一款無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)有線溫度采集技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)了一種低功耗多點(diǎn)無線溫度采集系統(tǒng)。對(duì)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對(duì)溫度采集系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。編程采用C語言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無線通信三部分。所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)具有測量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是最為常見、最為重要的物理工藝參數(shù)之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)中對(duì)溫度測量的要求也越來越高，測量數(shù)據(jù)的范圍也越來越大。溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器模塊的設(shè)計(jì)將直接影響著數(shù)據(jù)的測量效果，隨著測量要求的提高，傳感器模塊電路的復(fù)雜程度也會(huì)越來越高，無疑帶來布線的困難和效率的下降，同時(shí)存在著易短路，易老化等隱患，給系統(tǒng)的綜合調(diào)試和維護(hù)帶來難度。與傳統(tǒng)的有線通信技術(shù)相比，無線傳輸技術(shù)具有測量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文將傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無線溫度采集功能。

1 設(shè)計(jì)原理和方案

無線溫度采集系統(tǒng)是一種基于射頻技術(shù)的無線溫度檢測裝置。系統(tǒng)中由溫度傳感器將溫度采集后輸出的模擬信號(hào)逐步送往信號(hào)放大電路、低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器(即信號(hào)調(diào)理電路)，然后在單片機(jī)的控制下將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳送到無線收發(fā)芯片中，并通過芯片的調(diào)制處理后由芯片內(nèi)部的天線發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)模塊中，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制的無線收發(fā)芯片接收并解調(diào)，最后通過接口芯片發(fā)送到PC機(jī)中進(jìn)行顯示和處理。

?

?

系統(tǒng)包括無線采集、主機(jī)控制和PC機(jī)三個(gè)通信節(jié)點(diǎn)：無線采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度采集和溫度數(shù)據(jù)的收發(fā);主機(jī)控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡單通信控制和無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并可通過串口傳到上位機(jī);PC機(jī)節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)采集提供計(jì)算機(jī)通信方式，為實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大功能提供上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)定好的系統(tǒng)方案，進(jìn)行硬件電路的具體設(shè)計(jì)，由于主機(jī)和從機(jī)各模塊的硬件設(shè)計(jì)原理基本相同，而溫度采集和NRF905無線通信模塊都在從機(jī)部分，這里重點(diǎn)分析從機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

?

?

2.1 溫度采集

溫度采集模塊的主要功能是對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)字化，這里選用逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832芯片，該芯片具有8位分辨率，轉(zhuǎn)換范圍為0～5 V。由于數(shù)據(jù)的輸入和輸出不在同一時(shí)間進(jìn)行，所以DI和DO可以接到同一個(gè)引腳上。ADC0832使用SPI串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，電源電壓為+5 V，去耦電容C為0.1μF，硬件電路如圖3所示。

?

?

2.2 NRF905無線通信

無線通信模塊采用單片433/868/915 MHz無線收發(fā)器NRF905芯片。該芯片與單片機(jī)的接口為SPI口，調(diào)制采用GFSK高斯頻移鍵控方式，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。波段采用ISM免費(fèi)波段，供電電壓為1.9～3.6 V，選用3.3 V供電，器件選用AMS1117-3.3，發(fā)射功率最大為10 dBm，硬件電路如圖4所示。

?

?

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分完成后，下面進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，溫度采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括主程序、溫度采集和NRF905無線通信三部分。

3.1 主程序

程序開始后，先進(jìn)行初始化，然后等待控制命令，即按下所需的溫度采集節(jié)點(diǎn)號(hào)，然后調(diào)用人工控制程序，進(jìn)行相應(yīng)的通道切換，同時(shí)接收采集數(shù)據(jù)并調(diào)用LCD顯示程序?qū)⑵滹@示，并將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給中央單元，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

?

?

3.2 溫度采集

溫度采集可分為系統(tǒng)初始化、等待NRF905接收和接收主機(jī)命令三部分。結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，接收主機(jī)命令時(shí)，應(yīng)采用通道0(CH0)來進(jìn)行溫度采集，具體程序如下：

?

?

?

?

3.3 NRF905無線通信

NRF905無線通信分為發(fā)送和接收兩部分，以數(shù)據(jù)發(fā)送為例進(jìn)行分析。NRF905數(shù)據(jù)發(fā)送可以分為確定數(shù)據(jù)和地址、確定發(fā)送模式、數(shù)據(jù)發(fā)送和發(fā)送完成四步。當(dāng)有數(shù)據(jù)提出發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，從機(jī)地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序經(jīng)SPI接口傳送給NRF905，SPI接口的速率由器件引腳配置信息決定。同時(shí)，TRX_CE和TX_EN被置成高電平，激發(fā)NRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式，數(shù)據(jù)由NRF905不斷發(fā)送，直至TRX_CE被置低。TRX_CE被置低后，數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式等待下次數(shù)據(jù)請(qǐng)求，具體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

?

?

4 數(shù)據(jù)實(shí)測

數(shù)據(jù)測量時(shí)為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，選擇了五種不同溫度環(huán)境，首先在實(shí)驗(yàn)室搭建了溫度采集硬件電路，接著用KeiluVision4軟件編程和編譯得到[.hex]文件，最后用STC_ISP_V483軟件對(duì)芯片進(jìn)行燒寫。把實(shí)驗(yàn)電路和蘇州領(lǐng)航測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SHWD—T486型無線多點(diǎn)溫度計(jì)測量的溫度值作對(duì)比，由表1數(shù)據(jù)可知有兩組值和SHWD—T486型測量數(shù)據(jù)一樣，剩余三組數(shù)據(jù)的相對(duì)測量精度也都在0.18%以下，測量精度較高，且受環(huán)境影響較小。

?

?

5 結(jié)語

對(duì)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對(duì)溫度采集系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，編程采用C語言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無線通信三部分。設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比具有測量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。