基于单片机的无线温度传输系统

基于单片机的无线温度传输系统内容摘要：

行计数，如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用于修正计数器 1 的预置值。 DS18B20 在正常使用时的测温分辨率 ℃ ，如果要更高的精度，则在对 DS18B20 测温原理进行详细分析的基础上，采 取直接读取 DS18B20 内部暂存寄存器的方法，将 DS18B20 的测温分辨率提高到 ～ ℃。 DS18B20 内部暂存器 DS18B20 内部暂存寄存器的分布如表 1 所列，其中第 7 字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器 1 的计数剩余值，第 8 字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。 首先用DS18B20 提供的读暂存寄存器指令（ BEH），读出以 ℃ 为分辨率的温度测量结果，然 后切去测量结果中的最低有效位（ LSB），得到所测实际温度整数部分 T整数，然后再用 BEH 指令读取计数器 1 的计数剩余值 M 剩余和每度计数值 M每度，考虑到 DS18B20 测量温度的整数部分是以 ℃ 、 ℃ 为进位界限的关系，实际温度 T 可用下式计算得到： T 实际 =（ T 整数 ℃ ） +（ M 每度 M 剩余 ） /M 每度 斜率累加器 预置 低温度系数晶振 高温度系数晶振 比较 计数器 1 =0 计数器 2 =0 预置 温度寄存器 加 1 LSB 置位 /清除 图 10 DS18B20测温原理 9 表 1 暂存器的对应值 nRF905 收发模块 此部分是整个系统的关键部分，收发模块采用 nRF905 无线收发芯片。 nRF905 的外部电路主要有三个部分组成， VCO 的外部电路，天线和接口驱动电路。 nRF905 所有的 RF 频率都是由 片内压控振荡器 (VCO)产生。 其谐振回路将包括以下几个部分 : 片内电路、外部 VCO 电路、连接芯片和 VCO 电感的线路电感、 VCO 电感到地线层线路的寄生电容。 引脚 XC1 和 XC2 之外的整个电路都可视作 VCO 电感。 VCO 电感的品质因数 Q 值对 VCO 内部的相位噪声和电压摆幅起着决定作用，如果 Q 值太低， VCO 甚至不能起振。 对于 nRF905 收发器，要求 Q＞ (4 0～ 4 5)，电感量的精度应控制在 2％之内。 图 11 收发电路模块 暂存器内容 字节地址 温度最高数字位 0 温度最低数字位 1 高温限制 2 低温限制 3 配置寄存器 4 保留 5 计数剩余值 6 每度计数值 7 CRC 校验 8 10 nRF905 芯片介绍 nRF905 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单片射 频收发模块，工作频道覆盖433/868/915MHZ 三个国际通用的 ISM(工业、科学和医学 )频段，具有多个频道(最多 170 个以上 )，可满足需要多信道工作的特殊场合。 它是 GMSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。 频率稳定性极好 ， 灵敏度高，达到 100dBm；最大发射功率达 +10dBm。 工作电压低（ ～ ），功耗小，待机状态仅为 1μs，以 10dBm 输出功率发射时电流只有 11mA ，工作于接收模式时的电流为，并且内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。 工作速率最高可100Kb/s，外围元件少，基本无需调试。 nRF905 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器、通信协议控制等模块，曼彻斯特编码 /解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。 内部结构如图 12 所示。 nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。 两种工作模式是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。 nRF905 的工作模式由 TRXCE、 TXEN 和 PWRUP 三个引脚决定，详见表 2。 由于 nRF905 具有 ShockBurstTM 功能，使得 nRF905 不需要使用昂贵的高速微控 制处理器对数据处理 /时钟恢复，也能达到较高的数据率。 通过在芯片上将所有的高速信号处理变为射频通信协议， nRF905 芯片提供了一个具有微控制器能力 图 12 nRF905 内部结构图 11 的 SPI 接口，数据率由具有微控制器功能的接口速率自行设定。 收发电路的数字部分是一个低速率电路，而收发电路的射频链接却是一个处于最高速率的电路， 整个电路要通过变速才能解决速率上的差异。 nRF905 芯片的 ShockBurstTM 模式减少了 在这一过程中 的平均电流消耗。 在 ShockBurstTM RX 模式中，当一个有效地址的数据包被接收时，能够通过 AM 和 R 两个信号外送给 MCU。 在ShockBurstTMTX 模式中， nRF905 芯片自动地完成报头的生成和 CRC 校验，当发送过程完成后，能够通过 DR 信号外送给 MCU，发送工作已经完成。 这样可以降低 MCU 对内存的要求，使得 MCU 实现了低成本，同时也缩短了软件的开发周期 [6]。 表 2 nRF905 的工作模式 PWR_UP TRX_CE TX_ EN 工作模式 0 —— —— 关机模式 1 0 —— 空闲模式 1 1 0 接收模式 1 1 1 发送模式 数据发送 典型 nRF905 的发送流程分以下几步 ： (1)当 MCU有数据要发送时，通过 SPI 接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给 nRF905， SPI 接口的速率在通信协议和器件配置时确定。 (2)微控制器置 TRXCE 和 TXCE 为高电平，激发 nRF905 的射频发射模式。 (3)当 nRF905 处与射频发射模式时，射频电路将自动提升功率，对数据打包（添加报头，完成 CRC 校验计算），完成数据包的发送。 发送完成后， DR 信号将被设为高电平 ； 在发送期 间，无论 TRXCE 和 TXCE 发生怎样的改变， nRF905都能保证本次发送从开始到结束的一次性完成，只有在前一个数据包被发送完毕， nRF905 才能接受下一个发送数据包。 而新的模式只有在此次发送完成后才会被激活。 (4)当射频配置寄存器中的 AUTORETRAN 字段为 “1”时，不断重发 ， nRF905直到 TRXCE 被置低 ； 而当 TRXCE 被置低， nRF905 发送过程完成，自动进入空闲模式；如果 TXCE 为低电平而 TRXCE 继续保持高电平，那么 nRF905 芯片将在完成本次发送后，进入 RX 模式并且进入预设的信 道 [7]。 数据接收 当 TRXCE 为高、 TXCE 为低时， nRF905 进入接收模式： 12 (1)650μs 后， nRF905 开始监听无线电信号 ； (2)当 nRF905 检测接收频率的载波时， CD 变为高电平。 当接收到一个有效的地址， AM 变为高电平； (3)当被接收的数据包 CRC 校验正确， nRF905 将除去报头，地址及 CRC 比特，同时使 DR 变为高电平； (4)微控制器把 TRXCE 置低， nRF905 进入空闲模式；微控制器通过 SPI 口，以一定的速率把数据移到微控制器内； (5)当所有的负载数据传出后， nRF905 再次将设定 AM和 DR 低电平。 当正在接收一个数据包时， TRXCE 或 TXCE 引脚的状态发生改变， nRF905 立即把其工作模式改变，数据包则丢失。 当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nRF905 正在接收数据包，其可以决定是让 nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。 其中 MOSI/MISO 是发射 / 接收数据的通道； TRX_CE， TXCE 是收 /发通道的控制端； PWRUP 是工作模式控制端； CSN、 SCK 为串行接口控制端； CD 是接收模式下载波监测信号输出端 ； AM是接收到正确的数据包地址后芯片指示信号的输出端； DR 是发射完一个数据包后芯片指示信号的输出端； UPCLK 是芯片提供的一个可设置的时钟源信号输出端； ANT1 和 ANT2 用于天线部分。 XC1和 XC2 外接电路构成了晶体振荡电路 收发天线的设计 nRF905 芯片可以选择多种形式的天线作为无线传输的途径。 对于低损耗、小尺寸的无线模块来说，具有 T 型匹配网络的环形天线是一个很好天线的解决方案。 本系统采用 PCB 板上环形天线，该方案具有成本低，方向性较好等特点。 天线电路如图 13 所示。 图 13 天线电路图 13 5 软件介绍 采集电路流程图 DS18B20 的工作遵循严格的单总线协议。 主机首先发一复位脉冲，使信号线上所有的 DS18B20 芯片都被复位，接着发送 ROM 操作命令，使序列号编码匹配的 DS18B20 被激活，准备接收下面的内存访问命令。 内存访问命令控制选中的 DS18B20 的工作状态，完成整个温度转换、读取等工作 (单总线 ROM 命令发送之前存储命令和控制命令不起作用 )。 其工作流程图如图 14 所示。 在对 DS18B20 进行操作的整个过程中，主要包括三个关键过程 :主机搜索DS18B20 序列号、启动在线 DS18B20 作温度转换、读取在线 DS18B20 温度值。 其中主机启动温度转换并读取温度值的流程图如图 15 所示。 工作中系统对 DS18B20 的操作以 ROM 命令和存储器命令形式出现。 其中ROM 操作命令均为 8 位长，命令代码分别为：读 ROM（ 33H）、 匹配 ROM（ 55H）、跳过 ROM（ CCH)、搜索 ROM（ FOH） 和告警搜索 （ ECH） 命令。 存储器操作命令为：写暂存存储器 （ 44H） 、读暂存存储器 （ BEH）。 复制暂存存储器 （ 48H） ,温度变（ 44H）、重新。