基于STC12C5A60S2的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　目前，我國絕大多數(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)都是傳統(tǒng)方式，主要有就地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方式和有線通信的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，前者測量方法單一，測量數(shù)據(jù)不連續(xù)且時(shí)效性差，后者缺少靈活性且適用環(huán)境有限。隨著信息通信與電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式已不能滿足需求，嚴(yán)重地制約了現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的進(jìn)程。例如在監(jiān)測區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，且監(jiān)測點(diǎn)的位置分布較分散的情況下，布線復(fù)雜而且慢，人力物力成本較大，不適合與控制中心進(jìn)行有線通信。無線監(jiān)測系統(tǒng)是無線技術(shù)發(fā)展至今最重要的應(yīng)用之一，采用無線網(wǎng)絡(luò)可增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)充性，省去網(wǎng)絡(luò)布線的麻煩。

　　因此，本文嘗試研究一種無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)將無線收發(fā)模塊與單片機(jī)相結(jié)合，采用抗干擾能力強(qiáng)的射頻發(fā)射模塊及接收模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，提高系統(tǒng)的可靠性。該監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　1無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1單片機(jī)選擇方案

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)對溫度信息的采集、處理和無線傳輸。無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的單片機(jī)對節(jié)點(diǎn)起管理、控制作用，并進(jìn)行信號(hào)處理。在選擇單片機(jī)時(shí)，主要參考以下標(biāo)準(zhǔn)：首先，要求單片機(jī)的功耗要很小，由于它消耗的是節(jié)點(diǎn)中電池的電量，并且長期處在工作狀態(tài)，所以必須具有功耗低的特點(diǎn)。其次，要求單片機(jī)的價(jià)格適中，不能使成本太高。此外單片機(jī)的運(yùn)行速度和程序存儲(chǔ)空間大小，對以后節(jié)點(diǎn)功能的擴(kuò)展很重要。本無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用STC12C5A60S2單片機(jī)去控制nRF24L01射頻芯片和DS18B20溫度傳感器，其硬件結(jié)構(gòu)與功能模塊的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

　　圖1無線傳感器節(jié)點(diǎn)新一代STC12C5A60S2與傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機(jī)指令完全兼容，具有高速、低功耗及抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該單片機(jī)擁有60K的程序存儲(chǔ)器和1280字節(jié)RAM，完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求;且該單片機(jī)是新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T），其處理速度是傳統(tǒng)51單片機(jī)的8到12倍，便于以后進(jìn)行功能擴(kuò)展，例如：可以快速處理其所在節(jié)點(diǎn)的路由算法。故STC12C5A60S2單片機(jī)是構(gòu)建本監(jiān)測節(jié)點(diǎn)理想的選擇

　　1.2無線收發(fā)模塊

　　nRF24L01是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2.4 GHz全球開放ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，可直接與單片機(jī)I/O連接.nRF24L01功耗低，以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅9 mA;接收時(shí)，工作電流僅12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更利于節(jié)能設(shè)計(jì)［3］。與nRF24L01的SPI接口連接時(shí)，可以利用單片機(jī)硬件的SPI口，也可以用單片機(jī)I/O口進(jìn)行模擬。該收發(fā)模塊內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。

　　1.3溫度采集芯片

　　DS18B20結(jié)構(gòu)簡單，采用一根I/O數(shù)據(jù)線既可供電又可傳輸數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。測量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃時(shí)精度為±0.5℃;可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125、0.062 5℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫;在9位分辨率時(shí)最多在93.75 ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750 ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度很快;測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給處理器，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

　　2硬件原理圖

　　單片機(jī)的SPI接口有兩種操作模式：主模式和從模式。在主模式中支持高達(dá)3Mbit/s的速率，從模式時(shí)速度低些.nRF24L01提供的SPI接口數(shù)據(jù)傳輸率取決于單片機(jī)本身接口速度。單片機(jī)通過SPI對nRF24L01進(jìn)行狀態(tài)配置，系統(tǒng)設(shè)為發(fā)送模式，單片機(jī)就把數(shù)據(jù)輸入到nRF24L01，當(dāng)P0.2（CE）信號(hào)從1變?yōu)?時(shí)，nRF24L01就把從單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)以2Mbit/s的速率發(fā)射出去，并通過IRQ信號(hào)通知單片機(jī)發(fā)送完成。若系統(tǒng)設(shè)為接收模式，nRF24L01就一直在監(jiān)測天線接收的信號(hào)，若有同頻的信號(hào)，就收下并打開信息包讀取地址，地址與自己的相同就取出信息包里的有用數(shù)據(jù)，并通過IRQ信號(hào)通知單片機(jī)取走。節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。

　　3系統(tǒng)工作流程

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)后，首先配置nRF24L01的相關(guān)寄存器，使其工作在發(fā)送狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送模式下，首先復(fù)位DS18B20，單片機(jī)向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，讀取已轉(zhuǎn)換的溫度值，然后交由nRF24L01發(fā)送。上位機(jī)的接收模塊在接收模式下，首先讀取無線模塊的狀態(tài)寄存器，并判斷是否接收到數(shù)據(jù)，若沒有，則一直檢測等待數(shù)據(jù)的到來;若有，則接收數(shù)據(jù)并送至接收模塊的RS232串口處，上位機(jī)監(jiān)測軟件從串口處讀取數(shù)據(jù)并顯示。其工作流程如圖3、4所示。

　　4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　4.1 STC12C5A60S2控制溫度傳感器DS18B20

　　從DS18B20讀1字節(jié)數(shù)據(jù)圖2節(jié)點(diǎn)電路原理圖

　　uchar DS18B20_ReadByte（）

　?。鹵char i=0，dat;

　　for（i=0;i《8;i++）

　?。鸇Q=1;//先拉高

　　delay_1us（）;//稍作延時(shí)

　　DQ=0;//啟動(dòng)讀時(shí)序

　　delay_1us（）;//稍作延時(shí)

　　DQ=1;//釋放總線

　　delay_us（6）;//延時(shí)約7μs，主機(jī)采樣

　　dat》》=1;//先右移一位，使最高位為0

　　if（DQ==1）

　　dat|=0x80;//與10000000或，dat=10000000

　　else

　　dat|=0x00;//取值為0

　　delay_us（50）;

　　｝

　　eturn（dat）;｝

　　向DS18B20寫1字節(jié)數(shù)據(jù)

　　void DS18B20_WriteByte（uchar x）

　?。鹵char i;

　　for（i=0;i《8;i++）

　?。鸇Q=1;

　　delay_1us（）;//稍作延時(shí)

　　DQ=0;//啟動(dòng)寫時(shí)序

　　DQ=x&0x01;//向數(shù)據(jù)線傳送最低位

　　delay_us（40）;//延時(shí)約50μs，供18b20采樣數(shù)據(jù)

　　DQ=1;//釋放總線

　　delay_1us（）

　　;x》》=1;//右移一位

　?。?/p>

　　delay_us（2）;//寫完一個(gè)指令稍作延時(shí)｝

　　4.2 STC12C5A60S2控制無線模塊nRF24L01

　　函數(shù)：SPI_RW（）。描述：根據(jù)SPI協(xié)議，寫一字節(jié)數(shù)據(jù)到nRF24L01，同時(shí)從nRF24L01讀出一字節(jié)

　　uchar SPI_RW（uchar byte）

　?。鹵char i;

　　for（i=0;i《8;i++）//循環(huán)8次

　　｛MOSI=（byte&0x80）;//byte最高位輸出到MOSI

　　byte《《=1;//低一位移位到最高位

　　SCK=1;//拉高SCK，nRF24L01從MOSI讀入1位數(shù)據(jù)，同時(shí)從MISO輸出1位數(shù)據(jù)

　　byte|=MISO;//讀MISO到byte最低位

　　SCK=0;//SCK置低｝return（byte）;//返回讀出的一字節(jié)

　　｝

　　函數(shù)：SPI_Read_Buf（）。描述：從reg寄存器讀出bytes個(gè)字節(jié)，通常用來讀取接收通道數(shù)據(jù)或接收/發(fā)送地址

　　uchar SPI_Read_Buf（uchar reg，uchar*pBuf，uchar bytes）

　?。鹵char status，i;

　　CSN=0;//CSN置低，開始傳輸數(shù)據(jù)

　　status=SPI_RW（reg）;//選擇寄存器，同時(shí)返回狀態(tài)字

　　for（=0;i《bytes;i++）

　　pBuf ［i］ = SPI_RW 0）;//逐個(gè)字節(jié)從nRF24101讀出

　　CSN = 1; //CSN拉高，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸

　　return ftatus）; /1返回狀態(tài)寄存器

　　函數(shù)：SPI_W rite_Buf 0.描述：把pBuf 緩存中的數(shù)據(jù)寫入到nRF24101，通常用來寫入發(fā)射通道數(shù)據(jù)或接收1發(fā)送地址

　　SPI_ W rite_ Buf Guchar reg.uchar ucharpBuf.w har bytes ）

　　{uchar status.i ;

　　CSN = 0; 11CSN 置低。開始傳輸數(shù)據(jù)

　　status = SPI_RW feg）; 11選擇寄存器，同時(shí)返回狀態(tài)字

　　for i=0;i《bytes;i++）

　　SPI_ RW （pBuf ［i］）;//逐個(gè)字節(jié)寫入nRF24L01

　　CSN = 1; //CSN拉高，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸

　　return Status）; 11返回狀態(tài)寄存器

　　4.3上位機(jī)接受數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示溫度變化如圖5所示。

　　5.結(jié)語

　　單片機(jī)采用新一代增強(qiáng)型8051STC12C5A60S2 與高度集成的nRF24L01器件結(jié)合，大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，減小了體積，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，且系統(tǒng)的運(yùn)行速度得到很大提高。實(shí)踐證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單成本低廉，運(yùn)行速度快。通信可靠。運(yùn)行穩(wěn)定。具有較高的實(shí)用價(jià)值。由于STCI2C5A60S2 的程序存儲(chǔ)器空間比傳統(tǒng)的51單片機(jī)大了10倍之多，且運(yùn)行速度也提高了8-12倍，這有利于以后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)路由功能的擴(kuò)展.