基于射频微功率芯片的测温系统设计 - 全文

在农业生产活动中，温度、湿度信息的采集和传递是一项很重要的功能，以前粗放式生产，现在是追求高技术含量的精细化生产。农业上孵化、育种等场合，需要对温度实行控制，许多领域对温以及压力等数据的采集可通过传感器来实现，如何有效地管理棚室温度，是当前蔬菜管理的重点。

本文针对由于农作物的不同时期传感器的空间位置不固定，布线不方便，可靠性差的问题，采用无线通信技术进行数据传输。利用微功率RF芯片(nRF24E1)设计了一个体积小、成本低、性能稳定、功耗低、数据传输可靠的点对多点的无线射频数据采集系统，实现了对多个采样点的实时数据无线采集。经过实际使用，DSl8820和单片机AT89S52以及RF芯片组成的测温系统，完全符合用户的需要。

1 系统总体设计

本系统要实现的是温度、湿度和压力的采集、传输、显示和后期处理等功能。系统的总体构想为数据采集模块，短距离无线通讯模块，串口通信模块，显示处理模块几大部分。系统方案的确定主要集中在无线通讯模块的选择和显示模块上。

图1 系统总体构成（采集端和接收端）

硬件系统组成如图1所示，首先用传感器将现场信号转换为电信号，经过模／数转换器ADC采样、量化、编码后转换成数字信号，送到单片机进行初步处理，然后利用nRF2401无线数据传输芯片通过无线方式将有效数据发送给接收端，接收端在接收到有效数据后通过串行口将数据送入手机，手机通过C#语言编写的控制程序完成数据的显示以及对有效数据进一步处理的任务。

2 系统硬件设计

2．1 系统硬件组成

图2所示是系统的硬件组成，DSl8820是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55～+125℃，可编程为9～12 b A／D转换精度，测温分辨率可达O．0625℃，被测温度用符号扩展的16b数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DSl8820可以并联到3根或2根线上，CPU只需1根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从DSl820读出的信息或写入DSl820的信息，仅需要1根口线(单线接口)。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。以上特点使DSl8B20非常适用于远距离多点温度检测系统。DSl820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件，DSl820与nRF24E1的连接方式如图3所示。

图2 系统硬件组成

图3 温度传感器与无线收发芯片接口图

在本系统中，传感器采集数据后，送到下位机，下位机和上位机通过无线数据通道联系。无线数据收发部分主要由nRF24E1芯片、E2PR-OM、晶振、传感器信号输入和天线组成。

2．2 芯片nRF24E1内部结构

nRF24E1芯片是无线数据收发部分的核心，通过内嵌的51单片机内核，控制芯片内的A／D转换模块，无线收，发模块。将射频发射、接收、GMSK调制、解调、增强型8051内核、9输入12b ADC、125频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，从而实现数据的采集，传输，处理等功能。硬件模块如图4所示，芯片主要由以下部分组成：

图4 芯片nRF24E1内部结构

(1)CPU(微处理器)。带有增强型805l内核，ADC、SPI、RF发射器1个、RF接收器2个、唤醒定时器5个中断源，1个UART以及3个定时器。
(2)PWM输出。可编程确定PWM的输出工作于6位、7位或8位，PWM信号的频率可由软件控制。
(3)SPI接口和SPI总线。
(4)RTC唤醒定时器、WTD和RC振荡器。
(5)A／D转换器。A／D转换器有9个输入通道可通过软件进行选择。
(6)无线收发器，通过内部并行口或内部SPI口与其他模块进行通信，工作于全球开放的2．4～2．5 GHz频段。

3 无线数据传输系统的软件设计与实现

本系统在编程时采用模块化设计思想，各主要功能模块均编成独立的函数在主程序中加以调用，程序主要由以下功能模块组成：上电初始化程序、无线收发程序、数据包打包拆包程序、数据处理程序。采集端和接收端在上电后首先调用初始化程序，完成无线收发频率、工作模式、发射速率、A／D转换器精度及其他内部寄存器的初始化配置。

3．1 软件流程图

软件流程图如图5～图7所示。

图5 无线数据传输系统的数据流程

图6 系统数据无线发送流程图

图7 系统数据无线接收流程图

3．2 无线通信软件系统描述

系统软件设计主要包括两部分：无线通信模块和手机端数据处理模块，采用C#语言编写。无线通信模块首先需完成串口配置、A／D配置和接收器的配置，然后编写发送函数和接收函数实现无线通信。由于从机有多个，采用轮询的方式，对从机轮流发给“令牌”，从机在获得“令牌”期间才能和主机间进行通信。采用单工方式通信，首先打开通信配置，发送“配置字”，然后关闭通信配置，接收方接收到“配置字”后按照地址进行通信。接收函数和发送函数简介如下：

3．2．1 接收函数

接收函数程序如下：

3．2．2 发送函数

发送函数程序如下：

4 结语

该无线系统电路简单、性能稳定、抗干扰能力强、可靠性高、搭建方便、易于扩展，本系统适用于在短距离对多种环境温湿度的监测，有广阔的应用前景。无线数据传输在实验室的效果是好的，对采集参数的接收和数据的发送都反应灵敏。但无线数据传输还存在着一些问题，若采用竞争信道的方式可进一步提高系统效率，采用USB接口，可提高效率，同时支持即插即用，这些特性都需要进一步改善。