王友山 李 操

吉視傳媒股份有限公司長春分公司

基于無線通信技術(shù)的汽車多點(diǎn)溫控系統(tǒng)

王友山 李 操

吉視傳媒股份有限公司長春分公司

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，在越來越多的領(lǐng)域，無線模式正在逐步替代有線模式，無線技術(shù)與溫度傳感器的結(jié)合，也成了溫度檢測系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢，它能夠有效解決由有線模式帶來的諸多不變，適應(yīng)更多溫度測量的場合。本文主要研究汽車內(nèi)部多點(diǎn)溫度的檢測系統(tǒng)，闡述了無線多點(diǎn)溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，無線部分采用NRF905無線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸，溫度檢測后的數(shù)據(jù)由無線發(fā)射模塊傳給顯示終端，由終端分辨出是由哪個(gè)點(diǎn)傳來的溫度數(shù)據(jù),使用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、比較傳統(tǒng)意義上的傳輸顯得更加實(shí)用、高效、快捷。

無線通信技術(shù)；溫度傳感器；單片機(jī)

1 課題研究的意義和目的

近年來，隨著無線通信、微電子、傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)向著系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的方向迅速發(fā)展。多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)也已步出了傳統(tǒng)的工作模式。傳統(tǒng)的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)利用大量有線架設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，雖然這種方式技術(shù)成熟，制作成本相對較低，但需要用導(dǎo)線與每個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)連接，不利于進(jìn)行現(xiàn)場配置且同時(shí)也為以后的維護(hù)造成問題。

無線技術(shù)與有線技術(shù)相比，具有攜帶方便、不必穿墻鉆孔布線、搭建網(wǎng)絡(luò)簡單快捷等優(yōu)點(diǎn)。特別是在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制不便架設(shè)線路的情況下，使用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸顯得更加實(shí)用、高效、快捷。

2 主要研究內(nèi)容

本文主要研究無線多點(diǎn)溫度監(jiān)測傳感系統(tǒng)，是短距離無線通信技術(shù)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。在溫度傳感測量方面，其首要的任務(wù)就是精確的溫度測量，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，并通過軟件對溫度測量進(jìn)行非線性補(bǔ)償，進(jìn)一步提高溫度測量的準(zhǔn)確度。同時(shí)，本系統(tǒng)還是無線通信系統(tǒng)，需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院涂煽啃赃M(jìn)行研究，通過硬件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)無線傳輸。在此基礎(chǔ)上，通過軟件設(shè)計(jì)，定義了簡單的無線傳輸協(xié)議以及多工作模式的功能，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

在調(diào)研了現(xiàn)有的溫度傳系統(tǒng)之后，本文提出的無線多點(diǎn)溫度傳感系統(tǒng)在溫度測量準(zhǔn)確性和無線傳輸方面的都有所改進(jìn)。結(jié)合溫度傳感器和2.45GHz 的無線收發(fā)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)高精度、多工作模式的無線多點(diǎn)溫度傳感系統(tǒng)。本系統(tǒng)的特點(diǎn)：

(1)高精度的溫度傳感器，溫度測量準(zhǔn)確；

(2)系統(tǒng)采用無線方式擺脫傳統(tǒng)連線的模式，安裝更方便；

(3)溫度采集節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要隨時(shí)增加或者減少，無需重新布置；

(4)可以選擇兩種模式，實(shí)時(shí)模式和輪詢模式，以適用不同場合需要；

(5)頻率高，傳輸速度快，不易受到外界干擾。

3 溫度檢測及無線通信系統(tǒng)構(gòu)成

由于系統(tǒng)要對汽車內(nèi)部多點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，因此采用單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場長期監(jiān)控是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案，其硬件連接非常簡單，可用單片機(jī)并口Pl、P2、P3中的任一位端口與單總線連接來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，

本系統(tǒng)以單片機(jī)、無線通信模塊為主，組成一個(gè)集溫度的采集、處理、顯示、自動(dòng)控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖1～1所示。系統(tǒng)硬件電路由溫度傳感器、單片機(jī)、發(fā)射模塊、接收模塊、顯示部分組成。

圖1 溫度測控系統(tǒng)硬件電路原理框圖

整個(gè)系統(tǒng)溫度監(jiān)測部分采用溫度傳感器DS18B20，單片機(jī)用AT89C51,無線通信使用NRF905。

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件（屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式）。使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。同時(shí)其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃～125℃，在-10℃～ +85℃范圍內(nèi)，精度為土0.5℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如:環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較Dsl820都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果。

DS18B20的性能特點(diǎn)

(1)采用DALLAS公司獨(dú)特的單線接口方式:DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

(2)在使用中不需要任何外圍元件。

(3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍:+3.0～+5.5V。

(4)測溫范圍:-55～ +l25 ℃。固有測溫分辨率為0.5℃。當(dāng)在-10℃～ +85℃范圍內(nèi)，可確保測量誤差不超過0.5℃，在-55℃～ +125℃范圍內(nèi)，測量誤差也不超過2℃。

(5)通過編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

(6)用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。

(7)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。

(8)負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能保護(hù)DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。但此時(shí)芯片無法正常工作。

(9)DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn)行9位的溫度轉(zhuǎn)換僅需93.75ms。

(10)適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。

NRF905單片無線收發(fā)器是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9V～3.6V，32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM頻道（可以免費(fèi)使用）。NRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，在接收模式時(shí)電流為12.5mA。NRF905單片無線收發(fā)器工作由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。

NRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。NRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定。射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號處理都在NRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在NRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長時(shí)間的空閑，這很有利于節(jié)能。由于NRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在ShockBurstTM接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式，NRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，NRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源，同時(shí)也減小了編寫程序的時(shí)間。

4 小結(jié)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越重視溫度因素，許多產(chǎn)品對溫度范圍要求嚴(yán)格，而目前市場上普遍存在的溫度檢測儀器大都是單點(diǎn)測量，同時(shí)還有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度不夠的缺點(diǎn)，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時(shí)做出決定。因此，一種能夠同時(shí)測量多點(diǎn)，并且實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。本課題就是在這樣的形式下，提出一種基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)用于汽車內(nèi)溫度的控制，以提高汽車駕駛的安全性。

本系統(tǒng)由DS18B20溫度傳感器檢測到被測點(diǎn)溫度，并通過單片機(jī)系統(tǒng)對采集到的溫度進(jìn)行傳輸前的編碼工作，將經(jīng)過編碼后的溫度數(shù)據(jù)送至NRF905發(fā)射端并發(fā)射出去；在接收端，接收到數(shù)據(jù)后同樣通過單片機(jī)系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到被測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并送至顯示器顯示。整個(gè)系統(tǒng)能夠快速檢測到被測點(diǎn)的溫度，被通過與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行對比，可以在顯示設(shè)備上輕易看出車內(nèi)的各部位的溫度是否超出范圍。

[1]趙文博等.新型常用集成電路速查手冊[M].北京:人民郵電出版社，2006.1：317～319

[2]劉法治.常用電子元器件及典型芯片應(yīng)用技術(shù)[M].第一版.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.12

[3]康華光.鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ).[M]第五版.北京：高等教育出版社，2006.1.143～144

[4]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].第五版.北京:高等教育出版社,2006.128～30

[5]陳小忠.黃寧.趙小俠.單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序[M].高等教育出版社，1999.6

[6]孫育才.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M].南京工學(xué)院出社,1997

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.046