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基于DS18B20和nRF2401的库区测温网络无线传输系统

发布时间:2020-07-21 18:16:43 阅读: 来源:流程泵厂家

摘要:为解决库区温度测量布线难度大、材料成本高、维护检修难的问题,论文提出了一种用单片机作为控制核心,用DS18B20搭建多点测温网络,nRF2401作为传输器件的库区温度数据无线传输系统。经实际测试,该系统测量准确度高、传输距离远、性能可靠,具有较好的应用前景。

本文引用地址:引言

库区温度直接关系到库存物资的安全与性能,目前库区温度数据的传输大多采用有线方式,存在布线难度大、材料成本高、维护检修不便等不足[1-2],并且数据线缆还易受雨雪、潮湿、鼠害等破坏。为克服此类弊端,本文采用nRF2401无线传输模块,结合1-Wire器件DS18B20,设计开发一款库区温度数据无线传输系统。

1 总体方案

系统分为上位机与下位机两大部分,二者之间的通信通过nRF2401实现,如图1所示。上位机主要包括PC机和上位单片机,其功能是负责接收下位机传送的温度数据和应用程序的运行,这一部分技术较为成熟,可借鉴的资料较多,不作为本文的重点;下位机采用51系列单片机AT89S51作为控制器,主要负责温度数据的采集、处理和传输,图1仅画出两组温度传感器和继电器,实际连接10组。本文将着重介绍其硬件电路和软件设计。

2 电路设计

下位机电路设计的重点是测温网络和无线传输模块的搭建,为实现多点测温,选用Dallas公司出品的DS18B20,构建一个1-Wire总线的测温网络。DS18B20是1-Wire总线的数字温度传感器,可直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理,适用于恶劣环境的现场温度测量[3-4];无线传输模块选用新型单片射频收发器件nRF2401,该器件工作于2.4 GHz~2.5 GHz ISM频段,输出功率和通信频道可通过编程进行配置[5],同时,nRF2401功耗低,在以-6dBm的功率发射时,工作电流仅9mA,接收信号时,工作电流也仅12.3 mA,特别适合单片机应用场合[6-8]。

图2是市售nRF2401无线模块,设计上位机、下位机电路时,只需留出相应接口即可。

图3是设计的电路原理图,单片机P12口连接10个测温器件(图中仅画出3个),从而构建一个小型1-Wire总线测温网络,可实现10个库区的温度测量;单片机其他口线连接有10个继电器(图中画出2个),用来控制10个库区散热风扇的运转;无线模块nRF2401通过接口端子与单片机连接,此处注意nRF2401工作电压是3.3V,需增加电压转换芯片,为节省篇幅图中并未画出。

上位机接收部分的电路主要由上位单片机、无线模块接口和电平转换部分组成,这是由于nRF2401输出数据格式是TTL电平,而PC机串口是MAX232电平,为此需要增加一个电平转换电路进行匹配。

3 软件编程

下位机编程重点在于温度数据的采集与传送,也就是DS18B20和nRF2401的软件设计。

3.1 1-wire 总线的基本原理和操作

软件设计之前,首先要了解1-wire 总线的原理。1-wire总线的特点是用一条数据线同时传输时钟信号和数据,总线上每一个器件都有一个唯一的地址,包括48位的序列号、8位的家族码和8位的CRC码,主机对各器件的寻址依据这64位的ID码来进行。

为保证在一条数据线上实现双向通信,对DS18B20的操作必须遵循严格的读写时序[9]。以下介绍基于1-wire总线的几种典型操作,其余的1-wire总线命令都是由这些典型操作而来。

3.1.1 复位子函数

在复位与应答时序中,主机发出复位信号,要求1-wire器件在规定的时间内送回应答信号。

首先主机将总线拉低480μs,发出复位脉冲,然后产生一个上升沿的跳变,并延时60μs等待1-wire器件的应答;1-wire器件将总线拉低240μs,发出应答,主机收到应答后,再对DS18B20进行ROM命令。

3.1.2 读写操作

所有的读写时序至少需要60μs,在位读和位写时序中,主机要在规定的时间内读回或写出数据。

写时序时,主机在拉低总线15μs之内释放总线,并向1-wire器件写1;读时序时,主机发出读数据命令,产生读时序,1-wire器件随即向主机传输数据。

3.2 DS18B20的温度转换

DS18B20网络温度测量的步骤一般是:器件初始化、复位、ROM操作、温度转换。初始化及复位完成后,要对网络中的器件进行ROM识别,然后再读取温度数据。

3.2.1 利用二叉树遍历算法进行器件识别

二叉树遍历算法是搜索识别网络中1-Wire器件的编程首选,二叉树遍历算法的要点可归纳为“读2位,写1位” [4]。

首先主机向从机发出搜索命令,等待从机向主机发回当前位之后,再读从机发回当前位的反码,这两个位数据的编码存在4种可能:00、01、10和11。

00表示从机在当前位上有位分叉,即0和1两个分支;

01表示从机的当前位均为0;

10表示从机的当前位均为1;

11表示总线上无器件响应。

显然,出现11时搜索应退出。

对于前3种情况,根据搜索策略,主机向从机写1位数据,决定继续搜索哪一分支。第2和第3种情况下,搜索仅有一个方向,如果是第1种情况即出现00时,需要选择下一步搜索路径,方法是比较搜索位所在位置和最后一次发生位差异的所在位置,若二者相等,搜索1分支,若前者>后者,搜索0分支,若前者<后者,则采用上一次的搜索路径。

在此需要注意两点:一是网络上DS18B20发回的位数据呈“线与”关系[10];二是DS18B20中64位ID码标记为第1—64位,而不是0—63位,空出来的0用来表示差异位位置记录的初始状态。

3.2.2 温度数据的读取

转换完成后的温度数据由低8位和高8位组成,且低8位在前,需将其转换为1个16位的数,高5位代表符号,低11位是温度值。11位的温度值中高7位是温度整数,低4位是温度小数,如果是负温度,则从温度寄存器读出的是补码,应将补码取反加1得到原码。

需要注意,单片机发出读取温度寄存器命令后,DS18B20会返回9组数据,其中第一组数据的低4位代表温度的小数值,因此温度小数部分的精度为1/16=0.0625。另外程序中应增加延时函数,确保温度转换完成。

3.3 nRF2401程序设计要点

温度转换完成后,由nRF2401将数据发送给上位机,并接收上位机发出的指令,实现双向通信。

3.3.1 初始化配置与数据收发

nRF2401初始化配置包括设置待机模式、CRC校验、收发完成后中断响应、选择射频通道、设置数据传输率和发射功率。

nRF2401的CE管脚为0时处于待机模式,为1时处于收发模式,收发模式有ShockBurst模式和直接模式两种,本文选择速度较快、功耗较低的ShockBurst模式。

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