基于NRF2401的無線溫度傳感器的設(shè)計論文
摘要：為了解決傳統(tǒng)的溫度傳感器多點溫度測量時的繁雜的布線問題，設(shè)計了一種基于單片機(jī)技術(shù)和無線通訊技術(shù)的無線溫度傳感器。采用無線收發(fā)芯片NRF2401和數(shù)字溫度計DSl8820構(gòu)成硬件平臺，通過EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的傳輸，采用高增益天線使覆蓋區(qū)域達(dá)到200m范圍。
關(guān)鍵詞：NRF2401；DSl8820；無線溫度傳感器
為了解決傳統(tǒng)的溫度傳感器多點溫度測量時的繁雜的布線問題，從傳統(tǒng)的溫度傳感器人手，設(shè)計了一種基于單片機(jī)技術(shù)和無線通訊技術(shù)的無線溫度傳感器，本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)的實現(xiàn)。
1系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
1.1總體結(jié)構(gòu)框架
無線溫度傳感器的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要包括兩個部分：一是溫度采集電路，其作用是測量溫度并將測量到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)射給主機(jī)；另外一部分是溫度信息處理電路，其作用是收集所有的溫度信息，處理并顯示出這些信息，同時還可以將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上。
1.2數(shù)字溫度計DS18820
DS18820是一種分辨率可編程設(shè)置的單總線數(shù)字溫度計，它的測溫區(qū)間從-55℃～+125℃。溫度輸出位數(shù)從9bit～12bit，用戶可以通過程序來控制，將溫度轉(zhuǎn)化成12bit的'數(shù)字字節(jié)的最大耗時僅需750ms。每一片DSl8820都有唯一的64位序列碼，從而允許多片DS18820共存于同一根單總線上，因此用一塊單片機(jī)可以控制一片區(qū)域的溫度采集。DSl8820外觀和接口如圖1和圖2所示：
它有3個引腳，1腳為GND電源地；2腳為DQ數(shù)字信號輸入輸出引腳，DS18820通過1根數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)進(jìn)行雙向通訊；3腳為VDD外接供電電源輸入端。DS18820的供電方式有兩種：一種是通過數(shù)據(jù)線提供寄生電源，此時3腳接地；另一種是直接在VDD上提供電源，供電電壓范圍為3.0V～5.5V。
1.3單片機(jī)的選擇
本系統(tǒng)中在溫度采集電路和溫度信息處理電路中都需要用到單片機(jī)，而且單片機(jī)是做為系統(tǒng)控制核心。在溫度采集電路中對單片機(jī)的功耗要求較高而在信息處理電路中對單片機(jī)的處理速度有一定的要求。基于價格和電路設(shè)計方便的考慮，采用華邦W78E052，它的指令和引腳序列與MCS51兼容，編程簡單方便。它最大支持40MHz時鐘，供電電壓范圍寬（2.4V～5.5V），采用3.3V供電，它的10口可以很方便的與DSl8820和NRF2401直接連接。W78E052內(nèi)部包含2個外部中斷、3個定時計數(shù)中斷和看門狗計時器，用在本系統(tǒng)中具有相當(dāng)高的性價比。
1.4無線收發(fā)模塊
NRF2401是一款工作在2.4GHz～2.5GHz的集接收和發(fā)送于一體的單片無線通訊芯片。它的無線收發(fā)器由頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型模SchockBurstTM式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器等部分組成。可以通過SPI接口來設(shè)置協(xié)議、功率輸出和頻道選擇。它具有較低的電流消耗，供電電壓1.9V～3.6V。
2軟件的設(shè)計
2.1溫度采集
DSl8820是以12位輸出的，此時的測溫分辨率是0.0625。輸出的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，低4位為小數(shù)位，最高位為符號位。如果是正溫度，讀出的數(shù)據(jù)乘以0.0625便是當(dāng)前的溫度值；負(fù)溫度得轉(zhuǎn)化為正值再相乘。12位輸出的耗時是750ms，如果需要提高轉(zhuǎn)換速度，可以選擇減少輸出位數(shù)（如9位最大耗時僅約94ms），但是測溫精度有所下降。如果是單片的DSl8820工作，在啟動溫度轉(zhuǎn)換和度暫存存儲器操作命令時可以跳過64位ROM地址匹配。
2.2無線收發(fā)
NRF2401有4種工作模式，分別是收發(fā)模式，配置模式，空閑模式和關(guān)機(jī)模式，這四種模式可由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器和CE引腳決定。其中收發(fā)模式又有EnhancedShockBurstTM、ShockBurstTM和直接收發(fā)模式3種，收發(fā)模式由配置字來決定。使用EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式系統(tǒng)編程相對簡單，在這種模式下只需改變一個字節(jié)的內(nèi)容便可以實現(xiàn)接收和發(fā)送模式的切換，而且穩(wěn)定性較高。
2.3系統(tǒng)軟件框架
溫度采集模塊的主要工作是采集溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給溫度信息處理模塊，溫度采集模塊每2s采集并且發(fā)送一次。溫度信息處理模塊可以工作在兩種模式：單機(jī)模式和聯(lián)機(jī)模式，這兩種模式可以通過按鍵來設(shè)定。單機(jī)模式下，將各個溫度采集模塊上采集過來的溫度實時顯示出來，預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果某一處超過警界值，則啟動相應(yīng)的處理措施并發(fā)出報警。而在聯(lián)機(jī)模式下，模塊則將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)給上位機(jī)，并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的命令。
3結(jié)語
本系統(tǒng)的溫度測量誤差在±0.1℃以內(nèi)。用板載天線在空曠地的數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)40m，如果采用高增益天線可以將通訊距離增大到100m以上，這樣覆蓋區(qū)域可達(dá)到200m的范圍，從而避免了繁雜的布線的問題。如果要將通訊距離進(jìn)一步加大，可以在發(fā)射端增加功率放大器模塊，在接收端加低噪聲放大器模塊，這樣可以大大提升通訊距離。
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