現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)采集及無線收發(fā)模塊設(shè)計

1、目錄1緒論 (31.1選題背景及意義 (31.2溫度傳感器的發(fā)展歷程 (31.3通信技術(shù)的發(fā)展 (41.4設(shè)計研究的主要內(nèi)容 (42.系統(tǒng)總體設(shè)計方案 (42.1系統(tǒng)設(shè)計要求 (52.2系統(tǒng)方案確定 (53系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 (83.1單片機(jī)主控單元電路 (83.2nRF905無線收發(fā)模塊 (93.3溫度采集部分電路 (14(3DS18B20測溫原理 (143.4PC機(jī)與單片機(jī)的串行接口電路 (153.5其他必要電路 (164.系統(tǒng)軟件設(shè)計 (164.1系統(tǒng)的整體軟件框圖 (174.2系統(tǒng)使用的通信協(xié)議 (174.3溫度采集流程 (174.4無線收發(fā)流程 (204.5單片機(jī)程序流程 (22心得

2、體會 (24參考文獻(xiàn) (251緒論1.1選題背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展,人們對溫度的測量的范圍不斷的向深度和廣度發(fā)展,溫度在工業(yè)自動化、家用電器、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等方面都是最基本的監(jiān)測參數(shù)之一,因此其檢測裝置在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。原始的溫度測控系統(tǒng)一般將所測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行有線的方式傳輸?shù)綑z測機(jī)房和上位機(jī),從而給用戶提供快速可靠的溫度監(jiān)測環(huán)境,這樣的現(xiàn)場溫度采集與有線高速傳輸系統(tǒng)雖然在系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性方面有一定的優(yōu)勢,但是必然存在其不足,有的地方不便進(jìn)行大規(guī)模布線,因此,有線測溫系統(tǒng)的布線在這種情形下顯得尤為困難,而通過無線傳輸可以從根本上解決這一問題。1.2溫度傳感器的發(fā)展歷程溫度

3、傳感器作為最早開發(fā),應(yīng)用最廣的一類傳感器,能夠測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。溫度傳感器的使用范圍廣,數(shù)量多,居各種傳感器之首。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,溫度傳感器的也得到了迅速的發(fā)展,智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢提高測溫精度和分辨力增加測試功能。另外,智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展,這為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。1.3通信技術(shù)的發(fā)展隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,短距離無線通信技術(shù)在近幾年蓬勃發(fā)展起來,短距離無線通信方案目前有藍(lán)牙技術(shù)、

4、IEEE802.nb、Zigbee、紅外通信技術(shù)IrDA 和一種無線單片技術(shù)。從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸速率,確定該系統(tǒng)部分電路設(shè)計使用無線收發(fā)芯片。無線單片芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng),通訊防議簡單透明,技術(shù)成熟。使用該種方案無線通信接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計簡單。無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多,在設(shè)計中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。1.4設(shè)計研究的主要內(nèi)容本次課題主要研究內(nèi)容是設(shè)計一種基于nRF905無線傳輸模塊的高精度測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用無線通訊、溫度信號調(diào)理和單片計算機(jī)電路構(gòu)成無線傳輸?shù)母?精度數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。該無線傳輸測溫系統(tǒng)主要有三部分組成:溫度采集部分,無

5、線傳輸部分。(1溫度采集。溫度采集部分主要完成對數(shù)字溫度信號的采集及處理,最后得到溫度數(shù)據(jù)。溫度采集部分主要有溫度傳感器組成,通過溫度傳感器采集現(xiàn)場溫度,將溫度這一非電量轉(zhuǎn)化成電信號,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,將該溫度的模擬量轉(zhuǎn)化成是和單片機(jī)處理的數(shù)字量,從而進(jìn)行溫度的處理。(2無線傳輸。無線傳輸部分是通過射頻收發(fā)芯片完成溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收。完成該傳輸工作的過程如下:發(fā)送時單片機(jī)將處理好的溫度數(shù)據(jù)送給射頻收發(fā)芯片,射頻收發(fā)芯片將數(shù)字溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,然后發(fā)送。而在接收端芯片接收到信號后進(jìn)行解調(diào)得到溫度數(shù)據(jù),將得到的溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)從而完成一次溫度的數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。2.系統(tǒng)總體設(shè)計方案溫度的檢

6、測有許多方法,可供選擇的器件和運(yùn)用的技術(shù)也有多種。因此,系統(tǒng)的總體設(shè)計方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的前提下,充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境,所選的結(jié)構(gòu)要盡量簡單實用、易于實現(xiàn),器件的選用要著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的互換性能。本無線溫度采集傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了從待測點(diǎn)采集溫度值,溫度傳感器將采集到的溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號,并將此電信號傳輸給微處理器,微處理器經(jīng)過處理后,將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給無線發(fā)送芯片,無線發(fā)送芯片再將其無線傳輸給遠(yuǎn)程用戶端。在接收端,無線接收芯片接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)并傳輸給微處理器進(jìn)行處理,微處理器將處理后的數(shù)據(jù)傳輸并顯示給用戶。2.1系統(tǒng)設(shè)計要求總結(jié)系統(tǒng)的技術(shù)

7、要求如下:(1小體積(2高可靠性(3低成本2.2系統(tǒng)方案確定本無線溫度采集傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了從待測點(diǎn)采集溫度值,溫度傳感器將采集到的溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號,并將此電信號傳輸給微處理器,微處理器經(jīng)過處理后,將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給無線發(fā)送芯片,無線發(fā)送芯片再將其無線傳輸給遠(yuǎn)程用戶端。在接收端,無線接收芯片接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)并傳輸給微處理器進(jìn)行顯示,系統(tǒng)的總體示意框圖如下所示: 3 圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測量轉(zhuǎn)換速度快,溫度測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號需要先經(jīng)過取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理,再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號交由微處理器或DSP處理。設(shè)計者須考慮的線路環(huán)節(jié)較

8、多,相應(yīng)測試裝置中元器件數(shù)量難以下降,隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把被測模擬量直接換成數(shù)字量輸出,可以直接與數(shù)字設(shè)備(計算機(jī),計數(shù)器,數(shù)字顯示系統(tǒng)等相聯(lián),用微控制器、DSP或計算機(jī)進(jìn)行信號的處理、濾波、壓縮。它的信號原則上不受放大器和信號處理系統(tǒng)的溫度漂移的影響,具有極高的抗干擾能力?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r,確定溫度傳感器采用數(shù)字式。紅外線傳輸是使用紅外線波段的電磁波來進(jìn)行較近距離的傳輸。IrDA具有技術(shù)成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。也存在

9、著只能視距傳輸、移動時不能傳輸、LED易磨損等缺點(diǎn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部,一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片,加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。射頻芯片一般采用FSK調(diào)制方式,工作于ISM頻段,通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議,發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成,用戶不用對無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解,只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。因此使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計簡單。2.3器件的選用常用的數(shù)字溫度傳感器主要有:4(1AD

10、7418是是美國模擬器件公司(ADI推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位A/D轉(zhuǎn)換器。測溫范圍為-55+125,具有10位數(shù)字輸出溫度值,分辨率為0.25,精度為±2,轉(zhuǎn)換時間為1530ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高,并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點(diǎn)。AD7418可以級聯(lián)至多8片在同一個I2C總線上。(2DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器,它具有獨(dú)特的單總線接口方式,即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器,從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器

11、及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn),而且,可以通過總線供電,由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20的測溫范圍-55+125,最高分辨率可達(dá)0.0625,由于每一個DS18B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中,因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別,從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價格比,適用于低速測控場合,測控對象越多越顯出其優(yōu)越性;硬件施工、維修方便,抗干擾性能好;具有CRC校驗功能,可靠性高;軟件設(shè)計規(guī)范,系統(tǒng)簡明直觀,易于掌握。由于DS18B20獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測溫時有明顯的優(yōu)勢,占用MCU 的

12、I/O引腳資源少,和MCU的通信協(xié)議比較簡單,成本較低,傳輸距離遠(yuǎn),所以,選用DS18B20做為溫度測量的傳感器。常用的無線收發(fā)芯片主要有:(1CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù),在0.35m CMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHz,但CC1000很容易通過編程使其工作在3001000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓(2.33.6V,極低的功耗,可編程輸出功率(-2010dBm,高靈敏度(一般-109dBm,小尺寸(TSSOP-28封裝,集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳速率可達(dá)72.8Kbps,具有250Hz步長可編程

13、頻率能力,適用于跳頻協(xié)議;主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變,使用非常靈活。(2nRF905是挪威Nordic公司的研發(fā)的一種單片無線收發(fā)器芯片。工作電壓為1.93.6V,32引腳QFN封裝(5×5mm,工作于433/868/915MHz三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻道,頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成,不需外加聲表濾波器, ShockBurstTM工作模式,自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗,使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10dBm的輸出功率5發(fā)射時電流只有11mA

14、,工作于接收模式時的電流為12.5mA,內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式,易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊,曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成,無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼,因此使用非常方便。并且nRF905成本低、可靠性高、外圍設(shè)計簡單的優(yōu)點(diǎn),本系統(tǒng)將nRF905做為無線收發(fā)芯片的首選。單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易,自問世以來以其極高的性價比一直受到人們的重視和關(guān)注。因以8

15、051為內(nèi)核單片機(jī)技術(shù)比較成熟,價格比較低,且本次設(shè)計對單片機(jī)的性能要求不是很高,STC89C52RC單片機(jī)是STC公司的單片機(jī),STC 公司的單片機(jī)主要是基于8051內(nèi)核,是新一代增強(qiáng)型單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,加密性好,抗干擾強(qiáng),抗靜電,高速,高可靠,低功耗,超低價。所以本系統(tǒng)選擇以8051為內(nèi)核的STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)具有如下特點(diǎn):(1STC89C52RC與MCS-51系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容;(2內(nèi)有8k字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫程序存儲器;(3靜態(tài)工作,工作范圍:0Hz24MHz;(4128×8位內(nèi)部RAM;(539個

16、I/O口;(6三個十六位定時器/計數(shù)器(75個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級;(81個全雙工的異步串行口;(9閑置和掉電兩種工作方式。(10內(nèi)振蕩器和時鐘電路3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想,下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計,由于本系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)的硬件電路一致,只是上位機(jī)和下位機(jī)的軟件設(shè)計不同,因此,系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)采用同一電路。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3-1所示。67 圖3-1硬件系統(tǒng)框圖3.1單片機(jī)主控單元電路單片機(jī)主控電路由STC89C52RC、按鍵復(fù)位電路,時鐘電路組成。以STC89C52RC 為主的主控電路在整個系統(tǒng)中有以下幾個功能:發(fā)送命令控制DS18B20進(jìn)行溫度采集,

17、處理采集的到的溫度數(shù)據(jù),完成對NRF905的初始化設(shè)置,通過SPI 口將采集來的溫度數(shù)據(jù)傳輸給 NRF905的發(fā)送模塊,完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送,完成待發(fā)送和已接受溫度數(shù)據(jù)的數(shù)碼管動態(tài)顯示。由STC89C52RC 構(gòu)成的主控電路如下圖:圖3-2主控單元電路3.2nRF905無線收發(fā)模塊無線收發(fā)模塊的主要功能是完成溫度數(shù)據(jù)打包發(fā)送和接收。由于條件限制制作基于nRF905芯片的收發(fā)模塊比較麻煩,因此,我們采用英飛拓公司的無線收發(fā)模塊。該模塊尺寸小,精度高,速度快有以下性能及特點(diǎn):(1433MHz 開放ISM頻段免許可證使用;8(2最高工作速率50kbps,高效GFSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制

18、場合;(3125頻道,滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要;(4內(nèi)置硬件CRC 檢錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制;(5低功耗1.9- 3.6V 工作,待機(jī)模式下狀態(tài)僅為2.5uA;(6收發(fā)模式切換時間<650us;(7模塊可軟件設(shè)地址,只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示,可直接接各種單片機(jī)使用,軟件編程非常方便;(8TX Mode:在+10dBm情況下,電流為30mA;RX Mode:12.2mA;(9標(biāo)準(zhǔn)DIP間距接口,便于嵌入式應(yīng)用;(10該模塊外置單鞭天線,直線可視通訊距離可達(dá)200-300米。如果配備高增益天線,則可以達(dá)到更遠(yuǎn)。(1模塊接口 圖3-3nRF905無線收發(fā)模塊接口無線收發(fā)

19、模塊的各引腳直接和單片機(jī)相連,在單片機(jī)的控制下,通過SPI 接口完成溫度數(shù)據(jù)的讀入讀出,發(fā)送模塊和接收模塊的NRF905完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。(2引腳說明表3-1nRF905無線收發(fā)模塊引腳說明管腳名稱管腳功能說明1VCC 電源電源+3.3V3.6V DC 2TX_EN 數(shù)字輸入TX_EN=1TX 模式,TX_EN=0RX 模式3TRX_CE 數(shù)字輸入使能芯片發(fā)送或接收4PWR_UP 數(shù)字輸入芯片上電5UCLK 時鐘輸出本模塊該芯片引腳廢棄不用,向后兼容6CD 數(shù)字輸出載波檢測7AM 數(shù)字輸出地址匹配8DR數(shù)字輸出接收或發(fā)送數(shù)據(jù)完成9MISO SPI接口SPI輸出10MOSI SPI接口SPI輸

20、入11SCK SPI時鐘SPI時鐘12CSN SPI使能SPI使鐘13GND地接地14GND地接地說明:(aVCC腳接電壓范圍為 3.3V3.6V之間,不能在這個區(qū)間之外,超過3.6V將會燒毀模塊。推薦電壓3.3V左右(b除電源VCC和接地端,其余腳都可以直接和普通的5V單片機(jī)IO口直接相連,無需電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)然對3V左右的單片機(jī)更加適用(c硬件上沒有SPI的單片機(jī),可以用普通單片機(jī)IO口模擬SPI,不需要單片機(jī)SPI模塊介入,只需添加代碼模擬SPI時序即可(d13腳、14腳為接地腳,需要和母板的邏輯地連接起來(e排針間距為100mil,標(biāo)準(zhǔn)DIP插針,如果需要其他封裝接口,比如密腳插針,或者其

21、他形式的接口,可以聯(lián)系我們定做(f與51系列單片機(jī)P0口連接時候,需要加10K的上拉電阻,與其余口連接不需要(g其他系列的單片機(jī),如果是5V的,請參考該系列單片機(jī)IO口輸出電流大小,如果超過10mA,需要串聯(lián)電阻分壓,否則容易燒毀模塊!如果是3.3V 的,可以直接和RF905模塊的IO口線連接。(3模塊引腳的電氣參數(shù)說明表3-2nRF905無線收發(fā)模塊性能參考數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)值單位9最低工作電壓 3.0V最大發(fā)射功率10dBm50Kbps最大數(shù)據(jù)傳輸速率曼徹斯特編碼輸出功率-10dBm時工作電流9mA接收模式時的工作電流12.5mA溫度范圍-40+85典型靈敏度-100dBmPOWERDOWN模式時

22、工作電流 2.5uA表3-3nRF905無線收發(fā)模塊工作電壓與最大發(fā)射增益參考數(shù)據(jù)工作電壓(模塊VCC供電電壓模塊最大發(fā)射增益(dBm+3.3V+7.3dBm+3.6V+10dBm(4模塊工作方式RF905一共有四種工作模式,其中有兩種活動RX/TX模式和兩種節(jié)電模式,活動RX/TX模式為:ShockBurst RX和ShockBurst TX,節(jié)電模式為:掉電和SPI 編程及STANDBY和SPI編程模式。nRF905工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的設(shè)置來設(shè)定。表3-4nRF905無線收發(fā)模塊工作模式設(shè)置PWR_UP TRX_CE TX_EN工作模式0X X掉電和SPI編程

23、10X STANDBY和SPI編程110ShockBurst RX111ShockBurst TXShockBurstTM收發(fā)模式下,使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū),數(shù)據(jù)低速從微控制器送入,但高速發(fā)射,這樣可以盡量節(jié)能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進(jìn)行,這種做法有三大好處:盡量節(jié)能;低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射;數(shù)據(jù)在空中停留時間短,抗干擾性高。ShockBurstTM技術(shù)同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。10在ShockBurstTM收發(fā)模式下,RF905自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時,自動把字頭和C

24、RC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時,自動加上字頭和CRC校驗碼,當(dāng)發(fā)送過程完成后,DR引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。1.1ShockBurst TX發(fā)送流程分以下幾步:A.當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,通過SPI接口,按時序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給RF905,SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定;B.微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激發(fā)RF905的ShockBurstTM發(fā)送模式;C.RF905的ShockBurstTM發(fā)送:(1射頻寄存器自動開啟;(2數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼;(3發(fā)送數(shù)據(jù)包;(4當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高;D.AUTO_RETRAN被置高,RF9

25、05不斷重發(fā),直到TRX_CE被置低;E.當(dāng)TRX_CE被置低,RF905發(fā)送過程完成,自動進(jìn)入空閑模式。注意:ShockBurstTM工作模式保證,一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始,無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低,發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢,RF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。(2ShockBurst RX接收流程分如下所述:A.當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時,RF905進(jìn)入ShockBurstTM接收模式;B.650us后,RF905不斷監(jiān)測,等待接收數(shù)據(jù);C.當(dāng)RF905檢測到同一頻段的載波時,載波檢測引腳被置高;D.當(dāng)接收到一個相匹配的地址,AM引腳被置高

26、;E.當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢,RF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位,然后把DR引腳置高F.微控制器把TRX_CE置低,nRF905進(jìn)入空閑模式;G.微控制器通過SPI口,以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi);H.當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢,nRF905把DR引腳和AM引腳置低;I.nRF905此時可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。當(dāng)正在接收一個數(shù)據(jù)包時,TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變,RF905立即把其工作模式改變,數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到AM引腳的信號之后,其就知道RF905正在接收數(shù)據(jù)包,其可以決定是讓RF905繼續(xù)接收該

27、數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個工作模式。11121.2節(jié)能模式RF905的節(jié)能模式包括關(guān)機(jī)模式和節(jié)能模式。在關(guān)機(jī)模式,RF905的工作電流最小,一般為2.5uA。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后,RF905保持配置字中的內(nèi)容,但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。空閑模式有利于減小工作電流,其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下,RF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。(5模塊的配置所有配置字都是通過SPI接口送給RF905。SIP接口的工作方式可通過SPI指令進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)RF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時,SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。SPI接口寄存器配置SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地

28、址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個寄存器組成。狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息;射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息,如頻率和輸出功能等;發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息,如字節(jié)數(shù)等;接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。SPI 接口由5個內(nèi)部寄存器組成執(zhí)行寄存器的回讀模式來確認(rèn)寄存器的內(nèi)容,狀態(tài)寄存器Status-Register包含數(shù)據(jù)就緒DR 和地址匹配AM 狀態(tài);RF配置寄存器RF-Configuration Register包含收發(fā)器的頻率,輸出功率等配置信息;發(fā)送地址TX-Address寄存

29、器包含目標(biāo)器件地址字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置;發(fā)送有效數(shù)據(jù)TX-Payload寄存器包含發(fā)送的有效ShockBurst 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置;接收有效數(shù)據(jù)TX-Payload寄存器包含接收到的有效ShockBurst 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置在寄存器中的有效數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR 指示。3.3溫度采集部分電路DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器,不需要信號放大和AD 轉(zhuǎn)換等外圍電路;測量溫度范圍為-55°C+125°C,在-10+85°C 范圍內(nèi),精度為±0.5°C。它可以程序設(shè)定912位的分辨率。電源電壓范圍為+3

30、.0V 到+5.5V;體積更小,使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。DS18B20轉(zhuǎn)換格式如圖:24252627S S S S MS Byteb it 9b it 8b it 14b it 15b it 13b it 12b it 11b it 10232222-12-22-32-420L S Byte b it 7b it 6b it 1b it 2b it 3b it 4b it 5b it 013圖3-6DS18B20轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的格式其中,高位字節(jié)中的前5位S 是符號位,若測得的溫度大于0,則這5位數(shù)據(jù)也都為“0”,實際溫度也就等于測到的數(shù)值與0.0625(0.0625/LSB的乘積,若溫度小于0,則

31、這5位數(shù)據(jù)就都為“1”,實際溫度就等于測到的數(shù)值取反加l 后再乘以0.0625。(3DS18B20測溫原理DS18B20內(nèi)部有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器,低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘脈沖信號通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被記數(shù),這時寄存器中的值就是被測的溫度值,這個值以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機(jī)發(fā)出讀存儲器命令讀出,經(jīng)過取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換,得到實測的溫度值。(4DS18B20的工作過程DS18B20為用戶提供了5個ROM 命令和6個存儲器命令,而具體命令信息的傳送,則主要通過初始化時序、讀時序、寫時序三個基本時序單元的組合來實現(xiàn)。 (5接口電路圖3-7DB18B2

32、0與單片機(jī)的連接溫度傳感器DS18B20的DQ 端直接和單片機(jī)的P3.4相連,因為DS18B20是單總線器件,所以需要單片機(jī)進(jìn)行軟件模擬單總線,DQ 既可以輸出數(shù)據(jù)又可以輸入數(shù)據(jù)。所以單片機(jī)既可以通過DQ 引腳向DS18B20發(fā)送控制字啟動采集,又可以發(fā)送控制字讀取數(shù)據(jù)。3.4PC 機(jī)與單片機(jī)的串行接口電路單片機(jī)輸出的TTL 電平與電腦的RS232電平并不是兼容的。兩者區(qū)別如表表表3-6TTL 和RS232電平標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別信號RS232標(biāo)準(zhǔn)(單位VTTL 標(biāo)準(zhǔn)(單位V數(shù)字電信號“1”-3-150.75.5數(shù)字電信號“0”+3+15-0.50.2因此,要想使單片機(jī)和電腦之間能夠正常通信必須將單片機(jī)

33、輸出的TTL 電平14轉(zhuǎn)換成電腦能識別的RS232電平。為解決不同電平標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)據(jù)通信問題,需要在通信串口上添加一個電平轉(zhuǎn)換電路。如圖3-15 所示。圖3-8TTL 轉(zhuǎn)RS232電路圖該電路使用的是MAX 公司生產(chǎn)的max3232低功耗,1Mbps 高速率,使用四只0.1uF 外部電容的真正的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有以下特點(diǎn):(1寬范圍的供電電壓:3.0V5.5V,低供電電流:300uA;(2可靠的數(shù)據(jù)傳輸速率:120Kbps。(3抗干擾性強(qiáng)。該電路中總控單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送端與芯片的10腳-TTL 電平輸入端-相連,經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后RS232電平標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)從MAX3232的7腳輸出,數(shù)據(jù)被

34、送到串口的2腳進(jìn)入上位機(jī)。而上位機(jī)所發(fā)出的信號則由串口的3腳進(jìn)入MAX 芯片的8腳經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后從9腳輸出TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)信號,進(jìn)入總控單片機(jī)中。這樣也就完成了總控單片機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)電平標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。3.5其他必要電路蜂鳴器電路中,以PNP 晶體三極管來驅(qū)動蜂鳴器,三極管的基極通過10K 的電阻與單片機(jī)的P3.3口連接,單片機(jī)通過控制P3.3口來控制蜂鳴器的鳴叫,當(dāng)P3.3口為低電平時,蜂鳴器有電流流過,蜂鳴器的鳴叫。當(dāng)P3.3口為高電平時,蜂鳴器無電流流過,蜂鳴器停止鳴叫。因為NRF905的工作電源電壓范圍是3.33.6V,超出這個工作電壓范圍無線模塊就可能被燒壞,所以為了讓NRF90

35、5正常工作,采用1117電壓轉(zhuǎn)換芯片將電源電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。顯示電路采用動態(tài)顯示方法,可以節(jié)約硬件資源,降低系統(tǒng)的設(shè)計成本。使用P0口高4位作為數(shù)碼管位選端,P1作為數(shù)碼管的段選端。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)在軟件設(shè)計時必須要有完善的思路,要充分考慮到溫度傳感器和無線收發(fā)器之間時序問題,既要做到程序簡單,又要做到降低無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率,提高系統(tǒng)的抗干擾能力,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)的軟件部分采用C51編程,在Keil環(huán)境下運(yùn)行,Keil軟件是標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境,即實現(xiàn)軟件的編譯(asm編譯為hex,也可以配合仿真模塊實現(xiàn)硬件仿真。4.1系統(tǒng)的整體軟件框圖編程時采用模塊化設(shè)計的思想,系統(tǒng)

36、中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)在主程序中加以調(diào)用,程序主要由以下功能模塊組成:上電初始化程序、無線收發(fā)程序、數(shù)據(jù)包打包拆包程序、數(shù)據(jù)處理程序。采集端和接收端在上電后首先調(diào)用初始化程序,完成無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率、內(nèi)部寄存器的初始化配置;無線收發(fā)程序負(fù)責(zé)接收和發(fā)送經(jīng)過打包后的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)打包程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議加上幀頭、地址、CRC校驗字節(jié),形成完整的數(shù)據(jù)包;數(shù)據(jù)拆包程序根據(jù)通信協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)包去掉幀頭、地址信息、取出其中的有用數(shù)據(jù),并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié)以檢驗接收到的數(shù)據(jù)的正確性;在實際應(yīng)用時,當(dāng)上電后該系統(tǒng)處于等待狀態(tài),當(dāng)接到啟動命令后,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;在測量任務(wù)完成后

37、,向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送結(jié)束指令;當(dāng)系統(tǒng)接收到結(jié)束指令后,系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)停止采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法,整個程序由溫度測量模塊、無線收發(fā)模塊與串行通信模塊組成。軟件設(shè)計的整體流程如圖4-1所示。整個系統(tǒng)的各個部分都是服務(wù)于無線數(shù)據(jù)傳輸這個目的。所以,在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中,無線數(shù)據(jù)的傳輸為最主要部分。4.2系統(tǒng)使用的通信協(xié)議通信協(xié)議是通信雙方為實現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。由于主接收器與數(shù)據(jù)終端之間的通信可能會受到其它數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯誤,因此,需要通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本系統(tǒng)中,為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?無線通信協(xié)議還要考慮通信雙方的15檢錯、糾錯

38、問題。數(shù)據(jù)發(fā)送端在打包發(fā)送數(shù)據(jù)時,在無線數(shù)據(jù)包中添加校驗字節(jié),本文采用CRC校驗。接收端在接收到數(shù)據(jù)包后檢驗校驗字節(jié),若校驗不正確,請求發(fā)送端重發(fā);若重發(fā)達(dá)到規(guī)定的次數(shù)或出現(xiàn)通信超時,放棄當(dāng)前采集請求。nRF905只有一種協(xié)議格式,其中的前綴也就是數(shù)據(jù)頭,設(shè)備地址包括本機(jī)的地址和主接收器的地址,CRC校驗可進(jìn)行選8位或16位。4.3溫度采集流程DS18B20正常工作,程序的設(shè)計必須按照DS18B20的工作時序進(jìn)行。(1初始化時序見圖3-5主機(jī)總線發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平信號接著在tl時刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)DSl820在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us接著DS1820在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)6