（控制理论与控制工程专业论文）基于nrf905的温度数据采集及无线传输系统的设计.pdf

l 武汉科技大学 y 1739649iiil l il l f li lrri i i ii i j 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：碰业日期： 阳o - 5t 1 8 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： l 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 在现代工业生产活动中，温度作为一种可以实际测量的重要参数，能起到对设备运行 状态、生产环境等外界因素进行实时监控的作用，以保证整个生产活动高效开展，因此准 确且实用的温度数据采集系统具有举足轻重的作用。然而，生产环境的多变性、不确定性， 导致许多工作场所不太方便布线，需要采用无线传输方式。 本设计以射频收发芯片n r f 9 0 5 为核心，以模块搭建设计为指导思想，搭建无线温度 采集系统，系统主要由数据采集模块和无线传输模块组成。数据采集模块以数字式温度传 感器d s l 8 8 2 0 监测温度参数，并将监测的温度参数简单处理后通过n r f 9 0 5 无线模块发送 到接收端口。无线数据传输模块通过n r f 9 0 5 芯片进行数据收发处理，n r f 9 0 5 芯片的集成 度较高，所需的外围器件较少，因此整体的电路设计相对比较简单点。本设计给出其与 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的接口电路设计和接收端通过电平转换芯片m a x 3 2 3 2 与p c 机连接。并根据硬 件特性及连接设计相应的软件流程，并编写软件。通过相适应的无线传输模块和数据采集 模块控制软件的操控，保证整个硬件系统的流畅运作。 本文研讨以n r f 9 0 5 芯片为核心，搭建无线温度数据采集系统，并对该系统的可能性 进行的探讨。利用该系统，我们可以快捷方便的收集到离接收端口五十米范围内的温度参 数，适应于各种不同场合。通过调试分析，该套无线数据采集系统可以满足近距离的无线 通信需求，数据采集速度快、精度较高、稳定性较强。 关键词：温度传感器；数据采集；n r f 9 0 5 射频收发芯片；无线传输 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm o d e r np r o d u c t i o na n dl i f e ，t e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nm a n yo c c a s i o n s i n m a n yp l a c e s ，i ti sn e c e s s a r y t om o n i t o rt h et e m p e r a t u r ep a r a m e t e ra n dm a k i n gr e l e v a n t p r o c e s s i n gs ot h a tt h es y s t e mr u n si nt h eb e s ts t a t e t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pa r e l i a b l ea n dp r a c t i c a lt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s h o r tr a n g ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d t om a n yp l a c e sw h e r ew i r i n gi sn o ta v a i l a b l e ，o f f e r i n gg r e a tc o n v e n i e n c e sf o rp e o p l e t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dt h a tt h ew i r e l e s st e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb u i l tw i t h t h er ft r a n s c e i v e rc h i p ( n r f 9 0 5 ) a st h ec o r e , a n di t sg u i d i n gi d e o l o g yi sm o d u l a r i z a t i o n , t h e s y s t e mi sc o n s i s t so fc o l l e c t i o nm o d u l ea n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e t h ed a t aa c q u i s i t i o n m o d u l ed e t e c tt e m p e r a t u r ed a t aw i t hd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rd s18 8 2 0 ，t h e nt h es i m p l y p r o c e s s e dd a t ai ss e n to u tb yt h er ft r a n s c e i v e rc h i p ( n r f 9 0 5 ) b ya n a l y z i n go ns t r u c t u r eo ft h e t e m p e r a t u r es e n s o r ( d s 18 8 2 0 ) a n dt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t ( m c u ) ，ar e a s o n a b l ea c q u i s i t i o n p o i n t e rh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r ei sc o m p i l e d s i m i l a r l y , w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l es e n t ，r e c e i v e da n dp r o c e s s e dd a t ab yt h en r f 9 0 5c h i p b e c a u s eo f t h en r f 9 0 5r fc h i pi si n t e g r a t e do fm c u ，t h e r e f o r e n r f 9 0 5c h i ph a v et h ef u n c t i o no fd a t ap r o c e s s i n g ，r ft r a n s c e i v e r , a u t o m a t i cc r cc h e c k i n g a n ds oo n b e c a u s eo fh i g hi n t e g r i t yf e w p e r i p h e r a ld e v i c e s ，t h ec i r c u i td e s i g no fh a r d w a r ei s r e l a t i v e l ye a s y t h es o f t w a r e sc o m p i l e df o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l ea n da c q u i s i t i o nm o d u l e a r ec o o p e r a t e dt om a k et h ee n t i r es y s t e mr u nn o r m a l l y b yt e s t i n ga n dd e b u g g i n g , i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw i t ht h ed a t aa c q u i s i t i o nr a p i d ，a c c u r a t e a n dr e l i a b l e s u c har a p i da n dc o n v e n i e n td a t aa c q u i s i t i o na n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mw i l l b ew i d e l ya p p l i e di nm o d e m i n d u s t r ya n dr e s e a r c hf i e l d s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r es e n s o r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；n r f 9 0 5r a d i of r e q u e n c yc h i p ；w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 弓i 言l 1 2 课题研究内容及意义1 1 3国内外研究现状2 1 3 1数据采集系统研究现状2 1 3 2 短距离无线通信技术研究现状3 1 4 本文主要工作一4 第二章系统总体设计5 2 1系统概述5 2 1 1温度数据采集系统5 2 1 2 无线通信系统6 2 1 3 本系统设计要求6 2 2 系统相关器件的选型7 2 2 1 温度传感器的选择7 2 2 2m c u 的选择7 2 2 3 无线方式及射频芯片的选择8 2 3 本章小结9 第三章温度数据采集系统设计l o 3 1 数字温度传感器d s l8 8 2 0 1 0 3 1 1d s l 8 8 2 0 的性能特点1 0 3 1 2d sl8 8 2 0 的内部结构：1 l 3 1 3d s l 8 8 2 0 的电源1 2 3 1 4d s l8 8 2 0 的测温原理1 3 3 1 5d s18 8 2 0 的命令序列一13 3 1 6d s l 8 8 2 0 的信号方式1 4 3 2m c u 及功能模块1 6 3 2 1m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机1 6 3 2 2m s p 4 3 0 f 4 4 9 与d s18 8 2 0 的连接l7 3 2 3 下位机显示部分1 7 3 2 4 键盘及报警模块18 3 3 采集功能软件设计18 3 3 1 系统资源配置1 8 3 3 2 系统软件分析及模块设计1 9 3 4 本章小结1 9 第四章无线通信模块21 4 1 单片射频收发芯片n r f 9 0 5 2 1 4 1 1n r f 9 0 5 介绍2 l 4 1 2n r f 9 0 5 的工作模式2 2 4 1 3 n r f 9 0 5 的s p i 接口2 2 4 2n r f 9 0 5 的接口电路设计2 4 4 2 1 n r f 9 0 5 的接口电路2 4 第页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 2n r f 9 0 5 的接口电路2 5 4 3n r f 9 0 5 的配置及收发流程2 5 4 4 通信协议2 7 4 5 无线数据可靠性传输技术2 9 4 5 1 硬件抗干扰2 9 4 5 2 跳频技术2 9 4 6 本章小结3 0 第五章系统测试及结论3 l 5 1 开发工具与环境3 1 5 2 测试中注意问题3 l 5 3 结论及展望3 2 参考文献3 4 附录：攻读硕士期间发表的文章及科研情况3 7 j l i 【谢3 8 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1引言 第一章绪论 人类的日常生活、生产活动和科学实验都离不开测试和信息采集。信息采集就是获取 信息，是对实际工作中物理、化学、工程技术等方面的参量和数值信息进行提取的过程。 由于信息本身不具备处理、传输的功能，只能通过一定的手段和方法将信息转化为可知的 信号，并进行传输。 数据采集就是将外界或现场的被测对象中各种参量( 可以是物理量，也可以是化学量、 生物量等) 通过各种传感元件进行适当的转换后，在经过采样、量化、编码、传输等步骤， 最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程【i 】。在数据采集系统中，控制器一般由微 处理器、计算机承担，是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，完成对数据的采 集，并对采集数据进行处理【2 1 。在数据采集和处理过程中，c p u 对采集的控制和数据的传 送都是通过总线或接口来实现的。数据采集系统涉及到传感器技术、模拟信号处理技术、 模数转换和数模转换技术、信号处理技术、数据采集系统抗干扰技术、误差分析与处理、 人机接口技术、数据存储与打印、数据传输技术、虚拟仪器技术等相关技术【3 1 。随着科学 技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将具有广阔的发展前景。 在日常生活、生产活动中，环境中的温度指标在许多场合中都是重要的参数，需要对 其进行采集和控制。温度参数很多时候用于对工业工场、仓库管理、粮食蔬菜大棚、花卉 温室、医疗制药等领域，需要对其监控，以达到生产生活需要，并及时对测试结果做出相 应的处理【4 】。故研究温度数据采集系统具有很好的实际应用价值。 随着科技的不断发展，传感器技术已成为国内外优先发展的科技领域之一，应用越来 越广。温度数据采集的实现需要从对现场温度数据的有效获取开始，采用温度传感器能够 实现对温度数据的有效采集及简单处理。随着集成芯片及各种无线技术的发展，针对一些 现场环境比较复杂的地方，有线传输方式的布线会比较繁琐且不适宜在偏远、环境恶劣的 情况下使用，而无线传输方式可以避免以上的问题【5 】，且在采集点较多和需更换采集位置 的场合显得更为方便简单。 1 2 课题研究内容及意义 温度在很多工业场合或生产生活坏境中具有重要的意义，这些环境中的温度指标或多 或少的影响着生产的质量和产量，故研究温度数据采集系统具有很好的现实意义。在温室 中进行温度数据的采集、测量及监控具有重要的意义。原始的温度测控系统一般是将所测 得的温度数据通过有线的方式传输到监测房或上位p c 机，这样的有线传输方式虽然在传 输速度和运行可靠温度性方面有一定的优势，但其也存在不便的地方，如在环境比较恶劣 或较偏远的地方，通过有线布线就显得尤为困难，而在温室、粮仓、及大棚等较扩散和时 常变更测试位置的地方，有线布线也会显得比较麻烦。而无线传输的方式就可以很好的解 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 决这一问题。 目前无线传输有很多种方式【6 】，根据通信距离可以分为无线广域网( w a n ) 、无线局域 网( w l a n ) 和无线个人网( w p a n ) 。g s m 、c d m a 和第三代移动通信技术( 3 g ) 能实现远距离 的通信，属于w a n 领域；w l a n 和w p a n 领域中，短距离无线通信技术有u w b 无载波通信技 术、z i g b e e 技术、w i r e l e s su s b 技术、蓝牙、w i - f i 技术等。 本文采用由无线射频收发芯片与m c u 组成的无线通信模块进行温度数据的无线收发。 射频收发芯片可工作在免费2 4 g h z 的i s m 频段，无需向中国无线电申请频段，具有低功 耗的优点从而能够免除布线的麻烦，提高设备的可移动性，方便移动测试位置和随时增减 点采集数目。此种构成的无线的模块，在传输速度和可靠性等通信实现能力上能够基本达 到有线通信的标准。本文单片射频收发芯片采用挪威公司的n r f 9 0 5 ，其可满足低功耗、开 发周期短的要求且集成模块小便于嵌入其他设备中使用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 数据采集系统研究现状 数据采集是现代检测技术的基础，同时也是自动化测试中重要的组成部分，它为测试 系统提供可供分析的数据。 常用的数据采集系统有两种【7 1 ，一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统，它的 构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、a d 转换器、微处理器及其它 一些外围器件构成。第二种是基于通用微型计算机( 如p c 机) 的数据采集系统。这类系统 一般由计算机和数据采集卡组成，目前数据采集卡一般基于标准总线( 如工控标准总线 s t d 、传输位总线b i t - b u s 、c a n 总线、p c 总线等总线系统) 并带有高速d s p ，通过计算机 插槽与计算机相连，形成内插式工作方式。 数据采集系统的性能可以通过以下几个指标来衡量【8 】：( 1 ) 系统分辨率。是指系统可 以分辨的输入信号的最小变化量。( 2 ) 系统精度。指当系统工作在额定采集速率时，每个 离散子样的转换精度，是系统实际输出值与理论输出值之差。系统精度是系统各个环节精 度的集中表现，一般达不到模数转换器的精度。模数转换器的精度是系统精度的极限值。 ( 3 ) 采集速率。是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内 所完成的采样次数，即系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。( 4 ) 动态范围。信号的 l 矿 动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。可表示为：i ，= 2 0 1 9 善坐，其 f m i n 中巧一表示所允许输入的最大幅值，巧。h 表示最小幅值。 目前国外的数据采集系统的研制已经相当成熟，而且种类繁多，性能好，功能强大， 并且以基于通用微型计算机的系统居多，这种系统的核心是可插入计算机标准插槽的高速 数据采集卡。目前这类高速数据采集卡种类多，技术先进，市场主流的产品有【9 】：s p e c 公 司的s p l 2 2 5 、s i g n a t e c 公司的p d a l 2 a 和p d a 5 0 0 、a c q u i s i t i o nl o g i c 公司的a l 5 1 g 以及 武汉科技大学 硕士学位论文第3 页 u l t r a v i e w 公司的a d - 1 2 5 0 d m a 。其中s p l 2 2 5 是带有i g s s 8 b 精度数字化仪的超高速数据 采集模块( h s d a m ) p c i 卡，最高可进行5 0 0 删z 或i g h z 的波形分析；p d a l 2 a 采样率为1 2 5 m s s ，分辨率为1 2 b ，信号带宽由d c - - - 5 0 m h z 。可通过s a b 总线( s i g n a t e ca u x i l i a r yb u s ) 以2 5 0 m b s 的速率向其它处理、回放或存储器件传输数据；a l 5 1 g 基于p c i 总线，采样率 为1 g s s 8 b ，其存储深度为6 4 m 、2 5 6 m 、1 0 0 0 m 可选；a d 一1 2 5 0 d m a 也是基于p c i 总线，采 样率为1 2 5 g s s 8 b ，存储深度为8 g b ，在6 6 m h z 和6 4 b 数据宽度下，p c i 总线d m a 模式向 主机传输数据速率可达3 2 0 m b s 。 在国内，很多大学、科研机关、公司也从事着数据采集系统的研制。随着数据采集技 术不断发展，市场上出现了很多新型的数据采集器。如北京中泰研创科技有限公司的数据 采集系统p c i 一8 3 4 4 b ，它具有1 6 位a d ，8 通道并行同时转换，每个通道的转换速率都可 以达到i o o k h z 。四川拓普数字设备有限公司的p c i - i o o l 6 具有4 通道模拟量输入，具有 1 6 位的a d ，最高采样率l o o k s p s 。北京康泰电子有限公司的d a q - 1 6 0 2 p c i1 6 位p c i 总 线数据采集板，具有1 6 位、2 5 0 k h z 和5 0 0 k h z 的a d 输入、四种可编程增益选择、2 0 4 8 字节的数据缓存。 对比国内外现有数据采集系统的性能、价格和功能，可以看出：国外的数据采集系统 精度高、采样速度快、功能全，但是价格昂贵，并且体积较大，操作复杂。国内的数据采 集系统虽然价格较为便宜，但与国外的相比无论精度和速度都存在一定的距离。 1 3 2 短距离无线通信技术研究现状 “ 按照通信距离的不同，无线网络大致可以分为w a n 、w l a n 、w p a n 三大类【l0 1 ，他们之间 的搭配组合，搭建了完整的无线网络体系，为不同需求的用户提供了不同的覆盖技术手段。 在当前的远距离移动通信领域上，目前主流技术有g s m 蜂窝通信系统、c d m a 通信系统 及第三代移动通信系统( 缩称3 g ) ，这些手段主要用于跨区域、国家的远距离通信；在当 前的短距离无线通信领域上，目前主流技术有w l a n ( 无线局域网) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术、 红外线技术、u w b 、z i g b e e 、r f i d 等。 w l a n 技术作为3 g 网络的补充，主要用于固定且面积较小的区域，如：写字楼、小区、 酒店、政府等，目前较常见的w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 属于无线局域网( w l a n ) 的一种， 通常是指i e e e 8 0 2 1 1 b 产品，利用a p 点进行短距离覆盖的新型局域网组建技术。主要特 点是上下行速率高、保密性高、建网快速、移动性强、网络结构弹性大、组网方式多、组 网成本低等，因此具有良好的发展前景。 蓝牙技术是一种将信息终端与通信采用无线连接的技术，如手机、笔记本电脑、台式 电脑、打印机等设备，具有低成本高速率、多点连接、功耗小、抗干扰能力强等优点【l 。 红外线技术是一种点对点通信的技术，主要用于p d a 、手机、笔记电脑的短距离通信。 红外线技术具备模块体积小、功耗低、成本较低、简单易用等特点，缺点是通信双端必须 在可视距离范围内，中间不能有其它障碍物的阻挡【l2 1 。 几种短距离的通信技术各有优劣，运用的领域也不尽相同，因此还处于共存。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 本文主要工作分为硬件设计和软件编程两部分。硬件部分主要包括温度数据采集部分 和无线通信部分，温度数据采集部分主要介绍温度传感器的比较和选择，m c u 的选择， 温度传感器与m c u 的硬件连接及采集原理；无线通信部分主要介绍单片射频收发芯片的 选取，射频收发芯片与m c u 的硬件连接，上下行的通信协议，接收部分与上位机通信的 硬件连接等。软件部分主要是给出相应的温度数据采集中的控制流程及无线通信模块收发 的流程。最后对系统进行整个调试及分析，实现相应基本功能的仿真。 论文主要从以下方面对系统进行阐述： 第一章：绪论。本章主要介绍研究本系统的一些背景知识，内容及意义，国内外现状。 第二章：系统概述。本章主要介绍系统的主要构成，并给出系统中参与芯片及模块的 比较和选用。 第三章：温度数据采集系统的设计。本章主要介绍数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 的相关 信息，m c u 及各功能模块的硬件设计及软件实现。 第四章：无线通信系统的设计。本章主要介绍n r f 9 0 5 的性能特点，接口配置等信息， 给出与m c u 及p c 连接电路和收发流程；给出无线通信的通信协议和无线传输可靠性技 术。 第五章：系统调试及分析。本章主要介绍系统的调试方法和系统分析，并对全文进行 总结和展望，提出不足及需改进的部分。 武汉科技大学 硕士学位论文第5 页 第二章系统总体设计 2 1 系统概述 本系统主要由温度数据采集系统和无线传输系统组成。为使设计思路清晰，特地采用 模块化设计思想，可将系统分为四大模块：电源模块、温度数据采集模块、无线通信模块 和上位机显示模块。系统的总体设计框图如图2 1 所示。 p c 机 图2 1 系统总体设计框图 系统可以有多个温度数据采集点，每个数据采集点包括一个小的温度数据采集系统和 一个无线模块。当有多个数据采集点时，采集点与上位机的通信通过无线模块，采用轮询 的方式对各个采集点进行通信。 2 1 1 温度数据采集系统 温度数据采集系统的核心器件是m c u 和前端担任温度信号采集的温度传感器。m c u 在系统中具有非常重要的作用，它读取温度传感器所采集到的信号，在经过简单处理后在 显示部分中将其显示，并将其通过无线模块发送到上位机中；而且通过m c u 控制报警模 块对超过上下限温度时进行报警。温度传感器也是此系统的关键部件，传感器的精度和性 能同样影响着系统的稳定性和可靠性。只有通过温度传感器将温度信号准确有效的采集， 后续操作才有保障。 温度数据采集系统的基本框图如图2 2 所示。 键盘卜_ _ 叫显示部分 温度传感器卜_ 一 m c u - - q 报警电路 电源卜叫无线模块 图2 2 温度数据采集系统的基本框图 主要包括m c u 、温度传感器、电源、键盘、显示部分、报警电路和无线模块。温度 数据采集系统主要的功能是检测采集点的温度，并能够将温度数值在现场和通过传输后在 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 上位机中显示出来，且在温度超过预设的警戒值时进行报警。 在温度采集端设置显示和报警模块是为了方便在现场工作时可以及时了解温度情况： 设置键盘是便于在现场设定温度上下限报警界限值；设置无线模块是将温度传感器采集到 的温度信息传送到上位机，便于在监测房工作时及时了解到现场的温度情况。 2 1 2 无线通信系统 无线通信系统是联系温度数据采集端和上位机的纽带。系统框图如图2 3 所示。 勺【7 温度数 剧； 据采集 系统署 m c u叫m a x 3 2 3 2 k - ,p c 机 图2 3 无线通信系统的基本框图 无线通信系统的核心在于无线模块的建立，要适合于可移动的应用条件，无线模块采 用的无线通信技术是关键。在图中可看出温度数据采集系统将采集到的温度信号打包传送 到无线模块，由无线模块进行信号调制和功率放大等操作后，将数据无线发送到接收端的 无线模块进行解调等操作后，通过m c u 连接的m a x 3 2 3 2 进行电平转换，进而达到与上 位机通信的目的，从而实现了无线传输功能。 2 1 3 本系统设计要求 温度在许多领域都扮演者重要的角色，温度参数往往都影响着工业或农业生产的质量 和产量，故对温度进行准确有效的测量具有重要的意义。本系统应用于对温室、蔬菜大棚 温度参数的测量，要求具备良好的准确性和可靠性，为满足这一要求，在设计中需要满足 一下要求： 1 鉴于温室所测温度范围一般在1 0 - - 一5 0 。c ，精度在0 5 。c 左右即可满足需求。另外 参照系统采用的电源，在选择温度传感器时要满足这些条件。 2 系统中m c u 要有快速处理数据的能力，以便保证能及时将温度数值显示出来；选 用m c u 中将大量外围模块集成在片内的，可以使系统设计外部结构简单，增强系统可靠性， 便于扩展。 3 系统采用电池供电才能保证易于移动和增减采集点，故在选择器件时应考虑到功 耗，尽量选用低功耗器件。 4 系统工作的环境要求无线通信系统具有良好的抗干扰能力，从而确保数据传输的 可靠性和准确性。 5 无线通信良好的传输距离应该保持在5 0 m 以上。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 2 系统相关器件的选型 根据以上系统设计的要求来选择符合要求的器件类型。 2 2 1 温度传感器的选择 温度是一种常见的基础物理量，我们的生产生活无不与之有密切的关系。温度传感器 是丌发较早、应用较广的一类传感器。在半导体技术的支撑下，温度传感器主要有热电偶、 热电阻、热敏电阻和集成温度传感器四种类型。 热电偶温度传感器是利用不同材质结合的导体连接点的热电势来确定温度的。在工程 应用上较广，构造简单，使用方便，测量温度范围宽。热电偶的灵敏度较低，容易受到外 界环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，故不适合测量很微小的温度变化【l 3 1 。 热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感 器的测量精度高，有较大的测量范围，可测量- 2 0 0 5 0 0 的温度，易于使用在自动测量 和远距离测量中i l4 。 热敏电阻温度传感器是利用半导体的电阻值随温度变化的热敏元件进行测温的。具有 温度系数大，灵敏度高，结构简单，电阻率高，热惯性小的优剧”】。 集成温度传感器是利用晶体管p n 结的电流电压特性与温度的关系，把感温p n 结及有 关电子线路和集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温 度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低的优点，由于p n 结受耐热性能和特性范。 围的限制，只能用来测1 5 0 以下的温度。集成温度传感器又分为模拟和数字输出两种类型， 广泛应用于工业、农业等场厶【1 6 】。 温度传感器的多样性，能够满足不同系统及场合的需求。本文主要研究针对温室、蔬 菜大棚的温度数据采集，需要的测量范围为一1 0 5 0 ，精度在0 1 1 即可。根据以上 考虑结合设计简单，成本低等综合考虑，选取数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 进行温度数据的 采集，能够满足系统的要求。 2 2 2 m c u 的选择 m c u 作为一个系统的核心器件，它的选择影响着这个系统的优劣和功能的实现。目前 工控领域中常使用的微控制器有【1 7 】：应用最广泛的5 1 系列8 位单片机、针对大量计算的 数字信号处理器d s p 、一些增强型的1 6 位单片机和3 2 位的a r m 芯片。从八十年代初5 l 系 列单片机就丌始流行了，在技术开发方面已经很成熟了，只是功能实现方面相对简单；d s p 功能侧重于有大量信号需要处理的场合，但价格偏高，开发难度较大；a r m 芯片和d s p 有 某些相似之处，在小型系统中增强型的1 6 为单片机已经能够满足需求。 针对各种不同应用场合，各大公司都推出了增强型单片机，如a v r 系列、p h i l i p s 的 p c f 8 0 c 5 1 系列等，这些增强型单片机大多处理速度都比较快、嵌入了多种实用的功能模块 及接口、内部包含有大容量的存储器【1 8 】。t i 公司m s p 4 3 0 系列单片机就属于这样一种1 6 l 一 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 位的增强型单片机【吲，其在性价比方面就具有一定的优势，具有r i s c 指令集，功能丰富， 主要用于低功耗应用。针对上述系统设计要求，m s p 4 3 0 系列单片机能够满足系统设计。本 文选用m s p 4 3 0 f 4 4 9 。 2 2 3 无线方式及射频芯片的选择 无线通信技术的范围很广，在一般意义上说，只要通信收发双方通过无线电波传输信 息，都可成为无线通信。一般使用数字信号单片射频收发芯片加上微控制器和少量外围器 件构成专用或通用的无线通信模块。通信模块一般包含简单的数据传输协议或使用简单的 加密协议，只需根据命令字进行操作即可实现无线数据传输功能。 短距离无线通信技术全部工作在i s m ( 即工业、科学和医用) 频段上，这些频段不需 要许可证，只需遵守一定的发射功率( 一般低于l w ) ，不对其它频段造成干扰即可【2 们。常 见的短距离无线通信技术工作于以下几个频段：2 7 m h z 频段、2 4 g h z 频段和3 1 5 m h z 、4 3 3 m h z 和8 6 8 m h z ( 9 0 2 9 2 8 m h z ) 等频段。 2 7 m h z 频段常用于遥控领域，如汽车遥控门锁，玩具、航模遥控和无线键盘、鼠标等。 2 7 m h z 频段的无线芯片大都是单方向进行的，单发或者单收【2 。 2 4 g h z 频段，使用此频段的技术也很多，如u w b 无载波通信技术、z i g b e e 技术、 w i r e l e s su s b 技术、蓝牙、w i - f i 技术等技术都在不断成熟，在未来工控和家用领域将扮 演更重要的角色。 3 1 5 m h z 等频段主要用于数据的收发，目前已广泛用于无线数据采集和无线监控系统 中。其频段较低，穿透障碍的能力相对较强，通信距离相对较远。 无线通信可免除在环境复杂或偏远地区布线的麻烦，而在功能实现及性能方面也可与 之相媲美，有广阔的应用前景。目前国内外有很多不同类型的射频芯片，在系统设计中正 确选择射频芯片也是很重要的，能够减小设计开发难度，加快开发周期，节约成本。 射频收发芯片的选择可以参考一下几个方面【2 2 】：( 1 ) 射频收发芯片的功耗；( 2 ) 射频 收发芯片的外围元器件；( 3 ) 射频收发芯片的发射功率；( 4 ) 射频收发芯片的工作电压和 封装；( 5 ) 芯片抗干扰能力等。 下面对几种常见的射频收发芯片列表，将其芯片的性能特点罗列作一些比较，从而选 出较适合本系统的射频收发芯片。详见表2 1 。 表2 1 几种常见射频收发芯片比较 芯片类型 n r f 4 0 1 n o r d i c n r f 9 0 5 n o r d i ct r f 6 9 0 0 t i r f 2 915 r f m d 1 ：作频段 4 3 3 m h z 4 3 3 8 6 8 91 5 m h z8 6 8 91 5 m t l z4 3 3 8 6 8 915 m t t z j ：作电压 2 7 5 v1 9 3 6 v2 2 3 6 v2 4 5 v 调制方式 f s kg f s kf s kf s k 发射电流 8 1 8 m h1l m a5 0 m a2 7 m h 接收电流l o m a1 2 5 m a3 4 m a 6 8 m a 所需外部元器件约1 0 个约l o 个 约5 0 个约5 0 个 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 由表所列性能特点相比较可以看出，在工作发送接收电流方面，n o r d i c 公司的n r f 4 0 1 和n r f 9 0 5 所产生的电流要远小于其它两个芯片；在所需外围元器件n o r d i c 公司的芯片集 成度明显比其它两个高，所需元件少。综合其它本系统所需要求，本文选用挪威公司的单 片射频收发芯片n r f 9 0 5 ，该芯片工作在4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 的i s m 频段上，可满足低功耗、 开发周期短的要求且集成模块小便于嵌入其他设备中使用。 2 3 本章小结 本章主要介绍了系统设计的总体方案，并对方案中两大系统作了简要的概述，同时提 出了系统设计的要求及应该注意的问题，在最后针对系统要求，给出系统中相关器件的选 型。 l 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章温度数据采集系统设计 温度数据采集系统主要有温度传感器、m c u 、电源、显示部分、报警电路和无线模块 组成的。温度数据采集的实现主要是由温度传感器及m c u 完成的，传感器是获得温度信息 的有效途径，是对原始信号测量，控制的关键器件，只有通过传感器获得有效准确的原始 信号，才能保证后续工作的可靠性和稳定性。本文所采用的温度传感器是数字式温度传感 器d s l 8 8 2 0 ，能够将测量到得温度信号转换成数字量输出，精确度高；不需要经过a d 转换、 采样、量化、编码等过程，使得设计简便。m c u 采用低功耗单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，通过m c u 对信号进行处理、存储和控制，然后经由无线通信模块进行收发与上位机进行通信。下面 将对温度数据采集系统进行详细的论述。 3 1 数字温度传感器d s l 8 8 2 0 3 1 1d s l 8 8 2 0 的性能特点 d s l 8 8 2 0 是由d a l l a s 半导体公司生产的单线型智能数字温度传感器，是新一代适配微 处理器的智能温度传感器，广泛应用于工业、农业等领域，具有体积小、接口方便和传输 距离远的特点，在一根通信线上可以挂很多个d s l 8 8 2 0 ，很方便【2 3 】。具有以下特点： ( 1 ) 具有独特的1 - w i r e 接口，只需要一个端口引脚就可以进行通信； ( 2 ) 具备多节点能力，能够简化分布式温度检测应用中的设计； ( 3 ) 不需要外部元件； ( 4 ) 可以直接从数据线供电，电源电压范围在3 5 5 v ； ( 5 ) 在待机状态下可以不消耗电源电量； ( 6 ) 测量温度范围在一5 5 + 1 2 5 ； ( 7 ) 在一1 0 + 8 5 时测量精度在o 5 ； ( 8 ) 可以用程序设定9 1 2 位分辨率； ( 9 ) 用户可根据需要定义温度的上下限报警设置。 d s i s b 2 0 3 脚封装的管脚排列图如图3 1 所示。 q q 否吝拿 g n d g r o u n d d q- d a t ai n o u t v d d p o w e rs u p p l yv o l t a g e 图3 1d s l 8 8 2 0 管脚排列图 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 d s l 8 8 2 0 只有三个引脚。其中，引脚l 和3 分别是g n d 和v d d ，引脚2 是d q 端，是用 于数据