無線溫度傳感器設計方案
無線傳感器手進階篇，無線傳感器之無線溫度傳感器設計方案
無線傳感器已成為*的器件，對于無線傳感器，大家已有所耳聞。往期文章中，小編對無線傳感器基礎知識有所介紹。為增進大家對無線傳感器的認識，本文將對無線傳感器的應用無線溫度傳感器加以探討，主要在于闡述它的設計方案。如果你對本文內(nèi)容存在興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。
目前，大多采用的是有線多點溫度采集系統(tǒng)，通過安裝溫度節(jié)點來實現(xiàn)對室內(nèi)外溫度監(jiān)控。這種傳統(tǒng)的多點采集系統(tǒng)需要用導線與每個溫度采集節(jié)點連接，其成熟，制作成本相對較低。但是，在許多場合需要將傳感器節(jié)點直接放置在目標地點進行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，這就要求傳感器節(jié)點具有無線通信的能力。同時，由于無線傳感器通常使用電池作為能源，所以，它對能耗要求。
本設計主要是基于433 MHz ISM頻段，無需申請就可以使用。該設計方案有許多明顯的優(yōu)點：傳輸速度快、距離遠、數(shù)據(jù)穩(wěn)定;采用低功耗模式，延長電池使用時間;能時候數(shù)據(jù)不丟失，提系統(tǒng)的強健度。
1系統(tǒng)硬件設計
所設計的無線溫度傳感器主要由以下幾部分組成：溫度測量、發(fā)射部分、接收部分、LCD顯示部分以及操控部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1.1 溫度測量電路
在溫度測量電路中采用Dallas公司生產(chǎn)的1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。溫度測量電路如圖2所示。
DS18B20是3引腳TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55～125℃，可編程為9-12位A/D轉(zhuǎn)換，測溫分辨率可達0.062 5℃，被測溫度以帶符號擴展的16位數(shù)字方式串行輸出。
DS18B20結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度觸發(fā)器TH和 TL及配置寄存器。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，每個DS18B20的64位序列號均不相同。 ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS181E0的目的。
DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼形式提供，以0.062 5℃/LSB形式表達。例如+25.062 5℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.062 5℃的數(shù)字輸出為FF6FH。
低溫觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的E2PROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH，TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：
R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的位數(shù)：R1R0=“00”，9位，大轉(zhuǎn)換時間為93.75 ms;R1R0=“01”，10位，大轉(zhuǎn)換時間為187.5 ms;R1R0=“10”，11位，大轉(zhuǎn)換時間為375 ms;R1R0;“11”，12位，大轉(zhuǎn)換時間為750 ms;未編程時默認為12位。設計取R1R0=“11”。
1.2 無線收發(fā)電路
1.2.1 IA4421與單片機的接口
IA4421支持SPI通信協(xié)議，本設計選擇了美ATMEL公司出品的單片機ATmega324p，其內(nèi)置增強型SPI接口，并且有32 kB的FLASH，能夠在系統(tǒng)中的LCD上顯示中文字符。IA4421與單片機的接口電路示意圖如圖3所示。
ATmega324p內(nèi)置的增強型串行外設接口SPI提供訪問一個雙工同步串行總線的能力。SPI所使用的4個信號為MOSI，MISO，SCK 和SS。MOSI用于從主器件到從器件的串行數(shù)據(jù)傳輸;MISO用于從器件到主器件的串行數(shù)據(jù)傳輸;SCK用于同步主器件和從器件之間在MOSI和 MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。
1.2.2 無線發(fā)送時序
IA4421的發(fā)送方式為發(fā)送寄存器緩沖數(shù)據(jù)傳輸方式，由配置設置命令的第7位el來使能，圖1可以看出，IA4421共有2個8位的數(shù)據(jù)寄存器，發(fā)送的數(shù)據(jù)先被鎖存到其中一個數(shù)據(jù)寄存器中，當電源管理命令的第5位et被置1，則發(fā)送器開始以設置的碼率從個寄存器向外發(fā)送數(shù)據(jù)。
每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須以0xAA作為發(fā)送數(shù)據(jù)的前導碼，否則外部接收裝置無法接收數(shù)據(jù)。若是采用同步模式，則要用0x2DD4作為同步模式的標志碼，然后才能開始傳輸數(shù)據(jù)。引腳nIRQ可以用來寄存器是否準備好從微處理器接收下一個字節(jié)來發(fā)送，若是引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖剑瑒t表示寄存器準備好了。
1.2.3 無線接收時序
IA4421的接收方式有兩種：一種是一直接收;另一種是FIFO模式。前一種方式并不，會引起較的誤碼率。本設計采用后一種模式。在相應的字都設置好之后，數(shù)據(jù)已進入緩沖器中，若引腳nIRQ變成低電平，則表示IA4421準備好接收數(shù)據(jù)，這時發(fā)送FIFO讀命令字，開始接收。
1.3 外圍天線設計
IA4421的支持天線直接驅(qū)動，設計相當簡單方便并且通信距離長。一個50 Ω的外接螺旋天線和對應的差分電路就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。本系統(tǒng)設計的天線是用1.17 cm的單芯銅導線實現(xiàn)，導線的直徑是0.6 mm，用螺絲刀的金屬棒饒制7圈成螺旋狀。經(jīng)過實驗，實際的通信距離能達到200 m左右，了系統(tǒng)需要。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 單片機軟件設計
單片機軟件部分主要包括主程序、中斷子程序、測溫子程序、LCD的轉(zhuǎn)換顯示，蜂鳴器子程序，按鍵子程序以及SPI子程序等。為了降低功耗，使用中斷來喚醒單片機進行測溫等工作，因此主程序部分比較簡單，主要負責系統(tǒng)各部分初始化和中斷的調(diào)用，在系統(tǒng)初始化完成后就直接進入睡眠模式，當中斷到來時單片機退出睡眠模式，調(diào)用中斷子程序?qū)崿F(xiàn)測溫、轉(zhuǎn)換顯示、溫度數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?。單片機程序流程圖如圖4所示。
2.2 IA4421應用程序設計
本系統(tǒng)是基于無線收發(fā)芯片IA4421和單片機ATmega324p的增強型串行外設接口SPI來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，在核心協(xié)議棧上編寫自己的上層應用程序。發(fā)送接收數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖5所示。
2.3 低功耗設計
作為無線傳感器，低功耗運行可以大限度地延長設備的使用時間，本系統(tǒng)是采用電池供電，功耗肯定就是一個不得不考慮的問題。為了獲得能，設計時在電源損耗和可用方面必須根據(jù)情況權(quán)衡使用，除了選用低功耗器件外，還從以下幾個方面設計電源管理程序以盡量減少無線溫度傳感器的功耗：
(1)由于無線溫度傳感器負責向終端傳輸數(shù)據(jù)，因此何時進行數(shù)據(jù)采集、何時進行數(shù)據(jù)傳輸可以由上位機的終端決定，適合使用休眠模式和呼吸模式，通過減少IA4421在微微網(wǎng)中的活動達到節(jié)電的目的。把終端作為主設備，將電源管理程序設計在終端的應用層中，并由終端完成設備的查詢、配對、建鏈等工作，當無線傳感器與終端配對成功并連接后進入休眠模式，此時主從設備仍然保持著信道，只是不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當需要進行數(shù)據(jù)傳輸時，退出休眠模式進入呼吸模式，通過呼吸時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，呼吸間隔可設為20～40 ms，間隔過大會帶來明顯延遲，當數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后再次進入休眠模式，從而盡可能地降低能耗。
(2)應用單片機的睡眠模式達到目的。當IA4421退出待機狀態(tài)，發(fā)送指令進行數(shù)據(jù)采集時，IA4421的中斷請求標志位nIRQ產(chǎn)生低電平，通過中斷標志位上電平的變化產(chǎn)生外部中斷來喚醒單片機進入工作狀態(tài)。
以上便是此次小編帶來的“無線傳感器”相關內(nèi)容，通過本文，希望大家對無線溫度傳感器設計方案具備的認知。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關注我們信息哦，小編將于后期帶來多精彩內(nèi)容。后，十分感謝大家的閱讀
