基於NRF2401的無線溫度感測器的設計論文

　　摘要：為了解決傳統的溫度感測器多點溫度測量時的繁雜的佈線問題，設計了一種基於微控制器技術和無線通訊技術的無線溫度感測器。採用無線收發晶片NRF2401和數字溫度計DSl8820構成硬體平臺，透過EnhancedShockBurstTM收發模式實現對溫度資料的傳輸，採用高增益天線使覆蓋區域達到200m範圍。

　　關鍵詞：NRF2401；DSl8820；無線溫度感測器

　　為了解決傳統的溫度感測器多點溫度測量時的繁雜的佈線問題，從傳統的溫度感測器人手，設計了一種基於微控制器技術和無線通訊技術的無線溫度感測器，本文詳細介紹系統的實現。

　　1系統的設計與實現

　　1.1總體結構框架

　　無線溫度感測器的系統的總體結構主要包括兩個部分：一是溫度採集電路，其作用是測量溫度並將測量到的溫度資料發射給主機；另外一部分是溫度資訊處理電路，其作用是收集所有的溫度資訊，處理並顯示出這些資訊，同時還可以將這些資料傳輸到PC機上。

　　1.2數字溫度計DS18820

　　DS18820是一種解析度可程式設計設定的單匯流排數字溫度計，它的測溫區間從-55℃～+125℃。溫度輸出位數從9bit～12bit，使用者可以透過程式來控制，將溫度轉化成12bit的'數字位元組的最大耗時僅需750ms。每一片DSl8820都有唯一的64位序列碼，從而允許多片DS18820共存於同一根單總線上，因此用一塊微控制器可以控制一片區域的溫度採集。DSl8820外觀和介面如圖1和圖2所示：

　　它有3個引腳，1腳為GND電源地；2腳為DQ數字訊號輸入輸出引腳，DS18820透過1根資料匯流排與微控制器進行雙向通訊；3腳為VDD外接供電電源輸入端。DS18820的供電方式有兩種：一種是透過資料線提供寄生電源，此時3腳接地；另一種是直接在VDD上提供電源，供電電壓範圍為3.0V～5.5V。

　　1.3微控制器的選擇

　　本系統中在溫度採集電路和溫度資訊處理電路中都需要用到微控制器，而且微控制器是做為系統控制核心。在溫度採集電路中對微控制器的功耗要求較高而在資訊處理電路中對微控制器的處理速度有一定的要求。基於價格和電路設計方便的考慮，採用華邦W78E052，它的指令和引腳序列與MCS51相容，程式設計簡單方便。它最大支援40MHz時鐘，供電電壓範圍寬（2.4V～5.5V），採用3.3V供電，它的10口可以很方便的與DSl8820和NRF2401直接連線。W78E052內部包含2個外部中斷、3個定時計數中斷和看門狗計時器，用在本系統中具有相當高的價效比。

　　1.4無線收發模組

　　NRF2401是一款工作在2.4GHz～2.5GHz的集接收和傳送於一體的單片無線通訊晶片。它的無線收發器由頻率發生器、增強型模SchockBurstTM式控制器、功率放大器、晶體振盪器、調製器、解調器等部分組成。可以透過SPI介面來設定協議、功率輸出和頻道選擇。它具有較低的電流消耗，供電電壓1.9V～3.6V。

　　2軟體的設計

　　2.1溫度採集

　　DSl8820是以12位輸出的，此時的測溫解析度是0.0625。輸出的資料是二進位制補碼格式，低4位為小數位，最高位為符號位。如果是正溫度，讀出的資料乘以0.0625便是當前的溫度值；負溫度得轉化為正值再相乘。12位輸出的耗時是750ms，如果需要提高轉換速度，可以選擇減少輸出位數（如9位最大耗時僅約94ms），但是測溫精度有所下降。如果是單片的DSl8820工作，在啟動溫度轉換和度暫存儲存器操作命令時可以跳過64位ROM地址匹配。

　　2.2無線收發

　　NRF2401有4種工作模式，分別是收發模式，配置模式，空閒模式和關機模式，這四種模式可由PWR_UP暫存器、PRIM_RX暫存器和CE引腳決定。其中收發模式又有EnhancedShockBurstTM、ShockBurstTM和直接收發模式3種，收發模式由配置字來決定。使用EnhancedShockBurstTM收發模式系統程式設計相對簡單，在這種模式下只需改變一個位元組的內容便可以實現接收和傳送模式的切換，而且穩定性較高。

　　2.3系統軟體框架

　　溫度採集模組的主要工作是採集溫度資料並將資料傳送給溫度資訊處理模組，溫度採集模組每2s採集並且傳送一次。溫度資訊處理模組可以工作在兩種模式：單機模式和聯機模式，這兩種模式可以透過按鍵來設定。單機模式下，將各個溫度採集模組上採集過來的溫度實時顯示出來，預先設定的資料進行比較，如果某一處超過警界值，則啟動相應的處理措施併發出報警。而在聯機模式下，模組則將採集到的資料透過RS232發給上位機，並執行上位機發出的命令。

　　3結語

　　本系統的溫度測量誤差在±0.1℃以內。用板載天線在空曠地的資料傳輸距離可達40m，如果採用高增益天線可以將通訊距離增大到100m以上，這樣覆蓋區域可達到200m的範圍，從而避免了繁雜的佈線的問題。如果要將通訊距離進一步加大，可以在發射端增加功率放大器模組，在接收端加低噪聲放大器模組，這樣可以大大提升通訊距離。