基于STC12C5A60S2的无线温度采集系统设计 - 全文

　　目前，我国绝大多数的温度监测系统都是传统方式，主要有就地进行数据采集的方式和有线通信的实时温度监测系统，前者测量方法单一，测量数据不连续且时效性差，后者缺少灵活性且适用环境有限。随着信息通信与电子技术的迅猛发展，使得传统的数据采集方式已不能满足需求，严重地制约了现代化监测系统发展的进程。例如在监测区域环境复杂，且监测点的位置分布较分散的情况下，布线复杂而且慢，人力物力成本较大，不适合与控制中心进行有线通信。无线监测系统是无线技术发展至今最重要的应用之一，采用无线网络可增强监测系统的灵活性和可扩充性，省去网络布线的麻烦。

　　因此，本文尝试研究一种无线温度监测系统，此系统将无线收发模块与单片机相结合，采用抗干扰能力强的射频发射模块及接收模块实现无线通信，提高系统的可靠性。该监测系统具有结构简单、使用方便、成本低、工作稳定可靠等优点。

　　1无线传感器节点硬件设计

　　1.1单片机选择方案

　　无线传感器节点要实现对温度信息的采集、处理和无线传输。无线传感器节点内的单片机对节点起管理、控制作用，并进行信号处理。在选择单片机时，主要参考以下标准：首先，要求单片机的功耗要很小，由于它消耗的是节点中电池的电量，并且长期处在工作状态，所以必须具有功耗低的特点。其次，要求单片机的价格适中，不能使成本太高。此外单片机的运行速度和程序存储空间大小，对以后节点功能的扩展很重要。本无线传感器节点采用STC12C5A60S2单片机去控制nRF24L01射频芯片和DS18B20温度传感器，其硬件结构与功能模块的对应关系如图1所示。

　　图1无线传感器节点新一代STC12C5A60S2与传统的MCS-51系列单片机指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干扰性能强等优点。该单片机拥有60K的程序存储器和1280字节RAM，完全能满足单片机系统的软件设计要求;且该单片机是新一代单时钟/机器周期（1T），其处理速度是传统51单片机的8到12倍，便于以后进行功能扩展，例如：可以快速处理其所在节点的路由算法。故STC12C5A60S2单片机是构建本监测节点理想的选择

　　1.2无线收发模块

　　nRF24L01是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器。该器件工作于2.4 GHz全球开放ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，可直接与单片机I/O连接.nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流仅9 mA;接收时，工作电流仅12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电和空闲模式）更利于节能设计［3］。与nRF24L01的SPI接口连接时，可以利用单片机硬件的SPI口，也可以用单片机I/O口进行模拟。该收发模块内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。

　　1.3温度采集芯片

　　DS18B20结构简单，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据。在现场采集温度数据时，将数据直接转换成数字量输出。测量温度范围为-55～125℃，在-10～85℃时精度为±0.5℃;可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.062 5℃，可实现高精度测温;在9位分辨率时最多在93.75 ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750 ms内把温度值转换为数字，速度很快;测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给处理器，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

　　2硬件原理图

　　单片机的SPI接口有两种操作模式：主模式和从模式。在主模式中支持高达3Mbit/s的速率，从模式时速度低些.nRF24L01提供的SPI接口数据传输率取决于单片机本身接口速度。单片机通过SPI对nRF24L01进行状态配置，系统设为发送模式，单片机就把数据输入到nRF24L01，当P0.2（CE）信号从1变为0时，nRF24L01就把从单片机收到的数据以2Mbit/s的速率发射出去，并通过IRQ信号通知单片机发送完成。若系统设为接收模式，nRF24L01就一直在监测天线接收的信号，若有同频的信号，就收下并打开信息包读取地址，地址与自己的相同就取出信息包里的有用数据，并通过IRQ信号通知单片机取走。节点原理图如图2所示。

　　3系统工作流程

　　无线传感器节点在启动后，首先配置nRF24L01的相关寄存器，使其工作在发送状态。节点在发送模式下，首先复位DS18B20，单片机向DS18B20发送温度转换命令，读取已转换的温度值，然后交由nRF24L01发送。上位机的接收模块在接收模式下，首先读取无线模块的状态寄存器，并判断是否接收到数据，若没有，则一直检测等待数据的到来;若有，则接收数据并送至接收模块的RS232串口处，上位机监测软件从串口处读取数据并显示。其工作流程如图3、4所示。

　　4系统实现

　　4.1 STC12C5A60S2控制温度传感器DS18B20

　　从DS18B20读1字节数据图2节点电路原理图

　　uchar DS18B20_ReadByte（）

　　｛uchar i=0，dat;

　　for（i=0;i《8;i++）

　　｛DQ=1;//先拉高

　　delay_1us（）;//稍作延时

　　DQ=0;//启动读时序

　　delay_1us（）;//稍作延时

　　DQ=1;//释放总线

　　delay_us（6）;//延时约7μs，主机采样

　　dat》》=1;//先右移一位，使最高位为0

　　if（DQ==1）

　　dat|=0x80;//与10000000或，dat=10000000

　　else

　　dat|=0x00;//取值为0

　　delay_us（50）;

　　｝

　　eturn（dat）;｝

　　向DS18B20写1字节数据

　　void DS18B20_WriteByte（uchar x）

　　｛uchar i;

　　for（i=0;i《8;i++）

　　｛DQ=1;

　　delay_1us（）;//稍作延时

　　DQ=0;//启动写时序

　　DQ=x&0x01;//向数据线传送最低位

　　delay_us（40）;//延时约50μs，供18b20采样数据

　　DQ=1;//释放总线

　　delay_1us（）

　　;x》》=1;//右移一位

　　｝

　　delay_us（2）;//写完一个指令稍作延时｝

　　4.2 STC12C5A60S2控制无线模块nRF24L01

　　函数：SPI_RW（）。描述：根据SPI协议，写一字节数据到nRF24L01，同时从nRF24L01读出一字节

　　uchar SPI_RW（uchar byte）

　　｛uchar i;

　　for（i=0;i《8;i++）//循环8次

　　｛MOSI=（byte&0x80）;//byte最高位输出到MOSI

　　byte《《=1;//低一位移位到最高位

　　SCK=1;//拉高SCK，nRF24L01从MOSI读入1位数据，同时从MISO输出1位数据

　　byte|=MISO;//读MISO到byte最低位

　　SCK=0;//SCK置低｝return（byte）;//返回读出的一字节

　　｝

　　函数：SPI_Read_Buf（）。描述：从reg寄存器读出bytes个字节，通常用来读取接收通道数据或接收/发送地址

　　uchar SPI_Read_Buf（uchar reg，uchar*pBuf，uchar bytes）

　　｛uchar status，i;

　　CSN=0;//CSN置低，开始传输数据

　　status=SPI_RW（reg）;//选择寄存器，同时返回状态字

　　for（=0;i《bytes;i++）

　　pBuf ［i］ = SPI_RW 0）;//逐个字节从nRF24101读出

　　CSN = 1; //CSN拉高，结束数据传输

　　return ftatus）; /1返回状态寄存器

　　函数：SPI_W rite_Buf 0.描述：把pBuf 緩存中的数据写入到nRF24101，通常用来写入发射通道数据或接收1发送地址

　　SPI_ W rite_ Buf Guchar reg.uchar ucharpBuf.w har bytes ）

　　{uchar status.i ;

　　CSN = 0; 11CSN 置低。开始传输数据

　　status = SPI_RW feg）; 11选择寄存器，同时返回状态字

　　for i=0;i《bytes;i++）

　　SPI_ RW （pBuf ［i］）;//逐个字节写入nRF24L01

　　CSN = 1; //CSN拉高，结束数据传输

　　return Status）; 11返回状态寄存器

　　4.3上位机接受数据的实验结果

　　上位机实时显示温度变化如图5所示。

　　5.结语

　　单片机采用新一代增强型8051STC12C5A60S2 与高度集成的nRF24L01器件结合，大大简化了系统硬件和软件设计，减小了体积，提高了系统工作的可靠性，且系统的运行速度得到很大提高。实践证明该系统设计简单成本低廉，运行速度快。通信可靠。运行稳定。具有较高的实用价值。由于STCI2C5A60S2 的程序存储器空间比传统的51单片机大了10倍之多，且运行速度也提高了8-12倍，这有利于以后进行节点路由功能的扩展.