基于nRF905的無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

雷子浩，張麗艷，費繼友，李兆鵬

(1大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 動車運輸與維護(hù)工程學(xué)院，遼寧大連116023)*

0 引言

溫度是直接影響生產(chǎn)、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵等很多物理和化學(xué)過程的一個非常重要的物理量.溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量等一系列問題.因此對溫度進(jìn)行方便，有效的測量就顯得十分必要.傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)一般采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，這種方式容易受到電磁信號的干擾，從而造成信號的大幅衰減.同時在一些比較危險或者封閉的場合，有線傳輸會受到很多因素的限制.因此，本文給出了一種基于nRF905射頻模塊的無線溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用atmega16單片機(jī)主控芯片，采用的DS18B20溫度傳感器，并采用VB語言結(jié)合 Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)對接收到的溫度數(shù)據(jù)做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體上可以分三部分:溫度數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理.溫度采集部分是通過單片機(jī)對溫度傳感器進(jìn)行控制而獲得.數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收.在數(shù)據(jù)發(fā)送端，單片機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)以無線傳輸模塊特定的傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送;在接收端，無線通信模塊依照規(guī)定的傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，然后單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳給PC端.數(shù)據(jù)處理主要是PC端將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時曲線圖顯示，以及和設(shè)定的溫度上下限比較以及溫度的存儲，查找，修改，刪除等等.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

本文給出了電源電路、溫度傳感器工作電路和nRF905無線模塊電路的設(shè)計說明.

2.1 3.3 V 電源電路

由于 nRF905 工作電壓為1.9 ～3.6 V，所以本系統(tǒng)直接用ASM1117電壓調(diào)節(jié)器芯片將5 V的USB電源轉(zhuǎn)換成nRF905的正常工作時所需的3.3 V電源.然后用這個3.3 V電源模塊為nRF905供電.3.3V電源電路圖如圖2所示.

圖2 3.3 V電源電路圖

2.2 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一款單總線數(shù)字溫度傳感器［1］.其溫度測量范圍為 －55～125℃，測量精度為0.1℃.每個芯片內(nèi)部有64位的身份序列號.DS18B20溫度傳感器具有體積小，成本低，測溫精度高，連接方便，易于組建溫度檢測網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點.DS18B20可采用寄生電源和外接電源兩種供電方式［1］:寄生電源供電，在進(jìn)行多點測溫時，通常需要多占用一根I/O口線對其進(jìn)行強上拉切換，這樣才能解決I/O口電流供應(yīng)不足而產(chǎn)生的溫度測量的誤差大的問題;外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，同時可以保證轉(zhuǎn)換精度，而且在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng).本系統(tǒng)中DS18B20采用外部電源供電方式.DS18B20工作電路［2］如3圖所示.

圖3 DS18B20工作電路圖

2.3 nRF905 無線模塊

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9～3.6V，可以工作于433/868/915 MHz三個ISM頻道.由于內(nèi)部集成了頻率調(diào)制器，帶解調(diào)器的接收器，功率放大器，晶體震蕩器以及調(diào)節(jié)器.因此它可以自動完成處理字頭，CRC循環(huán)冗余校驗以及曼徹斯特編碼/解碼.nRF905帶有標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線接口.nRF905與atmega16單片機(jī)可以通過SPI方式和通過I/O模擬SPI方式進(jìn)行通信［3-5］.當(dāng)以SPI方式進(jìn)行通信時，通常是將單片機(jī)作為主機(jī)，nRF905作為從機(jī).因此往nRF905內(nèi)部寄存器寫數(shù)據(jù)同時也是從它讀數(shù)據(jù).而通過I/O模擬SPI方式進(jìn)行通信必須嚴(yán)格遵守SPI時序，I/O是在時鐘線為高電平的觸發(fā)下對nRF905內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作.本系統(tǒng)采用的是以SPI方式進(jìn)行通信.nRF905和atmega16單片機(jī)的連接如下圖4所示.

圖4 nRF905和atmega16的連接電路圖

3 軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計主要包括溫度數(shù)據(jù)采集［1，6-7］、nRF905 無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收和上位機(jī)軟件設(shè)計.

3.1 溫度數(shù)據(jù)采集

圖5 溫度采集流程圖

對于多個溫度的測量，可以用多個I/O口掛多個溫度傳感器，也可以用一個I/O口上掛多個溫度傳感器.前者在溫度測量的時候是需要省去ROM匹配，測溫程序相對簡單.后者則明顯節(jié)省I/O口資源.本系統(tǒng)采用的第二種方法，此方法溫度測量的關(guān)鍵是:對DS18B20的操作總是嚴(yán)格遵循DS18B20復(fù)位，ROM指令，ROM指令的先后順序.DS18B20溫度測量的流程圖如圖5所示.

3.2 nRF905無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

nRF905無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖6所示.由圖6所知，nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)時首先進(jìn)行nRF905初始化，設(shè)置如工作頻率，輸出功率，接收地址寬度，數(shù)據(jù)寬度，晶體振蕩器頻率，CRC校驗等，接著將其設(shè)置成發(fā)送模式即TX_EN置位，然后將發(fā)送地址和發(fā)送數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的發(fā)送地址寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，最后啟動發(fā)送即TRX_CE置位.TRX_CE置位之后，nRF905內(nèi)部射頻寄存器自動開啟，數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)，發(fā)送數(shù)據(jù)包三個過程按順序自動完成.當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成之后，DR數(shù)據(jù)引腳位會置高，可以用DR置高來觸發(fā)LED燈閃爍作為發(fā)送完成的標(biāo)志.同樣，接收數(shù)據(jù)時，先初始化，然后將nRF905設(shè)置成接收模式，啟動接收.650 μs之后，nRF905開始檢測接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到了同頻載波時，CD引腳置高;當(dāng)接收到的地址匹配時，AM引腳置高;當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完后，nRF905會自動對字頭，CRC校驗位，地址進(jìn)行處理，然后將DR引腳置高.接著將TRX_CE置低進(jìn)入空閑模式以準(zhǔn)備讀取接收到的數(shù)據(jù).然后使能SPI，以SPI通信協(xié)議指定的速率從接收數(shù)據(jù)寄存器讀取接收到的數(shù)據(jù).當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完成后，nRF905將AM引腳和DR引腳置低.

圖6 nRF905無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用VB語言［8-9］和Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)上位機(jī)界面的設(shè)計.VB語言具有簡單、易學(xué)、可視化界面設(shè)計風(fēng)格和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計等優(yōu)點.本系統(tǒng)使用MSComm控件來實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信.Access是微軟公司推出的基于Windows的桌面關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它具有面向?qū)ο蟆⒔缑嬗押谩⒁讓W(xué)易用、支持廣泛易于擴(kuò)展、維護(hù)簡單等優(yōu)點.使用VB結(jié)合數(shù)據(jù)庫開發(fā)上位機(jī)的整體思路是;首先用VB提供的可視化數(shù)據(jù)庫管理器建立好所需要的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表，然后在程序中使用ADODC數(shù)據(jù)庫控件或者使用ADO對象與數(shù)據(jù)庫中的表建立連接，再通過各種數(shù)據(jù)庫感知控件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各種操作.本系統(tǒng)設(shè)計的上位機(jī)界面如圖7所示.

圖7 上位機(jī)界面圖

5 結(jié)論

通過對室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的測量驗證本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，結(jié)果可靠，不僅可以實時顯示當(dāng)前溫度，還會超過溫度限定值而自動觸發(fā)報警功能，也能夠顯示實時溫度曲線，對所測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，刪除，查找和修改，可以使用戶更直接，準(zhǔn)確的掌握環(huán)境溫度情況.本系統(tǒng)不僅成本相對較低，使用方便，稍作修在就能夠使用很多工業(yè)檢測領(lǐng)域，具有實在的使用價值.

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