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技術(shù)和無線通訊技術(shù)的無線溫度傳感器，本文詳細介紹系統(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；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)總線與單片機進行雙向通訊；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，而且單片機是做為系統(tǒng)控制核心。在溫度采集電路中對單片機的功耗要求較高而在信息處理電路中對單片機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�？梢酝ㄟ^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)是二進制補碼格式，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：單機模式和聯(lián)機模式，這兩種模式可以通過按鍵來設(shè)定。單機模式下，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)機模式下，模塊則將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)給上位機，并執(zhí)行上位機發(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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