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引言 溫度是工業生產巾常見的工藝參數之一，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的精確度遠遠優于熱敏電阻。通常在工程項目中可能要測量多點的溫度值，這就需要鋪設大量的電纜，而且如果現場環境惡劣就會帶來很大的難題。因此，采用無線測溫方案就很好地解決了這個問題。 1 系統總體概述 隨著微機電系統、片上系統、無線通信和低功耗嵌入式技術的l飛速發展而孕育出的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點深入到了廣闊的應用領域。本文介紹的多通道尤線溫度測量系統設計則是WSN的一個典型應用。該系統就是南部署在監測區域內的多個微型傳感器節點和遠程主機組成，通過無線通信方式形成了一個自組織網絡系統，其同的是協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的溫度信息，并發送給遠程主機。系統總體結構如圖1所示。 
圖1系統總體結構網 2 硬件結構設計 傳感器節點作為傳感器網絡的基本單元，在單片機的控制下完成對各個監測點溫度的采集，然后通過無線發送模塊PTR8000將溫度值傳輸到連接在遠程主機上的尤線接收模塊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結構和RISC精簡指令技術，簡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，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端口驅動負載能力較強，每個輸出引腳可驅動20—25mA的負載，一般端口總驅動能力約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；自帶看門狗定時器，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，且變化率非線性；熱電阻Ptl00的缺點就是熱響應比較慢，成本高。本系統采用的DALLAR半導體公司推出的單總線數字式智能溫度傳感器DS18B20很好地改善了這些問題。 DSl8B20的測溫范圍從-55℃至+125℃，并通過簡單的編程實現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和單線數據輸入/輸出引腳DQ，僅通過單線接口DQ就可以完成與單片機的信息交流，所以需要有嚴格的時隙慨念。每一個DSl8B20的內部都有唯一的64位序列號，單片機通過讀取序列號來識別每個器件，因此多個DSl8B20可以掛接在同一條總線上，這就允許在不同的地方設置測溫節點。 2．3允線收發模塊PTR8000 PTR8000以挪威Nordic公司的Nr905芯片為核心的無線收發模塊，采用超小體積設計，其待機功耗儀為2uA。而且內置環行天線，性能穩定不易受外界影響。它的最大發射功率可達+ lOdBm．采用的是高抗干擾GFSK調制。PTR8000內置完整的通信協議和CRC，只需通過SPI即可完成所有的無線收發傳輸，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，需要進行電平轉換。本系統選用74LVC16245A，它是TI公司的一種16位雙向總線收發器，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無線模塊硬件電路圖 2．4 MCU與PC串口通訊 各點的溫度值被發送到PTR8000接收模塊之后，通過單片機與主機之間的串口通訊發送到遠程主機上。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。上位機編程實現PC與單片機之間的串口通信以及各點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，只需對串口進行簡單地設置即可。應用程序要使用串口進行通信，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、發送數據、關閉串口。 3．2下位機軟件設計 下位機包括兩個荸片機。發送端單片機完成多點溫度采集和溫度值發送功能，接收端單片機完成溫度值接收和串口通信功能。DSl8B20獨特的單總線技術給硬件方面帶了很大的方便，而較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，因此對DS18B20進行讀與寫操作時，必須嚴格的保證讀寫順序。另外需要注意的是，在系統安裝及工作之前。主機逐個與DSl8B20掛接，以讀取其序列號。然后在多點測溫中，再逐一將序列號輸入以確定每個DS18B20的正常工作。 為了順利實現無線數據的發送和接收，必須通過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進配置寄存器。在進行SPI編程時可直接使用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協議相關的高速信號處理部分已經嵌入至PTR8000內部，用戶在使用時只需編寫應用層程序就可實現發送和接收功能。發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 應用中的問題分析 4．1多個DS18B20的總線驅動問題分析 系統在應用中可根據實際需要選擇溫度傳感器的個數。但是當單總線上所掛DSl8B20超過8個時，就需要考慮微處理器的總線驅動問題。根據系統功耗和布線成本的不同情況，MCU與傳感器之間有不同的接口驅動形式。第一種方法是利用PIC16F877A端口的強驅動能力，直接在總線和電源之間接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電路。第三種方法是采用總線驅動芯片74LS5244，這種方法在數據讀取過程中加入了緩沖，閑此讀寫時序參數要作調整。 4．2無線數據傳輸距離問題分析 PTR8000的最大發射功率為+lOdBm，在無干擾情況下開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。要想進一步增加傳輸距離，可以在PTR8000的發射端連接一個1W的功率放大器，并為之配置匹配的天線。 5 結束語 系統采用單總線數字式溫度傳感器DS18B20，并將易于維護、傳輸數據靈活的PTR8000無線收發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，提高了系統抗干擾能力，適合于惡劣環境下的溫度測量，而且在計算機上實現了具有界面化的多點實時溫度顯示，使用方便，操作靈活。 創新點：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線通信系統，該系統功耗低，體積小，電路結構簡單，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了模擬傳感器，且簡化了硬件電路。該系統應用廣泛，使用方便。可以在各種復雜環境中完成測量任務，從而大大減少了人力物力。 作者：孫寧，沈湘衡 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期 |
