基于无线数字温度传感器的多点温度测量系统设计

图１ 　系统组成框图

１．１ 无线数字温度传感器
无线数字温度传感器由温度测量、无线收发和微控制器组成。电路图如图２所示。

图２ 　无线数字温度传感器

       温度测量采用单片温度监控系统集成电路ＡＤ７４１６，其芯片内部包含有温度传感器和１０位模数转换器，可将感应温度转换为０．２５℃量化间隔的数字信号。测温范围－５５～１２５℃，精度为±２℃。ＡＤ７４１６采用Ｉ２Ｃ串行总线和数据传输协议来实现与微控制器的数据传输，数据输入／输出线ＳＤＡ及时钟信号线ＳＣＬ与微控制器ＰＩＣ１６Ｃ５４的ＲＢ７和ＲＢ６相连。当ＳＣＬ保持高电平时，ＳＤＡ从高电子到低电平的跳变为数据传输的开始信号，随后传送 ＡＤ７４１６的地址信息和读眉控制位。其地址信息的格式为：１００１ Ａ２ Ａ１ Ａ０ Ｒ／Ｗ。读／写控制位为１时，表示对ＡＤ７４１６进行读操作，为０时，则表示进行写操作。当每个字节传送结束时，必须在收到接收数据一方的确认信号ＡＣＫ后方可开始下一步的操作。然后在地址信息和读屑控制位之后传送片内寄存器地址和数据。最后，在ＳＣＬ保持高电平的情况下，当ＳＤＡ从低电平跳变到高电平时将终止数据的传输操作。地址编码开关用于传感器的编号。 ＡＤ７４１６片内温度传感器可按预先设置的工作方式对环境温度进行实时测量，并将结果转化为数字量存人到温度值寄存器中地址００Ｈ。ＡＤ７４１６预先设置的工作方式分自动测温方式和低功耗方式两种，本设计采用低功耗方式。当需要对环境温度进行测量时，通过Ｉ２Ｃ串行接口总线来写入操作命令，此时，芯片将由睡眠状态转入测温状态。当温度量化转换结束后，芯片将重新转人睡眠状态。

       无线收发电路采用ｎＲＦ４０３单片射频收发芯片。芯片内包含有发射功率放大器，低噪声接收放大器，晶体振荡器，锁相环，压控振荡器，混频器等电路。工作频率 ４３３ＭＨｚ，ＦＳＫ调制解调，采用晶体振荡和ＰＬＬ频率合成技术，接收灵敏度为—１０５ｄＢｍ，发射功率为 １０ｄＢｍ，待机状态电流消耗仅１０μＡ。在接收模式中，射频输人信号被低噪声放大器放大，经由混频器变换，这个被变换的信号在送人解调器之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在ＤＯＵＴ端输出。在发射模式中，压控振荡器的输出信号是直接送人到功率放大器，ＤＩＮ端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。在接收模式中，射频输入信号被低噪声放大器放大，经由混频器变换，这个被变换的信号在送人解调器之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在ＤＯＵＴ端输出。在发射模式中，压控振荡器的输出信号是直接送人到功率放大器，ＤＩＮ端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。

      芯片引脚９脚ＤＩＮ输人数字信号，与微控制器的ＲＢ０相连，需要发射的数字信号通过ＤＩＮ输入；１０脚ＤＯＵＴ输出数字信号，与微控制器的ＲＢｌ相连，解调出来的信号经过ＤＯＵＴ输出进入微控制器；１８脚ＰＷＲ－ＵＰ电源开关控制，与微控制器的 ＲＢ２相连：ＰＷＲ－ＵＰ＝“１”为工作模式，ＰＷＲ＿ＵＰ＝“０”为待机模式，待机模式电路进入待机睡眠状态，工作电流８μＡ，在待机睡眠状态电路不接收和发射数据。１９脚ＴＸＥＮ为发射允许控制，与微控制器的ＲＢ３相连：ＴＸＥＮ＝“１”为发射模式；ＴＸＥＮ＝“０”为接收模式。接收模式转换为发射模式的转换时间至少１ｍｓ；发射模式转换为接收模式的转换时间至少３ｍｓ。

      微控制器采用ＰＩＣ１６Ｃ５４。系统采用ＬＰ低频低功耗晶体振荡方式，地址编码开关用于传感器的编号，ＲＢ口分别与ＡＤ７４１６和ｎＲＦ４０３的引脚相连，用于温度和无线收发控制。由于无线温度传感器采用电池供电，整个电路采用低功耗设计。

１.２ 主机系统
       主机（上位机）采用ＡＴ９８Ｃ５１单片机，外接ｎＲＦ４０３无线收发电路、健盘显示及微型打印机等电路。电路组成如图３所示。

图３ 主机系统组成框图

２系统工作原理及软件设计
      在这个多点温度测量系统中，系统采用查询方式对各点的温度进行测量，使用了多台ＰＩＣ单片机作为下位机，并按照上位机的要求将采得的温度数据传送给上位单片机ＡＴ８９Ｃ５１系统。上位机与各下位机之间采用主从式的异步串行通讯方式，即下位机接到上位机的通信信号时才做出响应，否则将一直处于睡眠状态。

       限于篇幅，这里主要是设计下位机即ＰＩＣ１６Ｃ５４单片机与上位机即ＡＴ９８Ｃ５１单片机的通信程序，而ＡＴ９８Ｃ５１单片机与显示器件，打印机及通信程序是大家所熟知的，这里不作讨论。

      下位机型号为ＰＩＣｌ６Ｃ５４，它体积小，功能强，功耗低。它没有专门的串行通讯口及相关的控制字和标志位，采用普通Ｉ／Ｏ口和特定的通信协议，实现了主从式的多机串行通讯，实际应用中取得良好效果。

       鉴于上位机对下位机发送的命令只有２种：呼叫、发送温度测量数据。呼叫命令即是上位机欲与之通信的下位机的编号，而发送命令只要不与呼叫命令重复，即可以将下位机的地址编号，同样作为数据命令来发送。具体方法是，在单片机的程序中，设置一个标志寄存器ＦＬＡＧ，将它的某一位如第７位，即ＦＬＡＧ７作为控制位，先将其设为０。各下位机在接收到上位机命令之后，首先查看ＦＬＡＧ７为１还是为０，如果ＦＬＡＧ７为１，则转入温度测量程序和发送温度测量数据段；若为０则将接收到的命令与本机地址相比较，若不同，则返回睡眠状态，ＦＬＡＧ７仍为０；若相同这种情况说明：上位机此时确实发送的是呼叫命令则将ＦＬＡＧ７置：为１，表示已得知上位机要与自己通信，同时将本机地址传给上位机作为回应。当上位机再次发来命令时，即可实现一对一的通信，程序流程图如图４所示。

图４ 下位机与上位机的通信程序框图

３结束语
       所设计的无线多点温度测量系统采用专用集成电路，电路结构简单，工作稳定可靠。设计中充分利用了各芯片的低功耗特性，有效地延长了电池的使用时间；无线数据传输方便灵活，在烟草、粮食等仓库中应用效果良好。

参考文献
１ 黄智伟．无线数字温度传感器的设计Ｊ．传感器技术，2002，21（9）：31～33
２ 窦振中．ＰＩＣ系列单片机原理主程序设计M．北京航空航天大学出版社，2000