基于無線數字溫度傳感器的多點溫度測量系統設計

　　摘要
　　
　　介紹了一種基于無線數字溫度傳感器的多點溫度測量系統，給出了系統的硬件結構及軟件流程圖。實際使用表明，在煙草、糧食等倉庫中效果良好。
　　　　
　　１、系統硬件組成
　　
　　本文所設計的測量系統由若干個處于各測量點的無線數字溫度傳感器和一臺帶無線收發電路的主機（單片機）系統組成，其結構如圖１所示。上位機與各下位機之間采用主從式異步無線串行通信方式。　　　　
　　１.１ 無線數字溫度傳感器
　　
　　無線數字溫度傳感器由溫度測量、無線收發和微控制器組成。電路圖如圖２所示。　　　　
　　溫度測量采用單片溫度監控系統集成電路ＡＤ７４１６，其芯片內部包含有溫度傳感器和１０位模數轉換器，可將感應溫度轉換為０．２５℃量化間隔的數字信號。測溫范圍－５５～１２５℃，精度為±２℃。ＡＤ７４１６采用Ｉ２Ｃ串行總線和數據傳輸協議來實現與微控制器的數據傳輸，數據輸入／輸出線ＳＤＡ及時鐘信號線ＳＣＬ與微控制器ＰＩＣ１６Ｃ５４的ＲＢ７和ＲＢ６相連。當ＳＣＬ保持高電平時，ＳＤＡ從高電子到低電平的跳變為數據傳輸的開始信號，隨后傳送ＡＤ７４１６的地址信息和讀眉控制位。其地址信息的格式為：１００１Ａ２Ａ１Ａ０Ｒ／Ｗ。讀／寫控制位為１時，表示對ＡＤ７４１６進行讀操作，為０時，則表示進行寫操作。當每個字節傳送結束時，必須在收到接收數據一方的確認信號ＡＣＫ后方可開始下一步的操作。然后在地址信息和讀屑控制位之后傳送片內寄存器地址和數據。zui后，在ＳＣＬ保持高電平的情況下，當ＳＤＡ從低電平跳變到高電平時將終止數據的傳輸操作。地址編碼開關用于傳感器的編號。ＡＤ７４１６片內溫度傳感器可按預先設置的工作方式對環境溫度進行實時測量，并將結果轉化為數字量存人到溫度值寄存器中地址００Ｈ。ＡＤ７４１６預先設置的工作方式分自動測溫方式和低功耗方式兩種，本設計采用低功耗方式。當需要對環境溫度進行測量時，通過Ｉ２Ｃ串行接口總線來寫入操作命令，此時，芯片將由睡眠狀態轉入測溫狀態。當溫度量化轉換結束后，芯片將重新轉人睡眠狀態。
　　
　　無線收發電路采用ｎＲＦ４０３單片射頻收發芯片。芯片內包含有發射功率放大器，低噪聲接收放大器，晶體振蕩器，鎖相環，壓控振蕩器，混頻器等電路。工作頻率４３３ＭＨｚ，ＦＳＫ調制解調，采用晶體振蕩和ＰＬＬ頻率合成技術，接收靈敏度為—１０５ｄＢｍ，發射功率為１０ｄＢｍ，待機狀態電流消耗僅１０μＡ。在接收模式中，射頻輸人信號被低噪聲放大器放大，經由混頻器變換，這個被變換的信號在送人解調器之前被放大和濾波，經解調器解調，解調后的數字信號在ＤＯＵＴ端輸出。在發射模式中，壓控振蕩器的輸出信號是直接送人到功率放大器，ＤＩＮ端輸入的數字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。在接收模式中，射頻輸入信號被低噪聲放大器放大，經由混頻器變換，這個被變換的信號在送人解調器之前被放大和濾波，經解調器解調，解調后的數字信號在ＤＯＵＴ端輸出。在發射模式中，壓控振蕩器的輸出信號是直接送人到功率放大器，ＤＩＮ端輸入的數字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。
　　
　　芯片引腳９腳ＤＩＮ輸人數字信號，與微控制器的ＲＢ０相連，需要發射的數字信號通過ＤＩＮ輸入；１０腳ＤＯＵＴ輸出數字信號，與微控制器的ＲＢｌ相連，解調出來的信號經過ＤＯＵＴ輸出進入微控制器；１８腳ＰＷＲ－ＵＰ電源開關控制，與微控制器的ＲＢ２相連：ＰＷＲ－ＵＰ＝“１”為工作模式，ＰＷＲ＿ＵＰ＝“０”為待機模式，待機模式電路進入待機睡眠狀態，工作電流８μＡ，在待機睡眠狀態電路不接收和發射數據。１９腳ＴＸＥＮ為發射允許控制，與微控制器的ＲＢ３相連：ＴＸＥＮ＝“１”為發射模式；ＴＸＥＮ＝“０”為接收模式。接收模式轉換為發射模式的轉換時間至少１ｍｓ；發射模式轉換為接收模式的轉換時間至少３ｍｓ。
　　
　　微控制器采用ＰＩＣ１６Ｃ５４。系統采用ＬＰ低頻低功耗晶體振蕩方式，地址編碼開關用于傳感器的編號，ＲＢ口分別與ＡＤ７４１６和ｎＲＦ４０３的引腳相連，用于溫度和無線收發控制。由于無線溫度傳感器采用電池供電，整個電路采用低功耗設計。
　　
　　１.２ 主機系統
　　
　　主機（上位機）采用ＡＴ９８Ｃ５１單片機，外接ｎＲＦ４０３無線收發電路、健盤顯示及微型打印機等電路。電路組成如圖３所示。
　　
　　２、系統工作原理及軟件設計
　　
　　在這個多點溫度測量系統中，系統采用查詢方式對各點的溫度進行測量，使用了多臺ＰＩＣ單片機作為下位機，并按照上位機的要求將采得的溫度數據傳送給上位單片機ＡＴ８９Ｃ５１系統。上位機與各下位機之間采用主從式的異步串行通訊方式，即下位機接到上位機的通信信號時才做出響應，否則將一直處于睡眠狀態。
　　
　　限于篇幅，這里主要是設計下位機即ＰＩＣ１６Ｃ５４單片機與上位機即ＡＴ９８Ｃ５１單片機的通信程序，而ＡＴ９８Ｃ５１單片機與顯示器件，打印機及通信程序是大家所熟知的，這里不作討論。
　　
　　下位機型號為ＰＩＣｌ６Ｃ５４，它體積小，功能強，功耗低。它沒有專門的串行通訊口及相關的控制字和標志位，采用普通Ｉ／Ｏ口和特定的通信協議，實現了主從式的多機串行通訊，實際應用中取得良好效果。
　　
　　鑒于上位機對下位機發送的命令只有２種：呼叫、發送溫度測量數據。呼叫命令即是上位機欲與之通信的下位機的編號，而發送命令只要不與呼叫命令重復，即可以將下位機的地址編號，同樣作為數據命令來發送。具體方法是，在單片機的程序中，設置一個標志寄存器ＦＬＡＧ，將它的某一位如第７位，即ＦＬＡＧ７作為控制位，先將其設為０。各下位機在接收到上位機命令之后，首先查看ＦＬＡＧ７為１還是為０，如果ＦＬＡＧ７為１，則轉入溫度測量程序和發送溫度測量數據段；若為０則將接收到的命令與本機地址相比較，若不同，則返回睡眠狀態，ＦＬＡＧ７仍為０；若相同這種情況說明：上位機此時確實發送的是呼叫命令則將ＦＬＡＧ７置：為１，表示已得知上位機要與自己通信，同時將本機地址傳給上位機作為回應。當上位機再次發來命令時，即可實現一對一的通信，程序流程圖如圖４所示。
　　
　　３、結束語
　　
　　所設計的無線多點溫度測量系統采用集成電路，電路結構簡單，工作穩定可靠。設計中充分利用了各芯片的低功耗特性，有效地延長了電池的使用時間；無線數據傳輸方便靈活，在煙草、糧食等倉庫中應用效果良好。