基于NRF905的無線多點溫度測量系統(tǒng)

陳敏，孟立凡，王華斌

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室 信息與通信工程學(xué)院 山西 太原 030051）

0 引言

目前許多場合都要對溫度進行監(jiān)測和控制。比如現(xiàn)代電力系統(tǒng)向著高電壓大機組、大容量的方向發(fā)展，對電力系統(tǒng)供電可靠性的要求越來越高，由于絕大多數(shù)的電力設(shè)備長期在高電壓、大電流和滿負荷的條件下運行，導(dǎo)致熱量集結(jié)加劇，如果不對溫度的變化采取有效的監(jiān)測措施，將會危及電力設(shè)備的安全運行[1-4]。

基于以上背景，本文提出了一種基于AT89C52單片機的數(shù)據(jù)采集及無線收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計方法。無線收發(fā)部分，采用挪威NordicVLSI公司推出的NRF905單片射頻收發(fā)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，使得數(shù)據(jù)采集更加具有實時性。

1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由少量的外部設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，以及供電電路組成。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊基于低功耗單片射頻收發(fā)芯片NRF905，采用ATMEL公司的8位通用微處理器AT89C52為主處理芯片,完成數(shù)據(jù)的處理和控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 溫度數(shù)據(jù)采集

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。64位光刻ROM是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。在多點測量的時候，需要讀取它相對應(yīng)的序列號，才能正確的讀取相應(yīng)的溫度[5]。

1.3 電源電路設(shè)計

由于NRF905需要3.3V的電壓供電，而市場上直接提供3V左右電壓的適配器價格比5V電壓的適配器貴，同時5V適配器種類較多，所以考慮電壓轉(zhuǎn)換。由于適配器輸出的電壓含有較多的雜質(zhì)成分，所以要有相應(yīng)的濾波電路。本課題我們采用ASM1117-3.3穩(wěn)壓模塊和一些簡單元器件組成的電路進行供電。

1.4 無線收發(fā)部分的設(shè)計

無線收發(fā)部分采用挪威NordicVLSI公司推出的nRF905單片射頻收發(fā)器，它可以自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼,可以很容易通過SPI接口進行編程配置。

NRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP三個引腳的設(shè)置來決定,見表1。工作模式?jīng)Q定了模塊的工作狀態(tài)，在發(fā)送和接收的時候需要設(shè)定好[6-7]。

表1 nRF905的工作模式

1.5 顯示電路設(shè)計

單片機的單低電平已經(jīng)可以控制數(shù)碼管的亮滅。但在動態(tài)顯示時，數(shù)碼管的亮度比較暗。并且即使掃描頻率很高，仍然有微小的閃動現(xiàn)象。這是因為單片機一般為+5V的TTL電平，點亮數(shù)碼管一般需要較大的電流。所以，我們需要將電源信號放大，即驅(qū)動。本設(shè)計采用三極管作為放大器件，它即可以起到放大電流的作用，又可以起到開關(guān)的作用,即某一時刻打開或關(guān)閉數(shù)碼管,形成動態(tài)顯示。接通電路實驗后發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管亮度適合，因此不需要接限流電阻。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 DS18B20編程

2.1.1 DS18B20初始化

DS18B20的初始化始于單片機發(fā)送一個復(fù)位脈沖，即單片機將總線拉低，持續(xù)480～960μs后將總線拉高，釋放總線進入接收狀態(tài)，之后DS18B20開始控制總線，在檢測到總線的上升沿之后，等待15～60μs，DS18B20發(fā)送存在脈沖，將總線拉低，持續(xù)60～240μs,在區(qū)間（60～240μs）區(qū)間內(nèi)釋放總線，然后由單片機控制總線進行延時操作，待DS18B20檢測到總線上升沿的480μs以后，初始化結(jié)束。

2.1.2 DS18B20的寫操作

單片機將總線拉低1μs后，就產(chǎn)生寫間隙，總線開始拉低的15μs內(nèi)單片機將所要寫的位送到總線上，DS18B20在之后的15～45μs內(nèi)對總線采樣，若為低電平，寫入的位是“0”；若為高電平，寫入的位是“1”，寫“0”操作過程完成的時間為60～120μs,寫“1”操作過程完成的時間為1μs-正無窮。單片機在將位送總線之后DS18B20控制總線時進行延時操作。寫操作程序流程圖見圖2。

2.1.3 DS18B20的讀操作

單片機將總線從高電平拉至低電平，只需保持1μs，之后的14μs內(nèi)將總線拉高，就產(chǎn)生讀間隙，DS18B20將要讀的位送到總線，單片機必須在產(chǎn)生間隙后，至讀操作開始的15μs內(nèi)完成讀位操作，然后進行延時，待整個讀操作時間>60μs且小于120μs時釋放總線。讀操作程序流程圖見圖3。

圖2 DS18B20寫操作程序流程圖

圖3 DS18B20讀操作程序流程圖

2.1.4 多點DS18B20讀取

1）由于多個DS18B20連接在同一個通信線上，所以它們的溫度值不能同時的讀取，必須先讀取DS18B20的序列號。對此，首先要對單個DS18B20給與讀序列號命令，讀取的序列號通過串口調(diào)試助手顯示，64位的序列號讀取之后，把這64位數(shù)據(jù)存入單片機的寄存器內(nèi)，作為依次掃描的序列號。

2）對于多個DS18B20，為了更加合理的分配時間，首先對所有的傳感器初始化并開始溫度轉(zhuǎn)換，然后依次掃描各個點的序列號，讀取溫度值，把溫度值依次的存在要發(fā)射的寄存器上等待發(fā)送。發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，進行新一輪的初始化和溫度轉(zhuǎn)換等操作。

2.2 NRF905編程

2.2.1 無線發(fā)射的程序設(shè)計

發(fā)送程序流程圖如圖4所示。

2.2.2 無線接收的程序設(shè)計

接收程序流程圖如圖5 所示。

圖4 發(fā)送程序流程圖

圖5 接收程序流程圖

2.2.3 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

1）當多點的溫度被讀取完之后，溫度數(shù)據(jù)被存儲在相應(yīng)的寄存器內(nèi)，然后，單片機通過SPI通信，把數(shù)據(jù)發(fā)送給NRF905的發(fā)射緩沖區(qū)；完成發(fā)射任務(wù)后，單片機進行下一輪的溫度采集。

2）另一邊的NRF905檢測到所設(shè)定的發(fā)射頻率所發(fā)出的信息，進行地址校正后，開始接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按順序存放在單片機的寄存器內(nèi)，用于數(shù)碼管顯示。由于數(shù)碼管顯示是用動態(tài)的掃描顯示，在時間的處理上，單片機的內(nèi)部程序的延時要恰當，否則會出現(xiàn)數(shù)碼管跳動顯示或者只顯示其中一個的情況。

3 實驗論證

本實驗用到5個DS18B20，為了驗證數(shù)據(jù)的正確性，首先將各個傳感器按順序進行編號。把5個傳感器放在一個恒溫箱內(nèi)（本實驗恒溫箱為20℃），另一邊的接收數(shù)據(jù)顯示的溫度都是同樣的溫度。這樣做的目的是保證整個系統(tǒng)的采集是正確的。用手捏住第一個傳感器，進過幾秒鐘之后，檢測接收數(shù)據(jù)，第一個的數(shù)據(jù)為32.5℃，明顯高于其他4個。接著放開手，用手捏住第二個傳感器，并以此類推，可以分別得到用手捏的溫度為33.0℃, 32.5℃,32℃, 32.5℃。由于手捏的時間和手溫不一定一致，會有一個很小的誤差，對于本設(shè)計來說，可以忽略。實驗證明，本系統(tǒng)是確實可行的。

[1]趙麗娟,邵欣,房世平.基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械制造,2006(01).

[2]徐姍姍，楊福寶.基CC1000的無線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].中國水運,2007,12(5):1-4.

[3]辛潔, 孫運強, 張倫.基于ATmega16和nRF2401的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試， 2009(4)：2-3.

[4]涂兵,肖洪祥.無線測溫在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用研究[J].電子測試，2008(7).

[5]DS18B20數(shù)據(jù)手冊 http://www.aterlin.com/upload/files/2008/10/20081017153504555.pdf.

[6]莢慶,王代華,張志杰.基于NRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國外電子元器件,2008(01).

[7]NRF905數(shù)據(jù)手冊http://wt.down.elecfans.com/dm/elec/nRF905%20CN.PDF.

[8]楊光松.基于NRF905的無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008 (22).