1、無線溫度采集系統設計1原理無線溫度采集系統是一種基于射頻技術的無線溫度檢測裝置。本系統由傳感 器和接收機，以及顯示芯片組成。傳感器部分由數字溫度傳感器芯片18b20,單 片機89s52,低功耗射頻傳輸單元nrf905和天線等組成，傳感器采用電源供電; 接收機無線接收來自傳感器的溫度數據，經過處理、保存后在lcd1602 ±顯示， 所存儲的溫度數據可以通過串行口連接射頻裝置與接收端進行交換。無線溫度的采集主要基于單線數字溫度傳感器ds18b20芯片。dallas半導 體公司的單線數字溫度傳感器ds18b20是世界上第一片支持“一線總線”接口 的溫度傳感器。一線總線獨特而且經濟的特點，使

2、用戶可輕松地組建傳感器網絡, 為測量系統的構建引入全新概念。ds18b20支持“一線總線”接口，測量溫度范 圍為-55。l+125。c,在-10一+85。c范圍內，精度為±0.5。c。現場溫度直接 以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境 的現場溫度測量，支持3v5. 5v的電壓范圍，ds18b20可以程序設定912位的 分辨率，精度為±05。c。數字單總線溫度傳感器是目前最新的測溫器件，它集溫度測量，a/d轉換于 一體，具有單總線結構，數字量輸出，直接與微機接口等優點。既可用它組成單 路溫度測量裝置，也可用它組成多路溫度測量裝置，文章介紹的單

3、路溫度測量裝 置已研制成產品，產品經測試在-10°c-70°c間測得誤差為0. 25°c,80°c <t<105 °c時誤差為0. 5°c,當t>105°c誤差為增大到1°c左右。溫度數據的無線傳輸主要是基于低功耗射頻傳輸單元nrf905芯片。nrf905 是挪威nordic vlsi公司推出的單片射頻收發器，工作電壓為1936v, 32引腳 qfn封裝（5 x 5mm）,工作于433/868/915mhz三個ism（工業、科學和醫學）頻道，頻 道之間的轉換時間小于650uso nrf905由頻率

4、合成器、接收解調器、功率放大器、 晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器，shockbursttm工作模式，自 動處理字頭和crc （循環冗余碼校驗），使用spi接口與微控制器通信，配置非常方 便。此外，其功耗非常低，以-10dbm的輸出功率發射時電流只有11ma,工作于接 收模式時的電流為12.5ma,內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nrf905片內集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率 放大器等模塊。經過無線傳輸后，溫度數據信息將在1602液晶顯示芯片上進行顯示，1602 液晶顯示芯片采用標準的14腳接口，其中vss為地電源，vdd接5v正電源，v0為液 晶顯示

5、器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的:電位器調整對比度。rs為寄 存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。rw為讀寫信號 線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當rs和rw共同為低電平時可以 寫入指令或者顯示地址，當rs為低電平rw為高電平時可以讀忙信號，當rs為高電 平rw為低電平時可以寫入數據。e端為使能端，當e端由高電平跳變成低電平時, 液晶模塊執行命令。d0"d7為8位雙向數據線。本系統的溫度采集與顯示，無線的傳輸與對比均由單片機89s52來控制完 成。相比較而言atmel公

6、司的89s51更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼 容，而且其片內的4k程序存儲器是flash工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用 電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為atmel at89xx做的編程器均帶有這些功能。 顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片 機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了我們的勞動成果。系統原理框圖（略）。系統工作原理及詳細流程。首先，打開電源后，本系統由單片機89s52向單線數字溫度傳感器ds18b20芯片 發出指令進行測溫，ds18b20內部結構主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳 感器、非揮發的溫度報警觸發器th和tl、

7、配置寄存器。gnd i/o uddpr3 5封裝i/o 一18gnd27ds18b20nc 一36nc 一45ncncncsosi封裝dq為數字信號輸入/輸出端；gnd為電源地；vdd為外接供電電源輸入端（在寄 生電源接線方式時接地）。ds18b20高速暫存器共9個存存單元，如表所示:序號寄存器名稱作用序號寄存器名稱作用0溫度低字節以16位補碼形式 存放4、5保留字節1、21溫度高字節6計數器余值2th/用戶字節1存放溫度上限7計數器/ °c3iil/用戶字節2存放溫度下限8crc光刻rom中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址 序列碼。64位光刻ro

8、m的排列是：開始8位（2811）是產品類型標號，接著的48位是該ds18b20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環冗余校驗碼(crc=x8+x5+x4+1 )。ds18b20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0. 0625°c/lsb形式表達，其中s為符號位。12位轉化后得到的 12位數據，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進制中的前面5位是符號位，如 果測得的溫度大于0,這5位為0,只要將測到的數值乘于0. 0625即可得到實際溫 度；如果溫度小于0,這5位為1,測到的數值需要取反加1再乘于0. 0625即可

9、得到 實際溫度。高8 位sssss262524低8位2322212°2h2'22'32'4ds18b20溫度傳感器的存儲器:ds18b20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存ram和一個非易失性 的可電擦除的e2ram,后者存放高溫度和低溫度觸發器th、tl和結構寄存器。暫存存儲器包含了 8個連續字節，前兩個字節是測得的溫度信息，第一個 字節的內容是溫度的低八位，第二個字節是溫度的高八位。第三個和第四個字節 是th、tl的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的 內容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節用于內部計算。第九個字 節是

10、冗余檢驗字節。低五位一直都是1 , tm是測試模式位，用于設置ds18b20在 工作模式還是在測試模式。在ds18b20出廠時該位被設置為0。r1和r0用來設置分 辨率，如下表所示：(ds18b20出廠時被設置為12位)分辨率設置表：r1r0分辨率溫度最大轉換時間009位96. 75ms0110位187. 5 ms1011位375ms1112位750ms根據ds18b20的通訊協議，主機控制ds18b20完成溫度轉換必須經過三個步驟： 每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復位，復位成功后發送一條rom指令，最后發 送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預定的操作。復位要求主cpu將數據線

11、下拉 500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待16-60微秒左右，后發出60 - 240 微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復位成功。在硬件上，ds18b20與單片機的連接有兩種方法，一種是vcc接外部電源， gnd接地，i/o與單片機的i/o線相連；另一種是用寄生電源供電，此時udd、gnd 接地，i/o接單片機i/o。無論是內部寄生電源還是外部供電，i/o口線要接5kq 左右的上拉電阻。ds18b20有六條控制命令，如表所示:指令約定代 碼操作說明溫度轉換44h啟動ds18b20進行溫度轉換讀暫存器beh讀暫存器9個字節內容寫暫存器4eh將數據寫入暫存器的th、tl字節復制

12、暫存器48h把暫存器的th、tl字節寫到e2ram中重新調e2ramb8h把e2ram中的th. tl字節寫到暫存器 th、tl字節讀電源供電方式b4h啟動ds18b20發送電源供電方式的信 號給主cpu單片機對ds18b20的訪問流程是：先對ds18b20初始化，再進行rom操作命令,最后才能對存儲器操作，數據操作。ds18b20每一步操作都要遵循嚴格的工作時 序和通信協議。如主機控制ds18b20完成溫度轉換這一過程，根據ds18b20的通訊 協議，須經三個步驟：每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復位，復位成功后發 送一條rom指令，最后發送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預定

13、的操作。然后數據被傳輸至單片機89s52,八位數據分兩次傳輸，再由單片機編程為可 以由數碼管顯示的四位數據，頭一位為正負溫度數據，后三位為帶小數點的當前 溫度。數據也被送至低功耗射頻傳輸單元nrf905進行無線傳輸。應注意一點，51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和nrf905之間 進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是rs232電 平的，而單片機的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，我們 采用了專用芯片max232進行轉換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉換，但是 還是用專用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口，也就是說和nrf905 的

14、9針串口只連接其中的3根線：第5腳的gnd、第2腳的rxd、第3腳的txd。這是最 簡單的連接方法，但是對我們來說已經足夠使用了，電路如下圖所示，max232 的第10腳和單片機的11腳連接，第9腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的 20腳連接。nrf905有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是 shockbursttm接收模式和shockbursttm發送模式，兩種節能模式分別是關機模式 和空閑模式。nrf905的工作模式由trx.ce、tx_ewr_p三個引腳決定。與射頻數據包有關的高速信號處理都在nrf905片內進行，數據速率由微控 制器配置的spi接口決定，數據在微控制

15、器中低速處理，但在nrf905中高速發送, 因此中間有很長時間的空閑,這很有利于節能。由于nrf905工作于shockbursttm 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發射速率。在 shockbursttm接收模式下，當一個包含正確地址和數據的數據包被接收到后，地 址匹配(am)和數據準備好(dr)兩引腳通知微控制器。在shockbursttm發送模式， nrf905自動產生字頭和crc校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳通知微 處理器數據發射完畢。由以上分析可知，nrf905的shockbursttm收發模式有利于 節約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。下

16、面具體詳細分析 nrf905的發送流程和接收流程。典型的nrf905發送流程分以下幾步：a. 當微控制器有數據要發送時，通過spi接口，按時序把接收機的地址和要發 送的數據送傳給nrf905, spi接口的速率在通信協議和器件配置時確定；b. 微控制器置高trx.ce和tx_en,激發nrf905的shockbursttm發送模式；c. nrf905的shockbursttm發送：1射頻寄存器自動開啟；1數據打包(加字頭和crc校驗碼)；1發送數據包；1當數據發送完成，數據準備好引腳被置高；d. auto.retran被置高，nrf905不斷重發，直到trx.ce被置低；e. 當trx.ce被

17、置低，nrf905發送過程完成，自動進入空閑模式。shockbursttm工作模式保證，一旦發送數據的過程開始，無論trx.en和tx.en 引腳是高或低，發送過程都會被處理完。只有在前一個數據包被發送完畢,nrf905 才能接受下一個發送數據包。接收流程a. 當trx.ce為高、tx.en為低時，nrf905進入shockbursttm接收模式；b. 650us后，nrf905不斷監測，等待接收數據;c. 當nrf905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；d. 當接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳被置高；e. 當一個正確的數據包接收完畢，nrf905自動移去字頭、地址和crc校驗位

18、， 然后把數據準備好引腳置高f. 微控制器把trx.ce置低，nrf905進入空閑模式；g. 微控制器通過spi 口，以一定的速率把數據移到微控制器內；h. 當所有的數據接收完畢，nrf905把數據準備好引腳和地址匹配引腳置低；i. nrf905此時可以進入shockbursttm接收模式、shockbursttm發送模式或關 機模式。當正在接收一個數據包時，trx.ce或tx.en引腳的狀態發生改變，nrf905立即 把其工作模式改變，數據包則丟失。當微處理器接到地址匹配引腳的信號之后， 其就知道nrf905正在接收數據包，其可以決定是讓nrf905繼續接收該數據包還是 進入另一個工作模式。

19、節能模式nrf905的節能模式包括關機模式和節能模式。在關機模式，nrf905的工作電流最小，一般為2. 5ua°進入關機模式后， nrf905保持配置字中的內容，但不會接收或發送任何數據。空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發送模式或接收模式的啟動時 間也比較短。在空閑模式下,nrf905內部的部分晶體振蕩器處于工作狀態jrf905 在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關。器件配置所有配置字都是通過spi接口送給nrf905o sip接口的工作方式可通過spi指令 進行設置。當nrf905處于空閑模式或關機模式時，spi接口可以保持在工作狀態。spi接口配置spi接

20、口由狀態寄存器、射頻配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器 和接收數據寄存器5個寄存器組成。狀態寄存器包含數據準備好引腳狀態信息和 地址匹配引腳狀態信息；射頻配置寄存器包含收發器配置信息，如頻率和輸出功 能等；發送地址寄存器包含接收機的地址和數據的字節數；發送數據寄存器包含 待發送的數據包的信息，如字節數等；接收數據寄存器包含要接收的數據的字節 數等信息。射頻配置射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而，在shockbursttm收發過程中， tx-payload. rx.payload、tx.address和rx.address 4個寄存器使用字節數由配 置字決定。nrf905進入關機模式或

21、空閑模式時，寄存器中的內容保持不變。nrf905通過spi接口和微控制器進行數據傳送，通過shockbursttm收發模式進 行無線數據發送，收發可靠，使用方便。數據經過無線傳輸及接收后再被傳輸至接受端的89s52單片機中，然后再由單 片機將數據轉化為可以由液晶顯示板1602顯示的數據。數據被傳至1602液晶顯示芯片，進行顯示。1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：vss為地電源第2腳：vdd接5v正電源第3腳：v0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對 比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調整 對比度第4腳：rs為寄存器選擇，高電

22、平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：rw為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當rs和 rw共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當rs為低電平rw為高電平時可以讀忙信號，當rs為高電平rw為低電平時可以寫入數據。第6腳：e端為使能端，當e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第714腳：dod7為8位雙向數據線。第15腳：接+5v第16腳：接gnd1602液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模 塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示 字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。最后通過液晶顯示屏和

23、數碼管的溫度數據對比，判斷是否可以進行無線的 溫度傳輸數據是否正確。2無線溫度采集系統的軟硬件設計基于ds18b20的溫度測量裝置：溫度傳感器ds18b20將被測環境溫度轉 化成帶符號的數字信號（以十六位補碼形式，占兩個字節），輸出腳i/o直 接與單片機的p1.1相連，r1為上拉電阻，傳感器采用外部電源供電。89s51 是整個裝置的控制核心，89s51內帶1k字節的flashrom,用戶程序存放在這 里。顯示器模塊由四位一體的共陽數碼管和4個9012組成。系統程序分傳感器控制程序和顯示器程序兩部分，傳感器控制程序是按照ds18b20的通信協 議編制。系統的工作是在程序控制下，完成對傳感器的讀寫

24、和對溫度的顯示 具體的電路圖如下：串口電路5111vcclouf2廣61*顯示模塊mt1 outt1 outiqoutr1outb31»n8b210 j顯示器vcc:tidopl8d3m我覺rwjss212 ?c c 31!rl x41c'丹ry59 心丄6 "丄7786rl995rw 10amtojohdcrystal溫度采集模塊施pojop0.1p02p03p0.4pcsp06p0.7ea ale psen r2.7 p26 p2sp24p23m2n.p20jl373633 :x31303系統調試與性能分析我們在元器件的布局方面，把相互有關的元件放得比較近，例如：晶振、 單片機的時鐘輸入端都易產生噪音，在放置元件時的時候把它們靠近些。對于那 些易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路、開關電路等，我們盡量使其遠 離單片機的邏輯控制電路和存儲電路（rom、ram）,更加有利于抗干擾，提高電 路工作時的可靠性！我們的地線應構成閉環形式，提高了電路的抗干擾能力。我們也安裝了三極管 7805進行穩壓，是我們的電路有穩定的+5v電源。我們在布置電源線方面根