一款無(wú)線(xiàn)溫度采集系統設計

摘要：針對有線(xiàn)溫度采集技術(shù)的局限性，設計了一種低功耗多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)溫度采集系統。對溫度采集系統的設計方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)對系統的硬件設計進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對溫度采集系統的軟件進(jìn)行設計。編程采用C語(yǔ)言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無(wú)線(xiàn)通信三部分。所設計的溫度采集系統具有測量精度高、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(guò)程中，溫度是最為常見(jiàn)、最為重要的物理工藝參數之一。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，工業(yè)中對溫度測量的要求也越來(lái)越高，測量數據的范圍也越來(lái)越大。溫度采集系統設計時(shí)，傳感器模塊的設計將直接影響著(zhù)數據的測量效果，隨著(zhù)測量要求的提高，傳感器模塊電路的復雜程度也會(huì )越來(lái)越高，無(wú)疑帶來(lái)布線(xiàn)的困難和效率的下降，同時(shí)存在著(zhù)易短路，易老化等隱患，給系統的綜合調試和維護帶來(lái)難度。與傳統的有線(xiàn)通信技術(shù)相比，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，實(shí)現無(wú)線(xiàn)溫度采集功能。

1 設計原理和方案

無(wú)線(xiàn)溫度采集系統是一種基于射頻技術(shù)的無(wú)線(xiàn)溫度檢測裝置。系統中由溫度傳感器將溫度采集后輸出的模擬信號逐步送往信號放大電路、低通濾波器以及A/D轉換器(即信號調理電路)，然后在單片機的控制下將A/D轉換器輸出的數字信號傳送到無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片中，并通過(guò)芯片的調制處理后由芯片內部的天線(xiàn)發(fā)送到上位機，在上位機模塊中，發(fā)送來(lái)的數據由單片機控制的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片接收并解調，最后通過(guò)接口芯片發(fā)送到PC機中進(jìn)行顯示和處理。

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系統包括無(wú)線(xiàn)采集、主機控制和PC機三個(gè)通信節點(diǎn)：無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)實(shí)現溫度采集和溫度數據的收發(fā);主機控制節點(diǎn)實(shí)現簡(jiǎn)單通信控制和無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)，并可通過(guò)串口傳到上位機;PC機節點(diǎn)為數據采集提供計算機通信方式，為實(shí)現更強大功能提供上位機軟件設計平臺，系統設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

根據設定好的系統方案，進(jìn)行硬件電路的具體設計，由于主機和從機各模塊的硬件設計原理基本相同，而溫度采集和NRF905無(wú)線(xiàn)通信模塊都在從機部分，這里重點(diǎn)分析從機的硬件設計，系統結構圖如圖2所示。

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2.1 溫度采集

溫度采集模塊的主要功能是對模擬量進(jìn)行數字化，這里選用逐次逼近型模數轉換器ADC0832芯片，該芯片具有8位分辨率，轉換范圍為0～5 V。由于數據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。

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2.2 NRF905無(wú)線(xiàn)通信

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用單片433/868/915 MHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器NRF905芯片。該芯片與單片機的接口為SPI口，調制采用GFSK高斯頻移鍵控方式，具有很強的抗干擾能力。波段采用ISM免費波段，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。

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3 軟件設計

硬件部分完成后，下面進(jìn)行軟件的設計，溫度采集系統程序設計主要包括主程序、溫度采集和NRF905無(wú)線(xiàn)通信三部分。

3.1 主程序

程序開(kāi)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點(diǎn)號，然后調用人工控制程序，進(jìn)行相應的通道切換，同時(shí)接收采集數據并調用LCD顯示程序將其顯示，并將數據及時(shí)發(fā)送給中央單元，設計流程如圖5所示。

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3.2 溫度采集

溫度采集可分為系統初始化、等待NRF905接收和接收主機命令三部分。結合硬件設計，接收主機命令時(shí)，應采用通道0(CH0)來(lái)進(jìn)行溫度采集，具體程序如下：

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3.3 NRF905無(wú)線(xiàn)通信

NRF905無(wú)線(xiàn)通信分為發(fā)送和接收兩部分，以數據發(fā)送為例進(jìn)行分析。NRF905數據發(fā)送可以分為確定數據和地址、確定發(fā)送模式、數據發(fā)送和發(fā)送完成四步。當有數據提出發(fā)送請求時(shí)，從機地址和待發(fā)送的數據按時(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，數據由NRF905不斷發(fā)送，直至TRX_CE被置低。TRX_CE被置低后，數據發(fā)送過(guò)程完成，系統自動(dòng)進(jìn)入待機模式等待下次數據請求，具體設計流程如圖6所示。

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4 數據實(shí)測

數據測量時(shí)為了驗證設計效果，選擇了五種不同溫度環(huán)境，首先在實(shí)驗室搭建了溫度采集硬件電路，接著(zhù)用KeiluVision4軟件編程和編譯得到[.hex]文件，最后用STC_ISP_V483軟件對芯片進(jìn)行燒寫(xiě)。把實(shí)驗電路和蘇州領(lǐng)航測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SHWD—T486型無(wú)線(xiàn)多點(diǎn)溫度計測量的溫度值作對比，由表1數據可知有兩組值和SHWD—T486型測量數據一樣，剩余三組數據的相對測量精度也都在0.18%以下，測量精度較高，且受環(huán)境影響較小。

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5 結語(yǔ)

對溫度采集系統的設計方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)對系統的硬件設計進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對溫度采集系統的軟件進(jìn)行設計，編程采用C語(yǔ)言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無(wú)線(xiàn)通信三部分。設計的溫度采集系統與采用傳統設計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(guò)程中具有實(shí)際應用和推廣價(jià)值。