基于NRF905的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)有線溫度采集技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)了一種低功耗多點(diǎn)無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。對(duì)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對(duì)溫度采集系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。編程采用C語(yǔ)言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無(wú)線通信三部分。所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、受環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： NRF905； 無(wú)線通信； 溫度采集； C語(yǔ)言

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）23?0121?03

Design of wireless temperature acquisition system based on NRF905

GU Han， XU Jian， LAO Yi?hao

（School of Physics and Electronic Engineering， Changshu Institute of Technology， Changshu 215500， China）

Abstract： Aiming at the limitation of wired temperature acquisition technology， a low?power multi?point wireless temperature acquisition system is designed. The design scheme of the system is introduced， and the hardware design of the system is analyzed. Heavy stress was laid on the software of the system. C language is used for programming. The program is composed of three sections： main program， temperature acquisition and NRF905 wireless communication. The system has the advantages of high measurement precision， less influence by environment and low cost.

Keywords： NRF905； wireless communication； temperature acquisition； C language

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(shù)之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)中對(duì)溫度測(cè)量的要求也越來(lái)越高，測(cè)量數(shù)據(jù)的范圍也越來(lái)越大。溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器模塊的設(shè)計(jì)將直接影響著數(shù)據(jù)的測(cè)量效果，隨著測(cè)量要求的提高，傳感器模塊電路的復(fù)雜程度也會(huì)越來(lái)越高，無(wú)疑帶來(lái)布線的困難和效率的下降，同時(shí)存在著易短路，易老化等隱患，給系統(tǒng)的綜合調(diào)試和維護(hù)帶來(lái)難度。與傳統(tǒng)的有線通信技術(shù)相比，無(wú)線傳輸技術(shù)具有測(cè)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)線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度采集功能。

1 設(shè)計(jì)原理和方案

無(wú)線溫度采集系統(tǒng)是一種基于射頻技術(shù)[1]的無(wú)線溫度檢測(cè)裝置。系統(tǒng)中由溫度傳感器將溫度采集后輸出的模擬信號(hào)逐步送往信號(hào)放大電路、低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器（即信號(hào)調(diào)理電路），然后在單片機(jī)的控制下將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳送到無(wú)線收發(fā)芯片中，并通過(guò)芯片的調(diào)制處理后由芯片內(nèi)部的天線發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)模塊中，發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制的無(wú)線收發(fā)芯片接收并解調(diào)，最后通過(guò)接口芯片發(fā)送到PC機(jī)中進(jìn)行顯示和處理。

系統(tǒng)包括無(wú)線采集、主機(jī)控制和PC機(jī)三個(gè)通信節(jié)點(diǎn)：無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度采集和溫度數(shù)據(jù)的收發(fā)；主機(jī)控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單通信控制和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，并可通過(guò)串口傳到上位機(jī)；PC機(jī)節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)采集提供計(jì)算機(jī)通信方式，為實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大功能提供上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案圖

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)定好的系統(tǒng)方案，進(jìn)行硬件電路的具體設(shè)計(jì)，由于主機(jī)和從機(jī)各模塊的硬件設(shè)計(jì)原理基本相同，而溫度采集和NRF905無(wú)線通信[2]模塊都在從機(jī)部分，這里重點(diǎn)分析從機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 從機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 溫度采集

溫度采集模塊的主要功能是對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)字化，這里選用逐次逼近型[3]模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832芯片，該芯片具有8位分辨率，轉(zhuǎn)換范圍為0～5 V。由于數(shù)據(jù)的輸入和輸出不在同一時(shí)間進(jìn)行，所以DI和D0可以接到同一個(gè)引腳上。ADC0832使用SPI串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，電源電壓為+5 V，去耦電容[C]為0.1 μF，硬件電路如圖3所示。

圖3 溫度采集模塊

2.2 NRF905無(wú)線通信

無(wú)線通信模塊采用單片433/868/915 MHz無(wú)線收發(fā)器NRF905芯片[4]。該芯片與單片機(jī)的接口為SPI口，調(diào)制采用GFSK高斯頻移鍵控方式，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。波段采用ISM免費(fèi)波段，供電電壓為1.9～3.6 V，選用3.3 V供電，器件選用[5]AMS1117?3.3，發(fā)射功率最大為10 dBm，硬件電路如圖4所示。

圖4 NRF905無(wú)線通信模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分完成后，下面進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，溫度采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括主程序、溫度采集和NRF905無(wú)線通信三部分。

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(jié)點(diǎn)號(hào)，然后調(diào)用人工控制程序，進(jìn)行相應(yīng)的通道切換，同時(shí)接收采集數(shù)據(jù)并調(diào)用LCD顯示程序?qū)⑵滹@示，并將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給中央單元，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 溫度采集

溫度采集可分為系統(tǒng)初始化、等待NRF905接收和接收主機(jī)命令三部分。結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，接收主機(jī)命令時(shí)，應(yīng)采用通道0（CH0）來(lái)進(jìn)行溫度采集，具體程序如下：

void main（）

{

/*----系統(tǒng)初始化----*/

CSN=1；

SCK=0；

DR=1；

AM=1；

PRW_UP=1； //NRF905上電

TRX_CE=0； //設(shè)置standby模式

TX_EN=0； //設(shè)置接收模式

buzzer=0； //關(guān)閉蜂鳴器

Config905（ ）； //設(shè)置NRF905模塊

SetTxMode（ ）； //設(shè)置發(fā)送模式

TxPacket（ ）； //發(fā)送數(shù)據(jù)包

led1=0；

Delay（500）； //延時(shí)

led1=1；

SetRxMode（ ）； //設(shè)置NRF905接收模式

while（1） //等待NRF905接收

{

if（DR） //若接收到數(shù)據(jù)

{RxPacket（ ）；} //接收數(shù)據(jù)包

if（RxBuf[0]==0xaa） //接收主機(jī)命令

{temp1=ADC0832（CH0）； _nop_（ ）；}

}

}

3.3 NRF905無(wú)線通信

NRF905無(wú)線通信分為發(fā)送和接收兩部分，以數(shù)據(jù)發(fā)送為例進(jìn)行分析。NRF905數(shù)據(jù)發(fā)送可以分為確定數(shù)據(jù)和地址、確定發(fā)送模式、數(shù)據(jù)發(fā)送和發(fā)送完成四步。當(dāng)有數(shù)據(jù)提出發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，從機(jī)地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)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[6]，數(shù)據(jù)由NRF905不斷發(fā)送，直至TRX_CE被置低。TRX_CE被置低后，數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程完成，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式等待下次數(shù)據(jù)請(qǐng)求，具體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 NRF905發(fā)送程序流程圖

4 數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)

數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，選擇了五種不同溫度環(huán)境，首先在實(shí)驗(yàn)室搭建了溫度采集硬件電路，接著用KeiluVision4軟件編程和編譯得到[.hex]文件，最后用STC_ISP_V483軟件對(duì)芯片進(jìn)行燒寫(xiě)。把實(shí)驗(yàn)電路和蘇州領(lǐng)航測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SHWD?T486型無(wú)線多點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量的溫度值作對(duì)比，由表1數(shù)據(jù)可知有兩組值和SHWD?T486型測(cè)量數(shù)據(jù)一樣，剩余三組數(shù)據(jù)的相對(duì)測(cè)量精度也都在0.18%以下，測(cè)量精度較高，且受環(huán)境影響較小。

表1 不同環(huán)境下溫度采集數(shù)據(jù)

[型號(hào)＼E.v1＼E.v2＼E.v3＼E.v4＼E.v5＼實(shí)驗(yàn)電路 /℃＼4.5＼13.2＼32.6＼54.8＼78.9＼SHWD?T486型 /℃＼4.50＼13.22＼32.60＼54.71＼78.83＼相對(duì)測(cè)量精度 /%＼0＼0.15＼0＼0.165＼0.089＼]

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對(duì)溫度采集系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，編程采用C語(yǔ)言，主要分為主程序、溫度采集和NRF905無(wú)線通信三部分。設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比具有測(cè)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(yīng)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：顧 涵 男，1985年出生，江蘇蘇州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)，磁性功能材料制備與性能表征。

徐 健 男，1981年出生，江蘇常熟人，碩士，講師。研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)與智能控制。

勞裔豪 女，1991年出生，江蘇蘇州人，專(zhuān)業(yè)為電子科學(xué)與技術(shù)。