取代處理器中的定時器。13位分辨率可以檢測非常小的峰峰值變化，為開發(fā)高精度計步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結(jié)合上述算法，用戶可以將計步器戴在身上幾乎任何部位。

　　幾點建議：如果應(yīng)用對成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計更適合，建議使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計，提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關(guān)重要，建議使用ADXL346，這款低功耗器件的內(nèi)置功能甚至比ADXL345還多，采用小巧纖薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封裝，電源電壓范圍為1.7 V至2.75 V。