温度检测无线传输系统.docx

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温度检测无线传输系统

温度检测无线传输系统

摘要：

本课题是“基于Cortex-M3处理器的低温风力发电机”的拓宽项目，原项目中风力发电机野外工作坏境恶劣，监控站距离风力发电机较远。

使用信号直接传输的将会造成一定的浪费及不便，无线传输则可以改善以上不足。

本文介绍的系统目前已经成功完成设计与制作。

系统是由单片机AT89S52和射频芯片nRF905等模块组成的嵌入式温度数据检测系统。

系统温度检测设计中采用了先进的数字温度传感器。

本文详细介绍了系统的具体工作流程，并在此基础上给出了射频芯片的工作流程图、无线数据检测部分和无线主机部分的硬件设计结构图。

系统软件编程采用了C语言编程。

本系统已经通过实验测试。

测试结果表明整个系统的温度测量误差已经达到设计±0.5℃的要求。

整个仪表系统测量精度为0.5级。

无线传输距离达到了300米。

在300米的范围内，系统性能保持稳定。

系统还具有良好的抗电磁干扰能力。

目前整个系统各项性能已经完全达到设计预期要求。

本系统不仅可以用于“基于Cortex-M3处理器的低温风力发电机”系统，可以用于遥感、遥控、无线抄表、工业数据采集及家庭自动化等领域。

有一定的实用价值。

关键词：

温度；无线收发器；单片机；传感器

TemperaturedetectionwirelesstransmissionSystem

Abstract:

Thistopicisthewideningprojectof"low-temperaturewinddrivengeneratorbasingonCortex-M3processor".Thewinddrivengeneratorintheoriginalprojecthasabadfieldworkingenvironmentsincethemonitoringstationisremotefromthewindgenerator.Thewayofdirecttransmissionofthesignalwillcauseacertaindegreeofwasteandinconvenience,whilewirelesstransmissioncanmakeuptheaboveshortcomings.

Thesystemdescribedinthispassagehasbeensuccessfullycompleteddesignedandproduced.ThesystemisaembeddedtemperaturedatadetectionsystemthatmadeupofSCMAT89S52andRFICnRF905andseveralothermodules.Thedesignofthetemperaturedetectionsystemadoptsadvanceddigitaltemperaturesensor.

Thispaperdescribesthesystem'sspecificworkflowindetail,andonthisbasisgivesouttheworkflowdiagramofRFICandthestructurechartofhardwaredesignofthewirelessdatadetectionpartandwirelesshostpart.SystemsoftwareprogrammingadoptstheClanguage.

Thesystemhaspassedthelabtest.Thetestresultsshowthatthetemperaturemeasurementaccuracyofthewholesystemreaches±0.5℃,Measurementaccuracyoftheinstrumentsystem0.5Levelandthewirelesstransmissionrangegoesupto300meters,andthesystemperformancestaystablewithin300meters.Thesystemalsohasgoodresistancetoelectromagneticinterference.Sofartheperformanceoftheentiresystemhascompletelymetthedesignexpectations.

Thissystemisnotonlyfor"low-temperaturewinddrivengeneratorbasingonCortex-M3processor"system,butalsocanbeusedforremotesensing,remotecontrol,wirelessmeterreading,industrialdataacquisitionandhomeautomationandotherfields.Havesomepracticalvalue.

Keywords:

temperature;wirelesstransceiver;SCM;sensor

目次

1绪论

1.1课题的背景、目的和意义

本设计是常州市清凉仪表有限公司和常州大学（原江苏工业学院）于2009年1月起共同承担的常州市中小企业创新基金项目（项目编号：

CN20090040）“基于Cortex-M3处理器的低温风力发电机”的拓宽项目。

原“基于Cortex-M3处理器的低温风力发电机”课题已于2010年5月28日，通过由中国机械工业联合会组织鉴定。

鉴定结结论中指出，该课题的成果在低温型风力发电机保护控制器领域部分填补了国内外空白。

本设计“温度检测无线传输系统”是上述课题的拓宽。

主要目的是采用无线通信技术，实现温度无线传输，以扩展上述项目的应用范围。

本设计任务完成后，同时还可以应用到野外机动设备或无法用有线连接的现场（如高空或边远地区无人气象探测、交通运输管理、野战军事设备、野外无人值守的采油井等场合），解决无法检测的问题。

因此，本设计不仅仅为“低温风力发电机控制”项目拓宽应用范围，也为无法采用传统的有线传输的检测系统提供一种方法。

近年来无线通信技术，其中尤其微距离无线通信技术，得到了迅速发展。

诸多厂家推出了各种专用的单芯片射频收发器。

加上微控制器技术成熟，使专用或通用的无线通信模块的制作已经可以实现。

通常射频芯片采用GFSK（GaussFrequencyShiftKeying）调制方式，工作于ISM（theInstituteforSupplyManagement）（工业、科学和医疗）频段，通信模块包含简单透明的数据传输协议或简单使用简单的加密协议。

这样，用户不必对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。

又因无线通信模块具有功率小、开发简单快速的优点，从而在工业和民用等领域中，无线传输技术将会得到了广泛的应用。

在现代测量中，数据测量装置需要采集传感器所获取的数据，并将采集得到的数据传送到主机进行数据分析和处理。

随着数据采集应用范围的拓展，不少场合，如高腐蚀性环境等场合，检测单元无法实现与主机直接连接。

为了保证安全等诸多要求，采用传统的数据传输信道即通过有线连接传输采集的数据（如通过串、并行总线、CAN（ContentAddressableNetwork）总线等），已经不能满足数据采集与传输的需要。

采用无线数据传输就显示出巨大的优势，因此，无线数据传输不受地理环境、气候、时间等的限制，具有广阔的应用前景。

实现无线通信的方式有很多，最简单的方式是利用现有的无线通信网，比如GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）/GPRS（GeneralPacketRadioService）、CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）移动网络等，但是这样势必要向网络运营商支付额外费用。

我们也可以建立自己的无线局域网，这样虽然具有专网专用，安全性高的优点，但是需要购置专用的无线设备，成本较高，且购买产品为独立器件，使得移动设备端体积庞大，从而不利于系统推广。

因此，如果设法采用一些符合当前市场追求物美价廉的行情的措施，必将会给带来广阔的市场。

本设计开发的基于nRF905无线射频技术的无线通信控制系统是专门在减小无线通信设备体积、降低其运转成本等项内容采取了有效措施的无线传输系统。

系统具有成本低廉，体积小巧、易用操作等特点。

本设计装置开发成功将会给生活或生产带来方便的同时也带来实用[1]。

本设计项目的任务是在分析温度采集系统实现的各种原理和无线接发收系统的原理的基础上，确定一个合适的整体设计方案。

确定设计方案的同时还需要考察设计方案的可行性及经济性等方面的内容。

最后，确定最佳设计方案。

1.2课题的现状及发展趋势

近年来随着计算机技术，通信技术、集成电子技术的飞速发展，短距离无线传输技术（如ZigBee、Wi-Fi、NFC（NearFieldCommunication）、Bluetooth、RFID（RadioFrequencyIdentification）、UWB（UltraWideband）等）发展神速。

这些技术的发展影响并改变了个人及家庭单元的生活方式。

同时，这些也将是个人及家庭单元同远距离无线技术共同实现无线内容连接的基础。

是一个正在高速增长需求的前景辉煌的领域。

蓝牙技术是最近几年出现的，广受业界关注的近距离无线连接技术，它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。

Wi－Fi（WierlessFidelity，无线高保真）也是一种无线通信协定，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样同属于短距离无线通信技术。

Wi－Fi速度最高可达11Mb/s。

虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面略胜一筹，可达100米左右。

射频RF（RadioFrequency）表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～30GHz之间。

射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。

每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

有线电视系统就是采用射频传输方式的。

射频技术的发展，无线数据传输芯片尺寸越来越小，功能也越来越齐全，再加上辅助元件后在性能上更加优越，传输距离更远，信号的稳定性更高，传输速率更快，硬件实现简单，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，现在市场上的无线数据传输芯片主要为FSK调制方式，其频率发生器种类繁多，但基本上分为三类：

第一种采用LC振荡器，可靠性低，但是价格便宜；第二种是采用声表振荡器，频率稳定性高于LC振荡器；第三种采用锁相环技术，晶振稳频，性能比较优良，价格也比较昂贵。

在国内，应用这些高集成度的芯片嵌入要开发的系统中，广泛应用到国民经济的各个领域中：

如无线数据采集传输系统，车辆监控，小型无线网络，无线抄表，工业数据采集系统，无线遥控系统，生物信号采集，水文气象监控，机器人制造，无线232数据通信等等。

这些应用为国家和企业节省了大量人力物力，使现代办公和生活更加方便安全[3]。

随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生产和生活的自动控制系统开始进入了人们的生活。

以单片机为核心的温度采集系统就是其中之一。

同时也标志了自动控制领域，成为数字化信息时代的一员，它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。

温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。

1.3本设计的主要内容

设计目标：

设计并制作一套具有无线传输功能的温度检测与显示装置。

设计要求：

无线传输温度检测显示装置温度检测量程-50℃～100℃、系统显示精度为0.5级、无线传输距离大于300米。

装置具备抗电磁干扰能力。

设计内容：

●选择温度检测元件；

●确定无线传感技术；

●设计无线传输温度检测显示系统；

●完成温度无线传输检测显示装置硬件制作；

●编制传输、显示等部分程序；

●系统软硬件总体调试；

●撰写设计说明书。

本课题的任务是要求完成温度测量精度达到0.5级的检测部分的电路软硬件设计及信号的无线传输软硬件设计两大部分工作。

课题的重点是如何实现信号的无线发射和接收，即本设计的重点是实现温度检测信号的无线传输。

整个设计装置的工作过程是:

发射端单片机首先读取数字温度传感器DS18B20温度信号，无线发射器nRF905再发送命令将温度信号发送出去；接收端单片机从发射器nRF905接受数值信号后，并将数值信号进行处理，获得相应的温度值后将温度值直接显示在装置的数码管上。

装置还可以通过信号线将温度的数值在上位机上进行显示或控制。

这次设计中本人所承担的任务是整个系统硬件的设计。

作为一个采用单片机实现的系统，软件和硬件是无法分割的。

也就是说，只有软硬件两者紧密结合，才能获得满意的结果。

因此，在实际工作中，本人除了完成整个系统的硬件设计以外，对系统软件部分进行了不少工作。

2课题设计方案的原理

2.1系统的总体方案

经文献资料查阅，分析对比后获得的系统总体结构如图1所示。

图1系统总体结构

系统由五大模块组成

●温度采集模块；

●电平的转换转换模块；

●系统的核心模块：

数据处理和控制功能模块；

●数码管显示模块；

●无线接受、发送传输模块；

设计系统的目标是实现温度检测无线传输。

整体系统功能是采用发送部分的单片机控制检测模块的温度采集、无线传输模块的信号传输，将温度信号传输给接收端的单片机控制系统。

接收端的单片机系统在接收端接受信号，并在接收端的上的数码管显示出来。

2.2温度传感器选择

2.2.1温度传感器的介绍

将温度值转换成电压？

温度传感器就是将测到的温度值转换成电压的有效途径。

当实际测量热源时，首先需要用温度传感器进行温度的采集。

通用的温度传感器有热电偶，热敏电阻，RTD（ResistanceTemperatureDetector）和集成电路传感器等，各种温度传感器都分别有其不同的特点。

各种传感器的曲线如图2所示。

图2各种传感器曲线特性

热电偶：

优点：

自己供电、简单坚固、价格低、采用各种物理形式、温度范围广。

缺点：

非线性、电压低、要求参考温度、稳定性最差、敏感性最差。

RTD：

优点：

最稳定、最准确、线性度高于热电偶。

缺点：

价格高、速度低、要求电流电源、电阻变化小、三线测量。

热敏电阻器：

优点：

输出高、速度快、两线欧姆测量。

缺点：

非线性、温度范围有限、易碎、要求电流电源、自热。

数字温度传感器

优点：

线性度最高、输出最高、价格低。

缺点：

T<250℃、要求电源、速度低、自热、配置有限。

由单片集成电路构成的单线数字温度传感器由于其外围电路结构简单,使用方便,开发成本低,开发周期短而得到很广泛的应用。

以前的温度传感器大都输出的是模拟信号,不能直接送入单片机等微处理器进行测量,而且要做多点测量十分麻烦,所以在多点温度测量中得不到广泛的应用。

意法半导体公司（ST）开发出的LM75数字温度传感器是具有2线串行可编程温度传感器，用户编程设置监控值、滞后值。

LM75的通信时，通过与行业标准协议兼容的2线总线完成的，它允许读入当前温度，对设定值和滞后编程，并配置器件。

美国Dallas公司开发出的DS18B20单线数字温度传感器具有与一般模拟温度传感器相当的测量范围和精度,输出直接表示温度值的12位（二进制数）数字。

由于DS18B20具有全球唯一的序列号,故一根总线可以挂接任意多个DS18B20。

DS18B20有数据总线供电和外部电源供电两种供电方式,可以非常方便地构成单线多点温度测量系统。

所以本系统选择DS18B20数字温度传感器使用。

2.2.2DS18B20的引脚图及引脚排列

图3DS18B20引脚排列

表1DS18B20的详细引脚说明

引脚8脚SOIC

引脚PR35

符号

说明

9

1

GND

信号地

8

2

DQ

单线运用的数据输入/输出引脚。

7

3

VDD

可选VDD引脚。

2.2.3DS18B20的特性

●独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信

●多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化

●不需要外部元件

●可用数据线供电

●不需备份电源

●测量范围从-55°C至+125°C，增量值为0.5°C。

等效的华氏温度范围是-67℉至257℉，增量值为0.9℉。

●以9位数值方式读出的温度

●在1秒（典型值）内把温度变换为数字

●用户可定义的，非易失性的温度警告设置

●告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）

●应用范围包括恒流控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统

2.2.4DS18B20工作原理及应用

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其中一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

在要掌握其工作流程之前有必要了解数字温度传感器DS18B20的内部存储器资源。

DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20的ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时已经将ID码设置好，不需用户更改。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据。

DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

DS18B20的核心是它的直接数字温度传感器，该温度传感器的分辨率可设置为9，10，11和12位，分别对应于0.5°C，0.25°C，0.125°C和0.0625°C的温度增量，上电后分辨率的默认值为12位。

DS18B20在上电后并不工作，而是处于休闲状态，主机只有发出一个转换T命令（44H）才能使它进入温度测量和A/D转换状态，转换完成后就会有两字节的温度测量值存入中间结果暂存器，同时DS18B20又重新返回到休闲状态。

DS18B20输出的温度值为摄氏温度，以一个16位有符号补码数的格式存于两个寄存器中，如表2所列。

表3是某些典型温度值的二进制和十六进制数据对照表。

图4是DS18B20的内部结构[2]。

表2温度数据格式

字节

位数

低字节

位7

位6

位5

位4

位3

位2

位1

位0

23

22

21

20

2-1

2-2

2-3

2-4

高字节

位15

位14

位13

位12

位11

位10

位9

位8

S

S

S

S

S

26

25

24

注：

S代表符号位

表3某些典型温度值的二进制、十六进制数据对照表

摄氏温度值/°C

二进制

十六进制

+125

0000011111010000

07D0H

+85

0000010101010000

0550H

+25.0625

0000000110010001

0191H

+10.125

0000000010100010

00A2H

表3某些典型温度值的二进制、十六进制数据对照表（续）

摄氏温度值/°C

二进制

十六进制

+0.5

0000000000001000

0008H

0

0000000000000000

0000H

-0.5

1111111111111000

FFF8H

-10.125

1111111101011110

FF5EH

-25.0625

1111111001101111

FE6FH

-55

1111110010010000

FC90H

注：

上电后的复位值是+85°C。

图4DS18B20的内部结构

2.2.5DS18B20的功能命令

与所有单总线器件一样，访问一个DS18B20也需要初始化、ROM命令和功能命令三个步骤。

除了searchRom（F0H）和AlarmSearch（ECH）命令之外，这三个步骤缺一不可，必须按照该顺序对DS18B20进行命令，DS18B20才会响应。

表4DS18B20的命令集

命令

描述

指令码

命令发出后总线响应

备注

ConvertT

启动温度转换

44H

DS18B20传输转换状态给主机（寄生供电的DS18B20不可用）

*

暂存器命令

Redscratchpad

读中间结果暂存器内容，包括CRC字节

BEH

DS18B20传输9字节的数据给主机

**

Writescratchpad

写中间结果暂存器的第2，3，4字节

4BH

主机传输3字节的数据给DS18B20

***

表4DS18B20的命令集（续）

命令

描述

指令码

命令发出后总线响应

备注

Copy

scratchpad

由中间结果暂存器复制TH,TL和配置寄存器数据到EEPROM

48H

无

*

RecallE2

由EEPROM回传TH,TL和配置寄存器数据到中间结果暂存器

B8H

DS18B20给主机发送回传状态

—

ReadPower

Supply

通知主机DS18B20的电源类型

B4H

DS18B20给主机发送电源状态

—

注：

*对于寄生供电的DS18B20，在温度转换过程中以及从EEPROM回传数据到中间暂存器过程中，主机必须能拉高总线，不允许发生其他总线行为。

**主机可在任何时候使用初始化中断数据传输。

***发出一个初始化命令之前，全部3字节都必须写入。

主机使用ROM命令确定了与总线上的哪一个DS18B20进行通信之后，即DS18B20发出功能命令来启动温度转换、决定DS18B20的供电方式以及向DS18B20的中间结果寄存器写入数据或者从中读出数据等。

下面详细介