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引言 溫度是工業(yè)生產(chǎn)巾常見(jiàn)的工藝參數之一，而且在許多的工程項目中溫度指標也是不可或缺的重要參數。因此，準確、方便地獲取溫度就顯得尤為重要。傳統的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件，雖然其成本比較低，但可靠性以及準確度相對較差，而數字式溫度傳感器DS18B20的精確度遠遠優(yōu)于熱敏電阻。通常在工程項目中可能要測量多點(diǎn)的溫度值，這就需要鋪設大量的電纜，而且如果現場(chǎng)環(huán)境惡劣就會(huì )帶來(lái)很大的難題。因此，采用無(wú)線(xiàn)測溫方案就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。 1 系統總體概述 隨著(zhù)微機電系統、片上系統、無(wú)線(xiàn)通信和低功耗嵌入式技術(shù)的l飛速發(fā)展而孕育出的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)深入到了廣闊的應用領(lǐng)域。本文介紹的多通道尤線(xiàn)溫度測量系統設計則是WSN的一個(gè)典型應用。該系統就是南部署在監測區域內的多個(gè)微型傳感器節點(diǎn)和遠程主機組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成了一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò )系統，其同的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中的溫度信息，并發(fā)送給遠程主機。系統總體結構如圖1所示。 
圖1系統總體結構網(wǎng) 2 硬件結構設計 傳感器節點(diǎn)作為傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本單元，在單片機的控制下完成對各個(gè)監測點(diǎn)溫度的采集，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊PTR8000將溫度值傳輸到連接在遠程主機上的尤線(xiàn)接收模塊PTR8000，最后傳送到主機上。 2．1 MCU微控制單元PICl6F877A MCU微控制單元采用美同Mierochip公司的PIC16F877A。PIC系列單片機采用獨特的哈佛總線(xiàn)結構和RISC精簡(jiǎn)指令技術(shù)，簡(jiǎn)單合理地提高了運算的速度。功耗低也是PIC系列單片機的一大特點(diǎn)，在工作模式下耗電僅為幾毫安，睡眠模式下甚至可低到兒微安。除此之外，PIC系列單片機I/O端口驅動(dòng)負載能力較強，每個(gè)輸出引腳可驅動(dòng)20—25mA的負載，一般端口總驅動(dòng)能力約60-70mA。 PICl6F877A單片機具有4K的FIash程序存儲器，192字節片內數據存儲器RAM，128字節的EEPROM，14種中斷源，8級硬件堆棧。片內集成同步串口SSP及USART；自帶看門(mén)狗定時(shí)器，省去了外接硬件電路，最大程度地節省了系統資源。 2．2單總線(xiàn)數字式溫度傳感器DS18B20 常用的溫度檢測元件主要有熱電偶、熱敏電阻、熱電阻Ptl00等。熱電偶式傳感器體積較大H變化率小導致靈敏度比較低；熱敏電瞰i測量的穩定性和復現性差，且變化率非線(xiàn)性；熱電阻Ptl00的缺點(diǎn)就是熱響應比較慢，成本高。本系統采用的DALLAR半導體公司推出的單總線(xiàn)數字式智能溫度傳感器DS18B20很好地改善了這些問(wèn)題。 DSl8B20的測溫范圍從-55℃至+125℃，并通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現9—12位的數字值讀數方式，可以分別在93．75ms和750ms內完成溫度值轉換和讀取。DSl8820外形簡(jiǎn)單且體積小，它只有三只管腳，分別是電源引腳Vdd、接地引腳GND和單線(xiàn)數據輸入/輸出引腳DQ，僅通過(guò)單線(xiàn)接口DQ就可以完成與單片機的信息交流，所以需要有嚴格的時(shí)隙慨念。每一個(gè)DSl8B20的內部都有唯一的64位序列號，單片機通過(guò)讀取序列號來(lái)識別每個(gè)器件，因此多個(gè)DSl8B20可以?huà)旖釉谕粭l總線(xiàn)上，這就允許在不同的地方設置測溫節點(diǎn)。 2．3允線(xiàn)收發(fā)模塊PTR8000 PTR8000以挪威Nordic公司的Nr905芯片為核心的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，采用超小體積設計，其待機功耗儀為2uA。而且內置環(huán)行天線(xiàn)，性能穩定不易受外界影響。它的最大發(fā)射功率可達+ lOdBm．采用的是高抗干擾GFSK調制。PTR8000內置完整的通信協(xié)議和CRC，只需通過(guò)SPI即可完成所有的無(wú)線(xiàn)收發(fā)傳輸，使用方便可靠。 由于PTR8000的工作電壓為3V左右，而PIC16F877A的供電和邏輯電平均為5V，所以PTR8000與單片機連接時(shí)，需要進(jìn)行電平轉換。本系統選用74LVC16245A，它是TI公司的一種16位雙向總線(xiàn)收發(fā)器，能夠接收高達5.5V的高電平，而輸出的高電平能夠達到3.3V左右。硬件電路如圖2所示。
圖2無(wú)線(xiàn)模塊硬件電路圖 2．4 MCU與PC串口通訊 各點(diǎn)的溫度值被發(fā)送到PTR8000接收模塊之后，通過(guò)單片機與主機之間的串口通訊發(fā)送到遠程主機上。由于單片機的串行通信采用的是TTL電平，而電腦標準串行接口的電平范圍是-15V至+15V。所以采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉換。其接口電路如圖3所示。
圖3 MCU與PC串行通訊電路圖 3 系統軟件設計 3．1上位機軟件設計 系統的軟件設計分為上位機vc++編程和下位機單片機匯編程序。上位機編程實(shí)現PC與單片機之間的串口通信以及各點(diǎn)溫度值的友好界面顯示。采用Visual c++中的MSComm控件完成串口通信，只需對串口進(jìn)行簡(jiǎn)單地設置即可。應用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向系統提出資源申請要求，通信完畢后必須釋放資源。主要步驟包括初始化串口、串口讀寫(xiě)、發(fā)送數據、關(guān)閉串口。 3．2下位機軟件設計 下位機包括兩個(gè)荸片機。發(fā)送端單片機完成多點(diǎn)溫度采集和溫度值發(fā)送功能，接收端單片機完成溫度值接收和串口通信功能。DSl8B20獨特的單總線(xiàn)技術(shù)給硬件方面帶了很大的方便，而較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對復雜的軟件進(jìn)行補償，因此對DS18B20進(jìn)行讀與寫(xiě)操作時(shí)，必須嚴格的保證讀寫(xiě)順序。另外需要注意的是，在系統安裝及工作之前。主機逐個(gè)與DSl8B20掛接，以讀取其序列號。然后在多點(diǎn)測溫中，再逐一將序列號輸入以確定每個(gè)DS18B20的正常工作。 為了順利實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的發(fā)送和接收，必須通過(guò)SPI接口正確配置PTR8000的配置寄存器。上電后首先將PWR、TX_EN、TRX_CE設置為配置模式，通過(guò)SPI接口配置把工作頻率、輸出功率、地址寬度、有效數據寬度等初始化信息寫(xiě)進(jìn)配置寄存器。在進(jìn)行SPI編程時(shí)可直接使用PICl61F1877A自帶的主控同步串行通信模塊(MSSP)，使其工作在SPI模式。與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分已經(jīng)嵌入至PTR8000內部，用戶(hù)在使用時(shí)只需編寫(xiě)應用層程序就可實(shí)現發(fā)送和接收功能。發(fā)送端單片機與接收端單片機程序流程圖分別如圖4和圖5所示。
圖4發(fā)送端單片機程序流程圖
圖5接收端單片機程序流程圖 4 應用中的問(wèn)題分析 4．1多個(gè)DS18B20的總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題分析 系統在應用中可根據實(shí)際需要選擇溫度傳感器的個(gè)數。但是當單總線(xiàn)上所掛DSl8B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，就需要考慮微處理器的總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題。根據系統功耗和布線(xiàn)成本的不同情況，MCU與傳感器之間有不同的接口驅動(dòng)形式。第一種方法是利用PIC16F877A端口的強驅動(dòng)能力，直接在總線(xiàn)和電源之間接4．7K的上拉電阻。第二種方法是采用分立元件三極管構成驅動(dòng)電路。第三種方法是采用總線(xiàn)驅動(dòng)芯片74LS5244，這種方法在數據讀取過(guò)程中加入了緩沖，閑此讀寫(xiě)時(shí)序參數要作調整。 4．2無(wú)線(xiàn)數據傳輸距離問(wèn)題分析 PTR8000的最大發(fā)射功率為+lOdBm，在無(wú)干擾情況下開(kāi)闊地域的傳輸距離約200米，而日．PTR8000的誤碼率接近零。如果在應用中誤碼多，傳輸距離近，或者容易受干擾，多數情況是硬件設計不合理或者調試不良造成的。要想進(jìn)一步增加傳輸距離，可以在PTR8000的發(fā)射端連接一個(gè)1W的功率放大器，并為之配置匹配的天線(xiàn)。 5 結束語(yǔ) 系統采用單總線(xiàn)數字式溫度傳感器DS18B20，并將易于維護、傳輸數據靈活的PTR8000無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與單片機相結合，克服了設計電路復雜、穩定性和可靠性差的缺點(diǎn)，提高了系統抗干擾能力，適合于惡劣環(huán)境下的溫度測量，而且在計算機上實(shí)現了具有界面化的多點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度顯示，使用方便，操作靈活。 創(chuàng )新點(diǎn)：系統基于PIC系列葷片機PICl6F877A設計了一種多通道數據采集及無(wú)線(xiàn)通信系統，該系統功耗低，體積小，電路結構簡(jiǎn)單，傳輸數據誤碼率低。另外溫度測量采用數字集成傳感器，其精確度以及可靠性大大超過(guò)了模擬傳感器，且簡(jiǎn)化了硬件電路。該系統應用廣泛，使用方便�？梢栽诟鞣N復雜環(huán)境中完成測量任務(wù)，從而大大減少了人力物力。 作者：孫寧，沈湘衡 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期 |
