IoT无线温度采集系统设计

Posted 2023-03-05 产品人卫朋

随着工业和农业的发展，无线采集系统的应用范围变得更加广泛，对无线数据采集系统的测量参数也越来越多，精准度也越来越高。目前国内外有很多的无线温度采集系统，但很多的无线温度采集系统存在很多问题，如采集速度和稳定性不够高，不能适应复杂的环境，采集精准度不够高等等。因此，需要性能更高的无线数据采集系统来满足工农业的需求。

本设计是基于单片机的无线温度采集系统，由数据采集发送模块和数据接收模块两个模块组成。数据采集发送模块由DS18B20数字温度传感器、LCD1602液晶显示屏、单片机、NRF905数据发送模块组成；数据接收模块由单片机、LCD1602液晶显示屏、NRF905数据接收模块组成。DS18B20数字温度传感器把信号直接传给的单片机，单片机把数据进行电平转换，然后通过NRF905数据发送模块把数据发送出去，同时将数据显示到LCD1602液晶显示屏。NRF905数据接收模块接收到数据将数据显示在LCD1602液晶显示屏。

本设计最终成功实现了温度采集和数据的无线传输，具有传送距离远、测量准确、应用广泛等特点。

系统整体设计

本文主要设计的是基于单片机的无线温度采集系统，该系统由发送端和接收端两个部分组成。发送端由DS18B20数字温度传感器、LCD1602液晶显示屏、单片机、NRF905数据发送模块组成。接收端由单片机、LCD1602液晶显示屏、NRF905数据接收模块组成。

系统工作原理

本系统温度传感器采用DS18B20，显示部分采用LCD1602，无线通信部分采用NRF905模块。DS18B20主要完成温度采集，把周围的温度模拟信号通过1-wire总线直接传给单片机，单片机把数据进行电平转换，然后通过NRF905数据发送模块把数据发送出去，同时将数据显示到LCD1602液晶显示屏。NRF905数据接收模块接收到数据将数据显示在LCD1602液晶显示屏上。该系统可实现对温度实时多点检测，还实现了远程无线通信，可以对DS18B20覆盖的区域进行实时监控。

 硬件设计

核心控制器件--STC89C52

STC89C52是一款高性能的8位微控制器。具有8K字节可编程Flash存储器，512字节数据存储空间，内带4K字节EEPROM，而且可以直接使用串口下载。

STC89C52单片机封装采用的是双列直插封装（DIP40）。

单片机的最小系统：

单片机的最小系统主要由单片机、电源、晶振电路、复位电路组成。

本系统单片机采用是STC89C52RC。单片机电源采用标准+5V电源。EA接高电平，选用片内ROM作为程序存储器。

晶振电路为单片机定时计数器等提供时钟信号，本设计采用内部时钟方式，在XTAL1和XTAL2外接12MHz晶振和陶瓷电容。因为单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接12MHz晶振后，就会构成自激振荡器，并产生时钟脉冲，时钟脉冲可以为单片机定时计数器提供时钟信号。

复位电路采用外部复位。当按键按下时，RST脚接高电平，完成系统复位。

注意晶振电路尽可能的与单片机靠近，路线尽量短。

电源电路

本设计是基于单片机的无线温度采集系统，单片机和LCD1602采用标准+5V直流电源供电。NRF905通信模块采用3.3V直流电源供电。采用电压转换得到3.3V直流电源。本设计采用AMS1117-3.3稳压芯片把5V转换成3.3V。

电压转换电路：

数字温度传感器DS18B20

温度传感器采用DS18B20的引脚排列：

温度传感器利用独有的单总线协议，只需要一个单线端口通讯，通过这根口线从DS18B20读出或者写入信息。板载上拉电阻与单片机直接相连。每个器件有唯一的64位序列号存储在内部只读存储器中。高速暂存器为8字节的存储器，头两个字节包含温度传感器输出的温度信息，第3、4字节为TH（报警温度上限）、TL（报警温度下限），第5字节为配置寄存器，用于确定温度值的数字转换分辨率，第6、7、8字节保留未用。其中，第3,4,5字节可存储到EEPROM中。DS18B20的精度采用增量递增的形式，其精度为可编程9,10,11,12位，分别为0.5℃,0.25℃,0.125℃,0.0625℃。在上电时默认精度为12位。本设计采用默认精度，即12位。

温度传感器测量范围为-55℃~+125℃，而且测量范围在-10℃~+85℃内精度高达±0.5℃。DS18B20可以直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。除此之外，因为每个DS18B20有自己特有的位序列号，所以可允许多只DS18B20同时连在一根单总线上，因此可用一个微型控制器控制很多覆盖在一大片区域的DS18B20。这一特性可以应用到环境监测、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程检测和控制等等。

无线传输

NRF905的基本介绍

本设计的无线通信选用的是NRF905，由挪威Nordic VLSI公司制造。本设计采用标准3.3V电源,3.3V电源由ASM1117-3.3芯片电平转换而来，采用QFN封装，NRF905有32个引脚，选择工作于433MHz（工业）频道，不需要在频道之间转换，节省了频段之间的转换时间。由于数据传输过程中可能会受到干扰，使得收发数据不一致，因此一般发送端都需要对数据进行编码，编码后才能发送，同样接收端需要对数据译码，纠错。由于NRF905片内集成了曼彻斯特编码和译码，因此，不需要用户对收发数据进行任何编码和译码，使用非常可靠、方便。除此之外，NRF905采用ShockBurstTM发送和ShockBurstTM接收模式，特点是自动产生前导码和CRC（循环冗余码校验）。NRF905与微控制器之间通过SPI接口通信，SPI接口的配置非常简便。而且，NRF905是一款低功耗产品，以-10dBm的输出功率发射时电流为11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，并且还有空闲模式与关机模式，这样更节能。

NRF905的应用非常广泛，可用于无线遥控、遥感勘测、无线报警及安全系统、无线数据通讯、无线开锁、家庭自动化、玩具等。

NRF905进行数据收发时主要依靠SPI接口和微控制器，通过射频收发模式进行无线数据传送，非常可靠、方便。

NRF905工作模式和节能模式

NRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种节能模式分别为为空闲模式和关机模式。两种工作模式分别为为ShockBurstTM发送模式和ShockBurstTM接收模式。其工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定：

ShockBurstTM模式

NRF905可以处理与射频数据包有关的高速信号。NRF905通过SPI接口与微控制器通信，微控制器可以通过配置的SPI接口来决定数据在微控制器中低速处理，在NRF905中高速发送。在ShockBurstTM发送模式下，NRF905有自动产生字头和CRC校验码的功能。当发送完成后，置高数据准备好（DR）引脚，这样微控制器就可以检测到发送完成。在ShockBurstTM接收模式下，当NRF905接收到一个包含正确地址和数据的数据包后，置低地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两个引脚，这样微控制器就可以检测到接收完成。这样可以降低微控制器的存储需求，降低成本，而且还可缩短软件开发的时间。

LCD1602

 LCD1602简介

LCD1602的功能是能够显示字母、数字、符号等，是一种点阵式LCD。LCD1602可以显示16*2，即32个字符，工作电压4.5-5V，工作电流2.0mA（5.0V），本设计采用标准+5V直流电源。LCD1602是一种5*7点阵，可以通过指令设置带光标显示的字符显示。如图3-7所示是LCD1602液晶显示屏实物。

 软件

NRF905发送步骤

1. 当有数据需要发送时，通过通信应用协议和器件配置来确定SPI接口速率。微控制器件通过SPI接口按时序把TX_address和要发送的数据传给NRF905；
2. 开启NRF905的ShockBurstTM发送模式：设置TRX_CE=1，TX_EN=1；
3. NRF905的ShockBurstTM发送：自动开启射频寄存器、打包数据包（带字头和CRC校验码）、发送数据包、当数据发送完成后，设置数据准备好引脚=1；
4. 设置AUTO_RETRAN=1，NRF905连续发送数据包，直到设置TRX_CE=0；
5. 当设置TRX_CE=0后，NRF905数据发送完成，自动进入空闲模式。

注意：当进入ShockBurstTM工作模式，若开始发送数据，不管TRX_EN=1、TX_EN=1、TRX_EN=0、TX_EN=0，发送过程都会被逐一处理完。只有当前一个数据包发送完毕后，NRF905才可以接收下一个数据包。

NRF905接收步骤

1. 进入NRF905的ShockBurstTM接收模式：设置TRX_CE=1，TX_EN=0；
2. 等待650us，NRF905不断监测信息，等待接收数据；
3. 当同一接收频段的载波被NRF905检测到后，设置载波检测引脚=1；
4. 当一个相匹配的有效地址被接收后，设置地址匹配引脚=1；
5. 当一个正确的数据包被成功接收完后，字头、地址、CRC校验位被NRF905自动移除，接着设置数据准备引脚=1；
6. 设置TRX_CE=0，NRF905进入空闲低电流模式；
7. 微控制器通过SPI接口，以合适的速率读出有效数据，并移动到微控制器内；
8. 接收完所有数据后，NRF905设置数据准备好引脚和地址匹配=0；
9. NRF905能进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式、关机模式。

注意：当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，NRF905的工作模式将发生改变，数据包丢失。当地址匹配脚的信号被微处理器接收到后，可以判断出NRF905正在接收数据包，可让NRF905继续接收该数据包还是进入下一个工作模式。 

 

 温度采集：