基于nRF905的无线温度测量系统设计Word下载.docx
- 文档编号:19236417
- 上传时间:2023-01-04
- 格式:DOCX
- 页数:55
- 大小:2.26MB
基于nRF905的无线温度测量系统设计Word下载.docx
《基于nRF905的无线温度测量系统设计Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于nRF905的无线温度测量系统设计Word下载.docx(55页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
ThearticlemainlyintroducesdesignthinkingaswellasimplementationmethodsbasedonthetemperaturesensorDS18B20andwirelesstransceiver,andthesystemiscontrolledbySTC89C52RCmicrocomputertoachieveambienttemperaturemeasurementandwirelesstransmission,thePCusingvisualprogrammingtechniquesforremotemonitoring.ThesystemisbasedontheSTC89C52RCmicrocomputer,atemperaturesensorDS18B20forthedetectiondevice,awirelesstransceivermodulenRF905forcompletingdata’swirelesstransmission,aLEDtubefordisplaying,itcanachievethetemperaturemeasurement,wirelesstransmissionanddisplay.
Thearticledemonstratesindetailtherealizationofthetemperaturedatacollection,wirelesstransmissionprogramdesignideasandoverallsystemarchitecture,andthenitelaboratesonthestructureofhardwarecircuitandtherelatedsoftwaredesignofvariousfunctions.
KEYWORDS:
nRF905,DS18B20,dataacquisition,wirelesstemperaturemeasurement
1引言
1.1课题的背景和意义
在工业控制现场,常常需要采集大量的现场数据,如电压、电流、温度、湿度、气压等,温度是一个非常重要的物理量,因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题,因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中,得到了广泛应用,在工业生产过程中,很多时候都需要对温度进行严格的监控,以使得生产能够顺利的进行,产品的质量才能够得到充分的保证。
温度作为一项工业常用测量对象,在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。
随着科学技术的发展,要求温度测量的范围向深度和广度扩展,不但要求有足够的精度满足工业生产和科学技术的要求,而且还要求有广泛的测温范围。
在许多测控现场,传统数据传输都是通过有线电缆实现的。
随着射频、集成电路技术的发展,无线通信功能的实现更容易,数据传输速率更快,抗干扰能力更强,因此,许多应用采用了无线传输技术。
无线数据传输与有线数据传输相比,有诸多优点:
一是成本低,省去大量布线;
二是建网快捷,只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线;
三是适应性好,可应用于某些特殊环境;
四是扩展性好,只需将设备与无线数据传输模块相连接。
因此,无线传输是一种有效数据传输方式。
所以使用无线传输的高精度测温系统可以对生产环境的温度进行无线传输并且能够进行使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行,从而提高企业的生产效率。
1.2无线测量的发展现状及发展趋势
数据采集技术是信息科学的重要组成部分,已广泛应用于各个领域。
在数据传输方式上,目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接,有线方式的数据传输速度快,可靠性高且运行稳定,能满足大多数情况的需要,但是其应用受现场环境和应用对象的限制。
近年来,随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步,无线通信技术取得了飞速的发展,无线通信的实现成本越来越低,传输速度越来越快,可靠性越来越高,并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
短距离无线通信技术是近年来的研究热点,将无线技术引入数据采集领域,可以解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题,以及解决有线网络带来的布线麻烦、不易维护等缺点。
有些数据采集系统应用于智能家居领域的,但也进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。
随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用,现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了,形成了数字化测量技术。
数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号,并转换成电信号,然后进行信号调理和A/D转换,使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。
具体来说,就是将温度、湿度、气体密度等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。
作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。
目前,传感器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。
目前,已经将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合,力图通过数据传输的无线化来达到智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据的采集。
随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术和信息技术的迅猛发展与提高,人们对所居住的环境提出了更高的要求,在这种形势下发展出了“智能家居”这一概念。
目前,智能家居通常被定义为利用通信、网络和综合布线技术,通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。
智能家居首先要实现对所有家电设备和家居环境的监视,满足家居网络与外界进行通信的要求,实现家庭的远程监控和信息的交换。
智能家居的最终目的就是满足人们对安全、舒适和方便的现代生活理念的追求。
智能家居中,对当前环境状况的监测分析是首要的,无线数据采集系统即是针对智能家居中对室内生活环境指标如温度和湿度等进行采集分析的解决方案。
近年来,智能控制技术已取得了突飞猛进的发展,并日益显示出其重要价值。
智能控制已成为多种学科的综合与集成,吸引了全球不同领域、不同学科的众多专家学者,进行着广泛的研究工作,并不断探索新的方法、新的理论和新的有效的实际应用。
人们正在努力使用智能控制技术进入工程化和实用化的阶段,智能控制已渐渐渗透到人们生产、生活的各个领域,成为人们生活的重要组成部分。
随着科学技术的发展和社会的进步,电子技术、计算机技术等的革新,智能控制必将迎来发展的新时期,智能控制的未来一定会更加美好。
关于温度智能控制,现在已经有了许多新的器件和方法,并且有些已经运用到实际生活和生产当中,比如美国达拉斯公司生产的DS18B20温度巡检器,采用单线总线结构,通过一根I/O线与主控CPU进行数据和命令的传送。
再如基于反射强度调制的光纤温度巡检系统,光纤传输距离可达1km以上,检测精度也可显著提高。
而更为先进的是,某些粮仓已经在尝试将有线控制变位无线控制,利用无线传感器来实现粮情检测和智能控制。
这些新器件新方法的应用,给温度智能控制带来了新的气息。
1.3本文研究的主要内容以及实现方法
1.3.1研究内容
本课题主要是进行基于无线传输模块的温度测量系统的设计,测温系统由温度信号采集与显示模块、单片机控制单元、无线传输模块四部分组成。
本课题将传感器技术、新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合,力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场指标数据的采集。
本课题提出了一种有效的数据采集分析方案,设计并实现了一种基于无线射频传输的数据采集系统。
本系统基于无线射频收发模块NRF905跟STC89C52RC单片机为核心,以低功耗和模块化为设计原则,设计出具有体积小,功耗低,数据传输稳定可靠及成本低的无线测温系统,由以下四个方面依次完成:
(1)针对实际应用需求设计系统总体方案,完成了温度数据采集和处理、无线数据传输的结构设计。
(2)以低功耗和模块化为选择元器件的原则,选取了合适的温度传感器、单片机、无线收发模块。
(3)设计无线收发方案,并通过软件控制元器件工作模式等方式实现系统的低功耗设计。
(4)完成无线数据采集的硬件电路设计及相关的开发和调试。
主要包括传感器接口电路设计及数据采集与处理相关程序设计、无线射频模块的接口设计以及单片机与PC通信的接口设计。
本课题旨在通过软、硬件的有机结合,以硬件为基础,进行各功能模块的编写。
对系统硬件的工作原理进行了分析描述,并进行系统硬件设计。
具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及NRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。
1.3.2实现方法
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温度数据的接受,利用可视化编程技术实现远程监控,是STC89C52RC单片机为控制单元,以DS18B20为温度采集模块,nRF905无线传输模块为温度数据发送单元,实现温度的采集、发送、显示、控制,就是一套通过无线方式实现温度的显示发送系统。
基于无线收发芯片NRF905的温度测量系统主要由四个模块构成,分别为温度采集模块、无线收发模块、单片机控制模块以及数码管显示模块。
1.4本论文结构
本论文共有五章,分别对无线测温系统进行详细的介绍。
第一章引言。
第二章是对无线通信的开发介绍及对无线测温系统主要器件的介绍,首先介绍了单总线技术,重点介绍数字温度传感器DS18B20,对它的内部结构、工作原理、工作过程等做重点描述,随后详细介绍了本系统的所使用的无线收发芯片nRF905。
第三章是对无线测温系统的方案设计及功能描述,包括温度信号采集与显示模块、单片机、无线传输发送模块、无线传输接收模块等下位机的具体功能。
第四章介绍介绍了本系统的软件设计,介绍了无线测温系统的整体软件框图,详细介绍了数据采集和无线收发流程及程序。
第五章结论与展望。
2无线通信的开发介绍
2.1无线通信技术的选择
无线通信包括长距离无线通信和短距离无线通信。
长距离无线通信一般要借助基站达到长距离通信的目的,被称为长距离移动通信,比如手机通信。
这种长距离移动通信一般成本都比较高。
随着电子技术的不断进步,短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来,世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。
短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部,一般使用单片数字信号射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。
所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部,一致性良好,性能稳定且不受外界干扰。
射频芯片一般采用FSF调制方式,工作于IsM频段,通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密防议,发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成,用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据传输。
新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点,而且开发简单快速,可以方便地嵌入到各种设备中,实现设备间的无线连接,因此,较适合搭建小型网络,在工业、民用领域得到较为广泛的应用。
对于一个系统来说,无线通信技术的选择主要考虑以下几点:
(1)可以完成系统的功能要求
(2)对于一个无线测温系统来说,需要对传感器收集到的信号进行处理,并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强,且对于一个无线系统来说,低功耗也是一项重要的指标。
(3)开发简单
收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本,因此应该选择外围元件少的收发芯片。
通信协议的复杂程度也完全影响了整个系统的开发的复杂性。
(4)成本低
下面是对现在比较常用的几种短距离无线通信技术进行对比,并得到本系统的短距离解决方案。
2.2无线通信技术的发展与现状
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加,加之有线传输的费用日益增长,人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中,无线通讯领域取得了很大的进展,这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
短距离无线通信方案目前有蓝牙技术(Bluetooth)、IEEE802.llb(Wi-Fi)、Zigbee、红外通信技术IrDA(InfraredDataAssociation)和一种无线单片技术。
1.蓝牙技术(Bluetooth)
蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范,己经得到了全球众多大企业的支持。
蓝牙技术同时支持语音和数据传输,使用跳频扩频技术,本身包括纠错机制,可靠性高,蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据,并能实现互操作和交互式应用。
但是蓝牙设备价格昂贵,通信协议复杂,通讯距离近,蓝牙RF定义了三种功率等级(100mw,25mw和lmw),当蓝牙设备功率为lmw时,其发射范围一般为10m。
在蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。
对工业,家庭自动化控制和遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等,而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。
正因此,经过人们长期努力,Zigbee协议在2003年中通过后,于2004正式问世了。
2.红外通信技术(IrDA)
红外通信技术lrDA(InfraRedDataAssociation)采用人眼看不到的红外线传输信息,是使用最广泛的短距离无线通信技术。
它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑,通常有效作用半径2米,传统速度可达4Mbit/s。
1995年lrDA将通信速率扩展到的高达16Mbit/s,红外技术采用点到点的连接方式,发射、接收具有方向性,具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。
因此广泛应用于各种遥控器,笔记本电脑,PDA,移动电话等移动设备。
但红外技术只是一种视距传输技术,有效距离近,发射角度较小,一般不超过20度,两台相互通信的设备之间必须对准,而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物,只能限于两台设备通信,无法灵活构成网络,且无法用于边移动边使用的设备,另外,lrDA设备中的核心部件LED易磨损。
3.IEEE802.11b(Wi-Fi)
IEEE802.llb技术标准是无线局域网的国际标准,使用2.4GHZ的ISM频段,采用直接序列扩频DSSS技术进行调制解调增强了抗干扰能力,提高了传输速度。
IEEE802.llb无线网络的最大优点是兼容性,只要在原有网络上装上AP(AccessPoint),就可以提供无线网络服务,终端设备只要装上无线网卡,就可以访问所有网络资源,象使用有线局域网一样方便,却免除了布线的麻烦。
802.11b具有有线等价保密机制WEP(WiredEquivalentPrivacy)力确保数据安全。
以其具有穿透能力,全方位传送,建网速度快,可用来组建大型无线网络,运营成本低,投资回报快等特点,正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐,目前此种设备还比较昂贵,妨碍了其推广和应用。
更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。
速度更快的802.11g使用与802.llb相同的正交频分多路复用(OFDM)调制技术,同样工作在24GHZ频段,速率达54Mbit/s,比目前通用的802.llb快了5倍,并且完全向后兼容802.11b,802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准,而下一代的Wi一Fi标准802.lln可望达到100Mbit/s。
4.Zigbee技术
Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的,它是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网,每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;
每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几百米,甚至几公里;
另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
Zigbee技术的目标就是针对工业,家庭自动化,遥测遥控,汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。
另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。
Zigbee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全,可广泛应用于各种自动控制领域。
Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快,市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。
尽管国内不少人已经开始关注Zigbee这项新技术,然而,由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发必须和网络传输,射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。
因而深入理解这个来自国外的新技术,再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍,是一件不容易的事情。
5.无线单片技术
无线单片技术是将成熟的单片机技术与无线技术相结合的产物。
嵌入了高性能单片机内核的高速、体积小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片,即将单片机和射频收发器集成在一体。
该芯片外设少、成本低、干扰少、功耗低,保证了产品的技术稳定性。
与蓝牙和Zigbee技术相比,无线单片技术没有复杂的通信防议,完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信,成本低。
它可应用在:
无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制和无线通讯电信终端。
通过以上几种无线技术的介绍,从系统的经济性、传输速率,确定该系统部分电路设计使用无线收发芯片。
无线单片芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强,通讯防议简单透明,技术成熟。
使用该种方案无线通信接口与数据采集系统接口电路设计简单。
无线收发芯片的种类和数量比较多,在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。
2.3器件的选择及介绍
2.3.1温度传感器的选择
DS18B20是美国Dallas半导体公司推出的一种智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。
它具有独特的单总线接口方式,即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器,从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点,而且,可以通过总线供电,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源,由它组成的温度测控系统非常方便,而且成本低、体积小、可靠性高。
DS18B20的测温范围-55~+125℃,最高分辨率可达0.0625℃,由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中,因此CPU可用简单的通信协议就可以识别,从而节省了大量的引线和逻辑电路。
Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比,有以下特点:
(1)适用于低速测控场合,测控对象越多越显出其优越性。
(2)性价比高,硬件施工、维修方便,抗干扰性能好。
(3)具有CRC校验功能,可靠性高。
(4)软件设计规范,系统简明直观,易于掌握。
由于DS18B20占用MCU的I/O引脚资源少,和MCU的通信协议比较简单,成本较低,传输距离远,和其他数字温度传感器相比,它更适合本系统,所以,选用DS18B20做为温度测量的传感器。
2.3.2无线收发芯片的选择
在选择时,应主要参考以下几点:
(1)收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码:
采用曼彻斯特编码的芯片,在编程上会需要较高的技巧和经验,需要更多的内存和程序容量,并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率,一般仅能达到标称速率的1/3,而采用串口传输的芯片,应用及编程非常简单,传送的效率很高,标称速率就是实际速率,编程方便。
(2)收发芯片所需的外围元件数量:
芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本,因此应该选择
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 nRF905 无线 温度 测量 系统 设计