基于无线传感器网络的温度采集显示系统设计

基于无线传感器网络的温度采集显示系统设计内容摘要：

18B20 的主要特性： (1)、适应电压范围更宽，电压范围： ～ ，在寄生电源方式下可由数据线供电 (2)、独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需 要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 (3)、 DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 发射端 接收端 温度传感器 微处理器 无线发射芯片 微处理器 显示 无线发射芯片 基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 9 (4)、 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 (5)、温范围－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 时精度为 177。 ℃ (6)、可编程的分辨率为 9～ 12 位，对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可实现高精度测温 (7)、在 9 位分 辨率时最多在 内把温度转换为数字， 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快 (8)、测量结果直接输出数字温度信号，以 一线总线 串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 (9)、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20 的外形和内部结构 ： DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 引脚定义： (1)、 DQ 为数字信号输入 /输出端； (2)、 GND 为电源地； (3)、 VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20 的计数特性： DS18B20 内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器 1 提供一频率稳定的计数脉冲。 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲。 初始时，温度寄存器被预置成 55℃ ，每当计数器 1从预置数开始减计数到 0 时，温度寄存器中寄存的温度值就增加 1℃ ，这个过程重复进行，直到计数器 2 计 数到 0 时便停止。 初始时，计数器 1 预置的是与 55℃ 相对应的一个预置值。 以后计数器 1 每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。 为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。 计数器 1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加 1℃ 计数器所需要的计数个数。 DS18B20 内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。 在计数器 2 停止计数后，比较器将计数器 1 中的计数剩余值转换为温度值后与 ℃基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 10 进行比较，若低于 ℃ ，温度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃ ，最低位 就置1；若高于 ℃ 时，温度寄存器的最低位就进位然后置 0。 这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表 ℃ ，四舍五入最大量化误差为 177。 1/2LSB，即 ℃。 温度寄存器中的温度值以 9 位数据格式表示，最高位为符号位，其余 8 位以二进制补码形式表示温度值。 测温结束时，这 9 位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节， 8 位温度数据占据第二字节。 DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。 DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高 温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。 当计数门打开时， DS18B20 进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。 芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。 测量结果存入温度寄存器中。 一般情况下的温度值应该为 9 位，但因符号位扩展成高 8 位，所以最后以16 位补码形式读出。 DS18B20 工作过程一般遵循以下协议：初始化 ——ROM 操作命令 ——存储器操作命令 ——处理数据。 （ 1） 初始化 单总线上的所有处理均从初始化序列开始。 初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。 存在脉冲 让总线控制器知道 DS1820 在总线上且已准备好操作。 （ 2） ROM 操作命令 一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件 ROM 操作命令之一。 所有 ROM 操作命令均为 8 位长。 这些命令列 举 如下： Read ROM(读 ROM)[33h] 此命令允许总线主机读 DS18B20 的 8 位产品系列编码，唯一的 48 位序列号，以及 8 位的 CRC。 此命令只能在总线上仅有一个 DS18B20 的情况下可以使用。 如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象（漏极开路会产生线与的结果）。 Match ROM( 符合 ROM)[55h] 此命令后继以 64 位的 ROM 数据序列，允许总线主机对多点总线上特定的DS18B20 寻址。 只有与 64 位 ROM 序列严格相符的 DS18B20 才能对后继的存贮器操基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 11 作命令作出响应。 所有与 64 位 ROM 序列不符的从片将等待复位脉冲。 此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。 Skip ROM( 跳过 ROM )[CCh] 在单点总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供 64 位 ROM 编码而访问存储器操作来节省时间。 如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在 Skip ROM 命令之后发出读命令，那么由于多个从片同时发送数据，会在总线上发生数据冲突（漏极开路下拉会产生线与的效果）。 Search ROM( 搜索 ROM)[F0h] 当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知道其64 位 ROM 编码。 搜索 ROM 命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的64 位编码。 Alarm Search(告警搜索 )[ECh] 此命令的流程与搜索 ROM 命令相同。 但是，仅在最近一次温度测量出现告警的情况下， DS18B20 才对此命令作出响应。 告警的条件定义为温度高于 TH 或低于 TL。 只要 DS18B20 一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变 TH 或 TL 的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内。 贮存在EEPROM 内的触发器值用于告警。 测温系统电路连接 系统的测温部分用 DS18B20 芯片来完成，由于 DS18B20 有两种封装形式，在这里我们选择八引脚 SOSI 封装，其引脚情况如图 7 所述。 它与单片机的连接电路如图7 所示： D S 18 B 2 0P 3 . 7V C C 图 7 DS18B20 与单片机连接图 系统显示部分电路设计 我们最常用的显示是七段式和八段式 LED 数 码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。 所谓的八段就是指数码管里有八个小 LED 发光二极管，通过控制基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 12 不同的 LED 的亮灭来显示出不同的字形。 数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个 LED 的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个 LED 的另一端高电平，它便能点亮。 而共阳极就是将八个 LED 的阳极连在一起。 此次设计所用到的数码管接法就是共阳极接法。 而现实中经常用到的数码管是制作成的数码管芯片它将二极管集成到一个小芯片上，这样可以直观的显现 09 的数字，它的样式如图 8 所示： abfcgdeDPY1234567abcdefg8 dpdp八段数码管CO M 图 8 八段数 码管 共阳极的数码管 0~f 的段编码是这样的： unsigned char code table[]={ //共阳极 0~f 数码管编码 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,//0~3 0x99,0x92,0x82,0xf8,//4~7 0x80,0x90,0x88,0x83,//8~b 0xc6,0xa1,0x86,0x8e //c~f}。 本系统中采用四片数码管显示温度值，由于数码管的驱动电流别较大，因此可以采用驱动芯片来产生足够大的驱动电流，以驱动数码管。 我们选用 74 系列的驱动芯片，有 74LS273 芯片 、 7545 740 74LS0 74LS04 等芯片。 具体的连接图参见附录 1 硬件电路图设计。 系统无线传输部分电路设计 系统的主要部分是无线传输部分，它负责信息的传递，实现单片机之间的交流，其功能相当于有线系统中的导线。 在这里我们选用常见的无线传输芯片 PTR8000。 它基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 13 的示意图如图 9 所示 : 图 9 PTR8000 输出口 图中给出了 PTR8000 的用户接口，该接口由 10 个数字输入 /输出 I/O 组成。 按照工作可分为三种： 模式控制 该接口由 TRXCE,TXEN,PWR 组成 ，控制 PTR8000 的四种工作模式 ： 掉电和 SPI编程模式；待机和 SPI 编程模式；发射模式；接受模式；各种模式的控制模式见下表1： 表 1 PTR8000 的控制模式 PWR TRXCE TXEN 工作模式 0 X X 掉电和 SPI 编程模式 1 0 X 待机和 SPI 编程模式 1 1 0 接收 1 1 1 发射 说明： （ 1）待机模式下功耗约为 40 微安，此时发射接收电路均关闭，只有 SPI 接口工作。 （ 2）掉电模式下功耗约为 微安，此时所有电路关闭，进入最省电状 态。 （ 3）在待机和掉电模式下 PTR8000 均不能接收，发送数据，可以进行配置。 SPI 接口 SPI 接口由 SCK、 MISO、 MOSI 以及 CSN 组成： （ 1） 在配置模式下，单片机通过 SPI 接口配置 PTR8000 的工作参数； DR AM CD MISO MOSI SCK CSN PWR TRXEN TXEN Pin4 Pin3 Pin8 Pin7 Pin6 Pin12 Pin11 Pin10 Pin9 Pin2 模式控制 SPI 接口 状态输出 PTR8000 基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 14 （ 2） 在发射 /接收模式下，单片机 SPI 接口发送和接收数据； 状态输出接口 提供载波检测输出 CD，地址匹配输出 AM，数据就绪输出 DR。 PTR8000 的引脚功能如下表 2 所示： 表 2 PTR8000 的引脚功能 管脚 功能 方向 Pin1 VCC 正电源 输入 I Pin2 TXEN TXEN=“ 1”发射模式，“ 0”接收模式 I Pin3 TRXCE 使能发射 /接收模式（区别于配置模式） I Pin4 PWR Power down 模式 I Pin5 uCLK 时钟分频输出 O Pin6 CD 载波检测输出 O Pin7 AM 地址匹配输出 O Pin8 DR 数据就绪输出 O Pin9 MISO SPI 输出 O Pin10 MOSI SPI 输入 I Pin11 SCK SPI 时钟 I Pin12 CSN SPI 使能，低有效 I Pin13 GND 电源地 Pin14 GND 电源地 由于与 RF协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部 PTR8000可与各种低成本单片机配合使用也可以与 DSP等高速处理器配合使用 PTR8000提供一个 SPI 接速率由微控制器自己设定的接口速度决定 在 RX模式中地址匹配 AM和数据准备就绪 DR信号通知 MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成微控制器即可通过SPI读取接收的数据在 TX模式中 PTR8000自动产生前导码和 CRC校验码数据准备就绪DR信号通知 MCU数据传输已经完成这意味着降低 MCU的存储器需求也就是降低MCU成本同时缩短软件开发时间。 配置编程 上电以后 MCU首先配置 PTR8000模块先将 PWR TXEN TRX_CE设为配置模式，MCU通过 SPI将配置数据移入 PTR8000模块在掉电和待机模式工作后配置内容仍然有效配置数据只有当电源撤除后才会丢失。 发射模式 （ 1） 当 MCU有数据需要发往规定节点时接收节点的地址 TXaddress和有效数据TXpayload通过 SPI接口传送给 PTR8000应用协议或 MCU设置接口速度。 基于无线传感器网路的温度采集显示系统设计 15 （ 2） MCU设置 TRX_CE TX_EN为高来启动传输 （ 3） PTR8000内部处理 无线系。