一種無線傳輸的溫度采集系統的設計

摘 要： 介紹一種以PT1000鉑熱電阻為溫度傳感器，以AD7705模/數轉換器進行電壓采集，利用NRF24L01進行無線傳輸，采用STM32F103VE芯片作為控制器的溫度采集系統。詳細介紹軟件設計、硬件電路設計，數據采集以及數據傳輸各部分工作情況，并給出了實際測試結果。

關鍵詞： 鉑熱電阻； 模數轉換器； 無線數據傳輸； 溫度采集系統

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0136?03

Design for temperature acquisition system of wireless transmission

JIA Yunfeng， FU Chengwei

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： The temperature acquisition system is introduced in this paper， in which the platinum thermistors PT1000 is taken as the temperature sensor， the voltage is acquired with A/D converter AD7705， NRF24L01 is applied to conducting wireless transmission， and the chip STM32F103VE is adopted as the temperature acquisition system of the controller. The software design， hardware circuit design， and working conditions of data acquisition and transmission are introduced in detail. The practical test results are provided.

Keywords： platinum thermistor； A/D converter； wireless data transmission； temperature acquisition system

0 引 言

在日常生活和工業生產中，溫度是一個必不可少的參數，對溫度的監測尤為重要。普通的溫度采集系統需要信號線進行通信，為了解決信號線帶來的困擾，設計了采用無線數據通信的溫度采集系統。

1 系統總體設計

該系統包含信號采集、信號發射和信號接收三個主要部分。信號采集部分將采集信號傳遞至發射端，發射端將數據通過電磁波發射到大氣中，無線接收端在接收到相應的電磁波后，可對數據進行處理和存儲。

圖1 系統工作流程圖

2 元器件選擇與結構設計

2.1 單片機

本系統選用的是STM32F103VE微處理器。STM32系列微控制器是專門針對于高性能、低成本、低功耗而設計的嵌入式處理器，采用代碼密度的Thumb?2指令集和提高中斷響應的緊耦合嵌套向量中斷控制器[1]。STM32運行速度更快，性能更高，且在核上設計了單周期乘法制定的硬件觸發[2]。

2.2 溫度傳感器及采集電路

本系統選用PT1000鉑電阻作為溫度傳感器，在中低溫測量范圍內鉑熱電阻具有更好的精度、線性度和穩定性。為提高精度，消除導線電阻，選用三線制PT1000，同時配合相應的電路使用，具體電路如圖2所示。采集電路將PT1000隨溫度變化的電阻值轉變為隨溫度變化的電壓值，以便通過模/數轉換器進行采集。

在實際應用時，需要考慮PT1000的自熱問題，因此應保證通過PT1000的電流小于1 mA；同時需要盡可能提高電壓變化范圍，以此保證更高采集精度。此系統實際應用中最低采集溫度為-50 ℃，經計算此電路采用電阻大小為：R9=3 900 Ω，R10=3 900 Ω，R19=750 Ω，這樣設計既保證了PT1000不會因為自熱問題影響采集誤差，同時提高了采集精度。在實際應用中，可以根據不同工作需求，對R9，R10，R19的阻值進行適當調整。

圖2 采集電路

2.3 模數轉換器

該系統所用模/數轉換器為AD7705電壓采集芯片，其具有16位精度，可進行雙通道全差分模擬輸入采集，片內包含一個低通數字濾波器，能有效地消除在模/數轉換過程中產生的噪聲，而且片內包含一個1～128倍增益的可編程放大器，通過設置不同的增益倍數，可相應的提高測量精度。

2.3.1 硬件設計

AD7705與STM32F103VE連接電路見圖3，經過AD7705轉換的數字量便可寫入NRF24L01進行無線傳輸。

圖3 AD7705接口電路

2.3.2 軟件控制

對AD7705的初始化，需要對相應參數進行配置，AD7705采用雙通道全差分工作方式，增益倍數為1，刷新速率為500 Hz。

AD7705對兩個通道的采集不能同時進行，在電路中采集雙通道電壓，需要在兩個采集通道之間進行切換，在每次切換通道之后需要進行芯片內部的自校準，如圖4所示。

TM7705_WriteByte（REG_SETUP | WRITE | CH_1）；

//寫通信寄存器，下一步是寫設置寄存器，通道1 TM7705_WriteByte（MD_CAL_SELF | __CH1_GAIN_BIPOLAR_BUF | FSYNC_0）； //啟動自校準

TM7705_WaitDRDY（）； //等待自校準完成

TM7705_WriteByte（0x38）；

//向通信寄存器寫入讀取數據寄存器中數據的指令

圖4 AD7705工作流程

2.4 無線模塊

NRF2401芯片內置硬件CRC校驗和點對多點通信地址控制，集成了頻率合成器、晶體振蕩器和調制解調器[3]。

NRF2401提供直接模式和突發模式兩種通信模式。直接模式需要在發送前添加校驗碼和地址碼，在接收端判斷本機地址并檢查數據傳輸[4]。而突發模式不僅功耗低，抗干擾能力強，而且數據可從低速控制器寫入，無需添加校驗，并以1 Mb/s高速發射，因此采用突發模式可以使系統達到更高的工作效率。

2.4.1 硬件設計

NRF24L01電路如圖5所示。

2.4.2 軟件控制

SPI_Write_Buf（（WRITE_REG1 + TX_ADDR）， TX_ADDRESS， TX_ADR_WIDTH）；

//寫本地地址

SPI_Write_Buf（（WRITE_REG1 + RX_ADDR_P0）， RX_ADDRESS， RX_ADR_WIDTH）；

//寫接收端地址SPI_RW_Reg（（WRITE_REG1 + RF_CH）， 0）； //設置信道工作為2.4GHZ，收發必須一致

SPI_RW_Reg（（WRITE_REG1 + RF_SETUP）， 0x07）；

//設置發射速率為1 MHz，發射功率為最大值0 dB

SPI_RW_Reg（（WRITE_REG1 + RX_PW_P0）， RX_PLOAD_WIDTH）； //設置接收數據長度，本次設置為32 B

SPI_WR_Reg（WRITE_REG1 + CONFIG， 0x0f）； //接收模式

SPI_WR_Reg（WRITE_REG1 + CONFIG， 0x0e）； //發射模式

圖5 NRF24L01電路

3 軟件設計及計算方法

3.1 軟件設計流程

首先進行各部分初始化，單片機部分主要包括時鐘、I/O口、SPI、定時器和外部中斷的初始化，AD7705的初始化包括進行自校準以及配置刷新速率，無線模塊的初始化主要為工作模式的配置。經過初始化，單片機通過SPI1讀取AD7705采集到的數據，再通過SPI2把數據寫入到發射端的無線模塊，啟動無線發射，并判斷NRF24L01是否發送成功，如果未成功，則重新啟動發射。接收端單片機通過NRF24L01接收中斷判斷成功接收到數據，單片機讀取數據后通過CAN總線傳送至上位機進行存儲。

3.2 計算方法

AD7705采集到的電壓為Vadc，則采集電路兩端的電壓為：

[Volt=Vadc×2 50065 535] （1）

PT1000的電阻值：[R=VCCR10+R19+VoltVCC-VCCR10+R19+VoltR9] （2）

實際應用中選取的電阻值如下：R9=3 983.6 Ω，R10=3 959.4 Ω，R19=748.3 Ω，VCC=5 V。

根據式（1）、式（2）可計算出PT1000的電阻值，通過查詢PT1000分度表可得到當前的溫度值。

4 實際測試及結果

將密封好的模塊置于專業制冷測試的冰箱中，開啟系統后，系統正常工作，將冰箱調節至不同溫度進行測試，每隔1 min記錄1次數據。從數據中抽取在-40 ℃時的數據，制成圖6溫度曲線。

圖6 溫度曲線

5 結 語

該系統擺脫了信號線的束縛，使用更為靈活，采集精度高，誤差在0.3 ℃以內，結構簡單，但在遠距離的情況下受障礙物干擾較大，需進一步改善本系統，以提高其在復雜環境下的通信距離。

參考文獻

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[2] 王永宏，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex?M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

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