基于nRF905的無線溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)溫室信息有線采集系統(tǒng)移動性差和難以安裝維護的特點，介紹了利用LM35溫度傳感器，STC公司新一代單片機12LE5630AD和Nordic公司nRF905射頻收發(fā)器芯片組成的一種多點溫度采集系統(tǒng)的設計方案。詳細闡述了系統(tǒng)組成結構、工作原理、硬件電路和軟件設計。實現(xiàn)了多點溫度實時監(jiān)測。系統(tǒng)硬件構成簡練，體積小，功耗低，有較廣的應用空間。
關鍵詞：單片機；nRFg05；溫度采集

環(huán)境溫度參數(shù)監(jiān)測是環(huán)境研究和火災安全防備的重要手段，傳統(tǒng)的有線定點采集、人工上報，這種方法正逐漸被新的技術所代替。目前常用的技術是基于無線模塊的環(huán)境監(jiān)測方式，但是在一些用途精度要求不是很高的場所，如單位或家庭火災安全監(jiān)測，這樣的產(chǎn)品價格過于昂貴，協(xié)議比較復雜，缺少靈活度。針對這一情況，本文利用STC12LE5630AD單片機和nRF905設計了一個無線溫度采集系統(tǒng)。一般傳統(tǒng)的溫度傳感器的輸出信號均為模擬信號，需經(jīng)過放大電路和A／D轉(zhuǎn)換后才能與單片機連接，系統(tǒng)結構比較復雜。筆者因此采用帶有A／D轉(zhuǎn)換功能的單片機STC12LE5630AD簡化了系統(tǒng)外圍電路。nRF905是Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，可以自動完成處理字頭和CRC，配置簡單方便，功耗低。本文的系統(tǒng)不僅克服了溫度采集系統(tǒng)在使用空間上的局限性，而且大大簡化了系統(tǒng)硬件電路。本文設計的無線節(jié)點溫度采集系統(tǒng)能夠用于實際多點溫度采集，結果也表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，可以應用于室內(nèi)和室外的溫度監(jiān)測。

1 系統(tǒng)介紹
多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)由測量裝置、無線傳輸終端、上位機控制中心組成。如圖1為系統(tǒng)結構框圖。下位機(監(jiān)測器)利用溫度傳感器將相應溫度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，直接由單片機進行A／D轉(zhuǎn)換，再將自己的地址值即轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值打包送至無線模塊(nRF905)。上位機無線模塊將下位機發(fā)送來的地址值即采集值送至單片機，在由串口通信方式送至PC。由PC進行相應的判斷、采集值數(shù)據(jù)的修正最后顯示數(shù)據(jù)并畫圖。因此系統(tǒng)設計包括了硬件和軟件設計。

2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件主要包含：由LM35芯片構成的溫度采集電路、nRF905芯片構成的無線節(jié)點模塊與PC與單片機的串口通信系統(tǒng)。
2．1 溫度采集電路及無線模塊設計
溫度傳感器采用由National Semiconductol所生產(chǎn)的LM35，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，轉(zhuǎn)換公式如式(1)，0時輸出0 V，每升高1°，輸出電壓增加10 mV。在常溫下，LM35不需要額外的校準處理即可達到±1／4℃準確率。本文采用單電源模式，其在25°下靜默電流約50μA。
Vout_LM35(T)=10 mV／℃xT℃ (1)
通信模塊為nRF905，該芯片工作在433／868／915 MHz的ISM頻段。由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。數(shù)據(jù)傳輸速率可達100 kb／s，支持點對點傳輸模式和廣播傳輸模式。nRF905工作電壓1．9～3．6 V。功耗很低，該芯片處于接受模式時工作電流為12．5 mA，但在掉電模式下工作電流僅為25μA。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術，該技術使得nRF905在沒有高速MCU下，也能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
STC12CE5620AD系列單片機工作電壓為3．6～2．2 V，每個I／O驅(qū)動能力可達到20 mA，是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速／低功耗／超強抗干擾的新一代8051單片機，代碼與傳統(tǒng)8051兼容但速度快8～12倍，內(nèi)部集成8路高速10位的A／D轉(zhuǎn)換。無線模塊具體接線原理圖如圖2所示。系統(tǒng)設計的電源電路可以利用電網(wǎng)供電，也可以使用電池。

2．2 串口通信硬件系統(tǒng)設計
基于PC機與單片機的串口通信系統(tǒng)電路如圖3所示，主要包括單片機、串口通信電路、ISP程序下載接口電路和系統(tǒng)復位電路。本電路基于RS-232接口標準，使用DB-9連接器。由于單片機輸出的TTL電平與PC機的RS-232串口電平的電氣特性不匹配。為了使單片機能與PC機正常通信，采用美信公司的MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口芯片，功能比較強大。MAX232芯片與計算機連接的端口中有3個驅(qū)動端和5個接收端，因此可以同時進行多路通信。另外MAX232芯片的傳輸速率最高可以達235 kb／s。在所設計的串口通信電路系統(tǒng)中，單片機的數(shù)據(jù)通過RXD、TXD與MAX3232相連，經(jīng)MAX3232完成電平轉(zhuǎn)換后成為RXD1、TXD1信號，再通過串口線與主機相連。

3 軟件系統(tǒng)設計
軟件主要包括：由微軟公司推出可視化，面向?qū)ο蟮慕Y構化程序設計語言Visual Basic構成的上位機應用軟件與C語言編寫的下位機控制程序設計。