基于nrf24l01的無線溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于nrf24l01的無線溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計

0無線數(shù)據(jù)傳遞方式在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是一個非常重要的指標。為了保證安全生產(chǎn),需要對溫度進行采集與測量,并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制輸出。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式是通過敷設(shè)有線的通信線路來傳遞數(shù)據(jù)信息(常見的有RS485總線結(jié)構(gòu)等),這種方式不僅施工麻煩、費用高,而且出現(xiàn)故障時不易排查,越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的需求。而無線數(shù)據(jù)傳輸方式具有不用布線、實時性高、容易重新部署等優(yōu)點,非常適用于現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。因此,本文討論了一種使用無線通信方法進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟炔杉刂葡到y(tǒng)設(shè)計方案,該方案不僅簡化了系統(tǒng)施工的難度和復雜度,還可以降低成本,方便系統(tǒng)的維護。1射頻、單片、核心處理單元構(gòu)成該無線溫度采集控制系統(tǒng)由手持端和采集控制端2個部分構(gòu)成。手持端由觸摸按鍵、段式液晶屏、射頻模塊、核心處理單元構(gòu)成,用來進行人機交互和系統(tǒng)設(shè)置。采集控制端由射頻模塊、時鐘芯片、溫度采集、溫度控制、核心處理單元組成,用來采集溫度并響應(yīng)手持端的各項設(shè)置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)的執(zhí)行時間核心處理單元選用Atmel公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位AVR處理器ATmega16。ATmega16采用先進的RISC結(jié)構(gòu),大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單指令周期;內(nèi)置16KB的FLASH存儲空間,可以放置程序代碼;512B的EEPROM,可以保存系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù),不用外擴EEPROM;含有JTAG接口,可以很方便地通過JTAG接口實現(xiàn)對FLASH、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程,加快程序開發(fā)進度;內(nèi)部包括2個獨立預分頻的8位定時器,本系統(tǒng)使用其中1個定時器來實現(xiàn)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度;1個具有捕獲功能的16位定時器,用其作為溫度采集捕獲定時。2.2系統(tǒng)使用測試手持端的人機接口是一個段式液晶屏。段式液晶屏的驅(qū)動不同于LED的驅(qū)動方式,要求在LCD電極間的相對電壓直流平均值必須為0,否則容易損壞,但其驅(qū)動電流小、功耗低、使用壽命長、清晰美觀,在低功耗手持人機交互設(shè)備上得到了良好的應(yīng)用。該系統(tǒng)使用到的段式液晶屏有3個COM端,即COM1～COM3,57個SEG端,即SEG1～SEG57,需要至少3×57的顯存空間。用單片機直接驅(qū)動該段式液晶屏,即使I/O口的數(shù)量能夠滿足需求,程序上也會非常麻煩,給系統(tǒng)帶來沉重的壓力,這里采用盛群公司生產(chǎn)的HT1625芯片實現(xiàn)驅(qū)動。HT1625可工作在2.4～5.2V的寬電壓范圍,內(nèi)嵌RC振蕩器,包含有8個COM、64個SEG,采用串行接口,完全可以滿足要求。2.3電容在該覆銅區(qū)域的移動測量觸摸按鍵為電容式觸摸按鍵,其工作原理是在PCB上繪制一塊覆銅區(qū)域,通過測量該區(qū)域電容的變化來檢測是否有人手放在上面。當人手未放置在該覆銅區(qū)域時,該區(qū)域的對地電容為C1,當人手放置到該覆銅區(qū)域上方時,該區(qū)域的對地電容變?yōu)镃2。單片機通過檢測該覆銅區(qū)域?qū)Φ仉娙莸淖兓瘉泶_定是否有按鍵按下。2.4高精度電阻計算溫度采集電路如圖2所示。PD6端接到ATmega16的捕獲通道,并設(shè)置捕獲方式為下降沿捕獲,捕獲時引起中斷。PD4、PD5分別接到ATmega16的普通I/O口上,Rt為需要測量的負溫度系數(shù)(NTC)電阻,R2為千分之一高精度電阻,R1為普通電阻。溫度采集電路工作原理:第一步設(shè)置PD4、PD5為高阻態(tài),PD6輸出高電平,電容放電;第二步設(shè)置PD4、PD6為高阻態(tài),PD5輸出低電平,開始計時,此時電路通過R2、C1充電,觸發(fā)捕獲時獲取時間T1;第三步同樣設(shè)置PD4、PD5為高阻態(tài),PD6輸出高電平,電容放電;第四步設(shè)置PD5、PD6為高阻態(tài),PD4輸出低電平,重新開始計時,此時電路通過Rt、C1充電,觸發(fā)捕獲時獲取時間T2;第五步,由電容兩端電壓Vc=Vo(1-exp(-t/(R×C)))可以得到T1/T2=Rt/R2,即可計算出Rt=R2×T1/T2,再根據(jù)NTC的溫度對照表,查表即可得到當前溫度,其精度與電容的精度無關(guān),僅和R2有關(guān),所以R2選用高精度電阻。另外,為了獲得更精確的溫度值,采用算術(shù)平均濾波法對采樣的溫度進行濾波處理。實際測量結(jié)果表明,該電路精度可以達到0.1℃,測量范圍為-20～120℃。2.5硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計射頻模塊采用nRF24L01來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF24L01為單片射頻收發(fā)芯片,工作于2.4GHz全球開放的ISM頻段,最高工作速率為2Mbit/s,片內(nèi)集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,采用高效的QFSK調(diào)制,抗干擾能力非常強,特別適用于工業(yè)控制場合。其具有126個頻道,滿足多點通信和跳頻通信的需要,內(nèi)置硬件CRC校驗和點對多點通信地址控制,功耗在掉電模式下只有900nA,非常適用于手持設(shè)備,其電路如圖3所示。該電路經(jīng)過實際測試,有效傳輸距離可達0.5～1.5km。nRF24L01的收發(fā)模式有3種,分別是EnhancedShockBurstTM模式、ShockBurstTM模式、直接收發(fā)模式。本系統(tǒng)采用EnhancedShockBurstTM模式,在該模式下,nRF24L01自動處理字頭和CRC校驗碼,在接收數(shù)據(jù)時自動將字頭和CRC校驗碼移去,在發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上字頭和CRC校驗碼。nRF24L01還集成了自動應(yīng)答功能,即接收端收到數(shù)據(jù)后自動發(fā)送一個應(yīng)答信號,發(fā)送端收到應(yīng)答信號后確認完成這次數(shù)據(jù)的發(fā)送;在默認的發(fā)送時間內(nèi)如果沒有收到應(yīng)答信號,發(fā)送端的MAX_RT位置1,觸發(fā)發(fā)送端的中斷信號,并停止數(shù)據(jù)的發(fā)送。使用這2種技術(shù)可以明顯降低該射頻模塊的工作電流,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。3多任務(wù)并行運行在軟件上采用多任務(wù)并行調(diào)度的運行方式。該方式將每個任務(wù)看作是一個進程,該進程被分成多個階段,每個階段的執(zhí)行時間比較短。當該進程獲得控制權(quán)后,只執(zhí)行1個階段,處理完后將控制權(quán)交回去。當再次獲得控制權(quán)時,再執(zhí)行下一個階段。使用該方式可以合理調(diào)度多個任務(wù),讓多個進程交叉進行,從而宏觀上達到多任務(wù)并發(fā)運行的目的。本文采用定時器0來進行時間片輪轉(zhuǎn)的任務(wù)調(diào)度,其調(diào)度流程如圖4所示。系統(tǒng)在初始化所有參數(shù)后進入睡眠狀態(tài),定時器0每間隔10ms將系統(tǒng)喚醒,處理任務(wù)的調(diào)度。每個任務(wù)根據(jù)其時間片的分配劃分成若干個狀態(tài),每當進入該任務(wù)的調(diào)度時進行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,任務(wù)調(diào)度結(jié)束后,系統(tǒng)返回到睡眠狀態(tài)。這種方法可以宏觀上達到多任務(wù)并發(fā)處理的目的,提高系統(tǒng)的實時性,降低系統(tǒng)的功耗。4降壓機及系統(tǒng)本文設(shè)計了一種溫度采集控制系統(tǒng),利用射頻技術(shù)實現(xiàn)了手持端和采集控制端的無線數(shù)據(jù)通信。在硬件上,系統(tǒng)采用了低功