基于红外传输的多点温度采集系统

今天分享的是基于红外通信的多点温度采集系统。先简单说一下要实现的功能：使用三个温度传感器采集三路温度信号，然后将采集的信号通过红外的方式发射出去，主机接收红外信号并解码，将温度信息在上位机上面显示出来。

今天我们主要讲解的是前面部分，也就是采集温度和红外传输，关于上位机的内容，需要单独花一篇来讲，将在下一篇里介绍。

本项目使用到的器件：ds18b20温度传感器，红外发射管和接收管，单片机（51和stm32都可以）。在本次实验中，因为单片机数量有限，所以采用了一个做主机，另外两个做从机，共三个单片机。Stm32采集两路温度信息，51采集第三路温度信息，然后在另一块51上面接收，当然，这个是比较随意的，只要搞清楚里面的核心原理，用什么单片机，采集几路信号，这些都不是问题。

好了，废话不多说，接下来我们逐一介绍几个部分。

一、温度采集部分

温度采集部分我们用的是常见的DS18B20芯片，DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

关于这块芯片详细的工作原理什么的，这里就不多介绍了，我们只需要关心怎么使用，怎么通过它来获取温度就好了。DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，前5个位为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。温度为正时读取方法为：将16进制数转换成10进制即可。温度为负时读取方法为：将16进制取反后加1，再转换成10进制即可。例：0550H = +85 度，FC90H = -55 度。

1、接线

这块芯片的接线很简单，一个VCC,一个GND，一个dat数据线，这个数据线可以连上单片机任意的一个IO口。

2、控制方法

控制方法主要涉及到传感器的初始化工作，如何读取寄存器，如何写入寄存器，其他的也就没什么了。

a)初始化工作

（1） 先将数据线置高电平“1”。

（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）

（3） 数据线拉到低电平“0”。

（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。

（5） 数据线拉到高电平“1”。

（6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60微秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。

（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。

（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。

图一：初始化（复位）时序

简单的说就是主机首先发出一个480us~960us的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480us时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。

做为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480-960us的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待15-60us后将总线电平拉低60us~240us做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。若没有检测到就一直在检测等待。

b)写操作

（1） 数据线先置低电平“0”。

（2） 延时确定的时间为15微秒。

（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。

（4） 延时时间为45微秒。

（5） 将数据线拉到高电平。

（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。

（7） 最后将数据线拉高。

图二：写时序

写时序包含了两种写时序：写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us,且每个写时序之间至少需要1us的恢复时间。

主机产生0时序：DQ line 拉低，延时60us，然后释放总线为高电平，延时2us。

主机产生1时序：DQ line 拉低，延时2us，然后释放总线为高电平，延时60us

做为从机的DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15us然后从15us到60us开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。

c)读操作

（1）将数据线拉高“1”。

（2）延时2微秒。

（3）将数据线拉低“0”。

（4）延时3微秒。

（5）将数据线拉高“1”。

（6）延时5微秒。

（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。

（8）延时60微秒。

图三：读时序

单总线期间仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。

对于读数据时序也分为读0时序和读1时序。所有读时序至少需要60us才能完成，且2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线数据。典型的读时序过程为：主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时 50us。

以上都是一些具体的操作，那么一个完整的操作流程是怎么样的呢？DS18B20的典型温度读取过程：

复位 → 发 SKIP ROM 命令（0XCC）→ 发开始转换命令（0X44） → 延时 → 复位 → 发送 SKIP ROM 命令（0XCC） → 发读存储器命令（0XBE）→ 连续读出两个字节数据(即温度) → 结束。

以上就是温度传感器的操作，总的来说，并不是很难，最重要的就是要注意它的时序问题，也就是说里面的延时必须是很准确的，如果延时不准确很可能导致芯片的初始化失败。其实红外也是对时间有比较严格的要求，所以，接下来我们就来介绍红外部分。

二、红外发射部分

红外分为发射和接收部分，这里先介绍一下红外发射。

通常红外发射为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，红外遥控器常用载波的方式传送二进制编码，常用的载波频率为38kHz。也有一些遥控系统采用36kHz、40 kHz、56 kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。所以，通常的红外遥控器是将遥控信号（二进制脉冲码）调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的。

二进制脉冲码的形式有多种，其中最为常用的是NECProtocol 的 PWM码(脉冲宽度调制)和 Philips RC-5 Protocol 的 PPM码(脉冲位置调制码，脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制)。如果要开发红外接收设备，一定要知道红外遥控器的编码方式和载波频率，我们才可以选取一体化红外接收头和制定解码方案。这里使用的是NEC协议。

NEC协议的特征如下：

1、 8 位地址和 8 位指令长度；

2、地址和命令 2 次传输（确保可靠性）

3、 PWM 脉冲位置调制，以发射红外载波的占空比代表“ 0”和“ 1”；

4、载波频率为 38Khz；

5、位时间为 1.125ms 或 2.25ms；

NEC码的位定义：

一个脉冲对应 560us 的连续载波，一个逻辑 1 传输需要 2.25ms（ 560us脉冲+1680us低电平），一个逻辑 0 的传输需要 1.125ms（560us 脉冲+560us 低电平）。而红外接收头在收到脉冲的时候为低电平，在没有脉冲的时候为高电平，这样，我们在接收头端收到的信号为：逻辑 1 应该是 560us 低+1680us高，逻辑 0 应该是 560us 低+560us 高。所以可以通过计算高电平时间判断接收到的数据是0还是1。

NEC码位定义时序图如图

NEC遥控指令的数据格式为：引导码、地址码、地址反码、控制码、控制反码。引导码由一个 9ms 的低电平和一个 4.5ms 的高电平组成，地址码、地址反码、控制码、控制反码均是8 位数据格式。按照低位在前，高位在后的顺序发送。采用反码是为了增加传输的可靠性（可用于校验）。数据格式如下：

NEC码还规定了连发码(由9ms 低电平+2.5m 高电平+0.56ms低电平+97.94ms 高电平组成)，如果在一帧数据发送完毕之后，红外遥控器按键仍然没有放开，则发射连发码，可以通过统计连发码的次数来标记按键按下的长短或次数。

以上是关于红外发射的具体说明，简单来说就是这样：

首先要发射一段引导码，这段引导码的作用就是告诉接收端这是一帧数据的开始，这段引导码在接收端看来是9ms的低电平加上4.5ms的高电平，然后再发射接下来的4个字节，这4个字节分别是地址码，地址反码，控制码，控制反码。地址码是用来区分不同的红外设备的，因为有可能会使用不同的红外设备来遥控，所以要有一个唯一的标志。控制码就是真正的数据部分，就是你想要发送什么数据，然后接收端收到这个数据之后就执行相应的操作。发送反码是为了增强可靠性，用于数据校验。

那么对于具体的发射来说，如果想要发射低电平，并不是直接输出低电平，而是输出一段脉冲，这段脉冲的频率是38khz，如果想要发射高电平，就直接输出高电平就好了，因为在接收端看来，收到脉冲就认为是低电平，否则就认为是高电平。最后就是要注意以下时间，不管是“1”还是“0”，低电平的时间都是一样的，靠高电平时间来区分0和1，不过这个是在接收时要重点考虑的。

那么，应该如何编写代码？

因为要产生一个固定频率的载波，所以采用定时器中断的方法，38khz频率对应的时间周期就是26us，半周期就是13us，也是就是说要设置一个定时器，每13us产生一次中断，然后在中断函数中翻转电平，产生脉冲，但因为有时候不是要产生脉冲，所以加上一个标志，用来控制是否产生脉冲。

首先是发射引导码，引导码由9ms的低电平加上4.5ms的高电平组成，所以，对于发射端来说，就是9ms的脉冲加上4.5ms高电平。定义一个变量，每次进入中断加1，然后在发射函数中使用while循环，将这个变量与另一个设置好的变量相比较，一直等到他们相等退出循环。代码如下：

中断服务函数：

void TIM4_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update))
    {
        led2=!led2;
        count++;
        if (flag==1)
        {
            OP=~OP;
        }
        else
        {
            OP = 0;
        }
        IR_OUT = OP;
    }
    TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update);  
}    

发射函数（截取部分）：

void SendIRdata(char p_irdata)
{
  int i;
  char irdata=p_irdata;
  //发送9ms的起始码
  endcount=t9000;
  flag=1;
  count=0;
  do{}while(count<endcount);

对于其他的也是和发射引导码类似的操作，这里就不多说了。

它的关键就在于产生准确的延时，这样才能产生固定频率的脉冲，然后我们通过一个变量计数就可以来控制时间。

我们可以看一下使用逻辑分析仪捕捉到的波形：

前面那一段比较长的脉冲就是引导码中的低电平。

三、红外接收部分

这一部分就是在接收端对红外信号进行解码的操作了。解码无非就是从收到的波形里面读取出它到底是0还是1，或者说携带的信息是什么。

实际上，我们根据上面的逻辑分析仪的波形，甚至可以自己手动解码，当自己根据波形可以手动解码之后，就说明对原理比较清楚了，这时候就可以编写程序，让单片机来为我们高效的工作。

根据前面的分析，1是0.56ms的低电平加上1.68ms的高电平，0是0.56ms的低电平加上0.56ms的高电平，所以，区分0和1只和高电平时间有关。上面的波形跳过引导码之后，解码出来就是

1100 0000 ， 0011 1111 ， 1000 0100 ， 0111 1011；

由于发射是从低位开始，所以左边是LSB，右边是MSB，所以第一个字节解码后其实是3，第二个字节是252，第三个字节是33，第四个字节是222。第三个字节才是用户的实际要发的有效数据，在这里是温度信息。

SendIRdata(temp,0x03,0xfc);

可以看到，解码后的数据就是原来发送的数据，说明我们数据传输是成功的。

上面是我们手动的依靠波形来解码，那么，如何编写程序来实现解码呢？

思路其实就是首先，要捕获引导码，因为引导码代表着一帧数据的开始，捕获完了引导码之后，就是正式的解码过程，无非就是判断是0还是1，而判断是0还是1的依据就是判断高电平的时间长度。

我们还是使用到了定时器资源，每隔一定时间进入中断。对于51单片机来说，可以用一个变量记录上一次管脚的电平状态，然后每次进入中断读取本次管脚的电平状态，如果上一次是1，这一次是0，就可以判断为产生了下降沿，反之就是上升沿。而对于stm32来说，带有输入捕获的功能，所以可以直接使用上升沿捕获计算时间长度。

因为要计算高电平的时间，所以采用捕获上升沿的方法，当捕获到上升沿的时候，开始计时，捕获到下降沿的时候，结束计时，根据计时的长度就知道是引导码，还是0，或者是1.

如果捕获到的第一个高电平的时间是4.5ms左右，则表示捕获到了引导码，接着判断下一次上升沿到来后的高电平时间，如果高电平时间太长或者太短，则表示接收的是干扰信号，应该舍弃这一帧数据。当捕获完了32位数据之后，告诉主程序已经捕获完了，这时主程序可以对数据进行判断或处理。

以下是接收时中断处理函数的流程图

至此，接收部分就完成了。

四、各模块间的整合

前面已经把温度采集，红外发射，红外接收做好了，现在就是要将这几部分整合在一起。

首先是要把温度采集得到的数据，提供给发射模块作为输入参数，然后在接收端观察数据的接收。

这里有一点是特别需要注意的，那就是在红外发射模块当中，使用到了一个定时器，这个定时器的定时时间是很短的，也就是说会频繁的进入中断，那么，将温度采集模块和红外发射模块结合的时候，就会因为频繁进入中断影响主程序的执行，使得温度传感器初始化失败，因为温度传感器对延时时间是有比较严格的要求的，本来是正常的延时时间，因为中断的打扰，延时时间明显加长，这就导致采集的温度是错误的。解决的方法就是在温度采集的时候，关闭定时器中断，等采集完温度之后再打开中断，这样就不会影响了。

整个项目最好使用模块化的编程思路，也就是每个模块都单独写一个.c文件，然后在头文件中声明，这样可以方便程序的移植。

我们可以暂时使用串口助手来观察接收的数据是否正常。

可以看到，接收端可以正常接收温度信息并显示。这里面有一个小细节，就是串口助手显示的是ASCII码值，也就是说，如果使用串口发送一个数字51，在串口助手上并不会显示51，而是显示3，具体的可以去查一下ASCII码表，因此，为了便于观察，应该先将要发送的数据进行转化和处理，这样才能在串口助手上正确显示要发送的信息。

五、总结

以上就是整个多点温度采集系统的讲解，另外，关于项目中的一些细节问题，在这里也一并总结一下：

1、温度传感器对时序要求还是挺严格的，所以要有比较准确的延时函数，对于stm32来说，可以使用SysTick定时器来产生延时，比较准确，而对于51来说，延时并不是那么好把控，有时候需要去实际测一下更好。

2、对于红外发射和接收来说，其实并没有那么多要求，上面所说的那些规则，只是大家约定的习惯而已，并没有一个标准，事实上，只要保证发射和接收相匹配，就能收到数据。而且对于接收端来说，在一个比较宽的频率范围内，收到的脉冲都将被认为是0，并没有要求一定是38khz，实测19khz也是正常接收。

3、巧妙的借助一些工具可以非常有利于我们对实验结果的分析。比如本次实验当中，逻辑分析仪就起了很重要的作用。刚开始的时候分析红外发射的时候，只需要借助keil软件里自带的逻辑分析仪就可以分析输出的管脚电平，当然这是理论计算得到的结果，与事实可能有一点点差别，但是差别不会太大。而在分析接收端的管脚电平的时候，就不得不使用真实的逻辑分析仪来观察了，这个没办法仿真。

4、将模块进行整合的时候，原本各个模块都能正常工作的，整合在一起却不能工作了，这时要分析它们之间是否有相互作用。比如在本次项目中的温度采集和发射模块，两个模块单独测量都是没有问题的，但是将温度采集后的数据送到发送端却出了问题，刚开始排查是否共用了什么资源，发现并没有，后来在经过大量实验之后发现这两部分确实都是正常的，那么只可能是一个对另一个产生了影响，后来终于发现原来是中断打扰了主程序的运行。

5、代码要养成及时备份的习惯，每写好一部分功能，就要保存起来，下次要修改或者添加功能的时候，先复制出一份出来，在复制的那一份上进行修改，这样可以防止把原来能用的程序修改坏了。

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