關(guān)鍵詞： DS18S20 溫度傳感器 無線測溫 nRF9E5
無線測溫系統(tǒng)是一種集溫度信號采集,、大容量存儲、射頻發(fā)送,、LCD動態(tài)顯示,、控制與通信等功能于一體的新型系統(tǒng)。適用于發(fā)電廠,、采油廠,、鉆井施工等許多不宜進行有線測溫的場合。本文介紹的無線測溫系統(tǒng)包括數(shù)字溫度傳感器DS18S20,、射頻SoC nRF9E5,、LCD、E2PROM和RS232串行口等模塊,。整個系統(tǒng)由多個端機和1個基站組成,。端機工作在各個測溫地點,，進行溫度數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送；基站與多個端機進行無線通信,，并通過LCD把數(shù)據(jù)顯示出來,，同時可以通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。
1 DS18S20[1]
數(shù)字溫度傳感器DS18S20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的新型總線數(shù)字溫度傳感器,，它有2種封裝形式：3引腳封裝和8引腳封裝,。3引腳封裝的DS18S20結(jié)構(gòu)如圖1所示。DS18S20的數(shù)據(jù)寫入只需要1線I/O(即圖1中的DQ,，GND為接地端,，VDD為高電平端)，以串行通信的方式與微控制器進行通信,；工作電壓為3~5V,，測量溫度范圍為-55°C~+125°C，測量溫度為-10°C~+85°C時的測量精度為±0.5°C,；可編程數(shù)據(jù)位為9~12位,，轉(zhuǎn)換12位溫度信號所需時間為750ms(最大)；用戶可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度,。DS18S20主要應(yīng)用于調(diào)溫控制,、工業(yè)系統(tǒng)、溫度計和其他的溫度傳感系統(tǒng),。
DS18S20主要由64位ROM,、溫度傳感器、用于設(shè)定溫度報警上限的TH和設(shè)定溫度下限的TL三部分組成,。此外,，還帶有電源感應(yīng)模塊、存儲和控制邏輯器,、中間結(jié)果暫存器和8位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)發(fā)生器部分(見圖1),。
DS18S20內(nèi)部存儲器由ROM、RAM和E2PROM組成,。其中,，ROM由64位二進制數(shù)字組成，共分為8個字節(jié),，字節(jié)0的內(nèi)容是系列代號10H,，字節(jié)1~6的內(nèi)容是48位器件序列號，字節(jié)7為ROM前56位的CRC校驗碼,。由于64位ROM碼具有惟一性,，因此在使用時作為該器件的地址，通過讀ROM命令可以將它讀出來。RAM由9個字節(jié)的高速度暫存器和非易失性電擦寫E2PROM組成,，其中字節(jié)1,、字節(jié)2存儲當前溫度，字節(jié)3,、字節(jié)4存儲上,、下限報警溫度TH和TL,，字節(jié)5是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝,，字節(jié)6、7,、8用于內(nèi)部計算,，字節(jié)9是RAM前64位的CRC校驗碼。RAM中E2PROM用于存儲TH,、TL和配置器的值,。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳送給E2PROM,。通過DS18S20功能命令對RAM進行操作,。
DS18S20的溫度測量范圍在－55°C~+125°C，分辨率的默認值為12位,。檢測溫度由2個字節(jié)組成,，字節(jié)1的高5位S代表符號位，字節(jié)0的低4位是小數(shù)部分,，中間7位是整數(shù)部分,，字節(jié)4是配置寄存器控制字的格式。當R1R0的值為00B,、01B,、10B、11B時,，對應(yīng)的分辨率為9,、10、11,、12位,，轉(zhuǎn)換時間分別為93ms、187ms,、375ms,、750ms。
當主機發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令時,，即啟動了溫度轉(zhuǎn)換過程,，轉(zhuǎn)換時間最長為750ms。主機通過暫存器功能命令將溫度值讀出，可通過寫暫存器功能命令改變分辨率的設(shè)置,。
2 射頻SoC nRF9E5[2]
nRF9E5是挪威Nordic公司于2004年推出的射頻片上系統(tǒng),，其片內(nèi)集成了射頻收發(fā)器nRF905和與標準51兼容的微控制器。nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令時序與標準51稍有區(qū)別,，如nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令周期為4～20個指令周期(標準51的指令周期為2～40),。nRF9E5的功能圖如圖2所示，其片內(nèi)資源簡要介紹如下,。
nRF9E5片內(nèi)中斷控制器支持5個擴展的中斷源：ADC中斷,、SPI中斷、RADIO1中斷,、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷,。其片內(nèi)控制器有3個與8052相同的定時器，1個和8051相同的串口,，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產(chǎn)生器,。此外，還擴展了2個數(shù)據(jù)指針,，以便從XRAM區(qū)讀取數(shù)據(jù),。微處理器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。上電復位或軟件復位后,，處理器自動執(zhí)行ROM中的引導區(qū)中的代碼,。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，從E2PROM加載到1個4KB的RAM中,，該RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用,。當進行批量生產(chǎn)時，可以要求廠家代理把程序固化在片內(nèi),，這樣可以省去E2PROM的費用并進一步減小系統(tǒng)體積,。
nRF9E5收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其他模塊進行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能,。DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準備信號,，可通過程序使其作為微處理器的中斷信號或通過GPIO口傳給CPU。nRF9E5工作于433/868/915MHz頻段,。收發(fā)器由1個完整的頻率合成器,、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成,。輸出功率,、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。發(fā)射模式下,，射頻電流消耗僅為11mA,，接收模式下為12.5mA,。為了降低能耗，可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān),。
nRF9E5還具有載波檢測功能,。在ShockBurstTM接收方式(這是Nordic公司為了節(jié)省射頻收發(fā)的能耗而采取的一種收發(fā)方式)下，當出現(xiàn)nRF9E5工作信道內(nèi)的射頻載波時,，載波檢測引腳(CD)被置高,。這個特性很好地避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器的數(shù)據(jù)包之間的碰撞。
3 LCD模塊12864-12[3]
12864-12漢字圖形點陣液晶顯示模塊可顯示漢字,、圖形,、ASCII碼和自定義字形，內(nèi)置8 192個16×16的中文漢字,、128個8×16字符以及64×256點陣顯示RAM,。12864-12液晶顯示屏為128×64點陣,，可顯示4行(每行8個)漢字,，外形尺寸為93mm×70mm×12.5mm，視域尺寸為72mm×40mm,。模塊內(nèi)有多種軟件功能：光標顯示,、畫面移位、自定義字符,、反白,、清除、關(guān)閉顯示和睡眠模式等,，可方便地對模塊進行控制,。為了便于和多種微處理器的接口設(shè)計，12864-12提供了2線串行,、3線串行,、4位并行及8位并行多種接口方式。12864-12內(nèi)置升壓電路,，無需負壓,，配置了LED背光，只需1個20kΩ的電阻把V0和地相接,，就可在3V低電平下工作,。具有為3.3～5.5V寬范圍的工作電壓，故適用于目前比較常見的3.3V或5V工作電壓的系統(tǒng)中,?？刂破鳛榕_灣矽創(chuàng)電子公司的ST7920，具有串/并接口方式,，其內(nèi)部含有中文字庫,。
考慮到nRF9E5的I/O接口比較少,，本無線測溫系統(tǒng)的基站中，12864-12采用串行接口方式,。使用12864-12的3線串行接口方式可大大簡化液晶顯示模塊與單片機之間的接口設(shè)計,；同時，也使液晶顯示模塊顯示漢字變得極為容易,，從而改變過去單片機系統(tǒng)人機界面不夠友好的弊端,。當模塊的PSB腳接低電平時，模塊即進入串行接口模式,。串行模式使用串行數(shù)據(jù)線SID與串行時鐘線SCLK來傳送數(shù)據(jù),，即構(gòu)成2線串行模式。12864-12還允許同時接入多個液晶顯示模塊以完成多路信息顯示功能,。此時,，要利用片選端“CS”構(gòu)成3線串行接口方式，即當“CS”接高電位時,，模塊可正常接收并顯示數(shù)據(jù),，否則模塊顯示將被禁止。通常情況下,，當系統(tǒng)僅使用1個液晶顯示模塊時,，“CS”可連接固定的高電平。nRF9E5與12864-12的接口電路如圖3所示,。
4 無線測溫系統(tǒng)的組成及硬件
無線測溫系統(tǒng)分有基站和端機二大模塊,。
(1)端機布置在數(shù)據(jù)采集點，一般由溫度傳感器,、微控制器,、射頻收發(fā)器和電池組成，根據(jù)需要可以有多個端機,，它們與基站之間通過射頻進行無線通信,。
本系統(tǒng)在設(shè)計中，為了減小體積,，射頻片上系統(tǒng)采用了Nordic公司的nRF9E5,，其片內(nèi)集成了51系列微控制器和射頻收發(fā)器。端機由智能數(shù)字溫度傳感器DS18S20,、射頻片上系統(tǒng)nRF9E5和電池組成,，其硬件連接如圖4所示。其中,，25AA320為E2PROM程序存儲器,。端機上電后，nRF9E5把25AA320內(nèi)的程序自動加載到其片內(nèi)的4KB RAM中,，這個過程由nRF9E5片內(nèi)固化在512字節(jié)ROM中的程序來自動執(zhí)行,。DS18S20在空閑時,，其DQ口由一個3kΩ的上拉電阻置為高電平。完成數(shù)據(jù)采集以后,，以無線射頻信號的形式發(fā)射給基站,。
(2)每套系統(tǒng)一般只有1個基站，包括微控制器,、射頻收發(fā)器和顯示器等(基站的具體硬件連接見圖3),。基站在接收到數(shù)據(jù)后,，把信息顯示在液晶顯示屏上,，根據(jù)需要，也可以通過RS232接口與PC機進行通信,。LM1117為電源管理模塊(有多種封裝形式,，設(shè)計時可以靈活選擇)，為系統(tǒng)提供+3.3V工作電源,。12864-12共有20個引腳,，在本系統(tǒng)中采用串行接口的連接方式，只需要使用其中的10個引腳(接法見圖3),。射頻發(fā)射天線為印制天線,，布置在PCB板上,。實際應(yīng)用中,，也可根據(jù)需要使用單鞭天線。
5 無線測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)程序比較復雜,，限于篇幅,，只列舉其中幾個函數(shù)供讀者設(shè)計時參考。本程序用C語言編寫,，用Keil C51進行編譯,。
5.1 串行傳送1字節(jié)的數(shù)據(jù)到LCD的函數(shù)
void SendBYTE(uchar dat)
{
uchar i；
for(i=0,；i<8,；i++)
{
LCD_CLK=0；//串行時鐘
if((dat&0x80)!=0)//連續(xù)發(fā)送8字節(jié)
{
LCD_SID=1,；//數(shù)據(jù)信號,，高為1
}
else
{
LCD_SID=0；//數(shù)據(jù)信號,，低為1
}
LCD_CLK=1,；
dat=dat<<1；//右移1位
}
}
5.2 圖形方式顯示1個16×16點的函數(shù)
void DisplayNum(uchar x_pos1,，uchar y_pos16,，uchar code*
_p1,，uchar code*_p2)
{
uchar y_label；
for(y_label=0,；y_label<16,；y_label++)
{
SendCMD(y_pos16)；//行地址
SendCMD(x_pos1),；//列地址
SendDAT(*_p1++),；//高8位數(shù)據(jù)
SendDAT(*_p2++)；//低8位數(shù)據(jù)
y_pos16++,；
}
}
5.3 射頻發(fā)送函數(shù)
void Transmitter(void)
{
uchar b,；
CS=1；//使2401(RADIO)工作于發(fā)送模式
Delay100μs(0),；
for(b=0,；b<tconf.n；b++)
{
SpiReadWrite(tconf.buf[b]),；//發(fā)送nRF9E5的配置字
}
CS=0,；
b=Temperature；//溫度數(shù)據(jù)
PutChar(b),；//送到RS232串行口
TransmitPacket(b),；//射頻發(fā)送
}
6 結(jié)束語
本文系統(tǒng)地介紹了無線測溫系統(tǒng)的組成和其中所用到的數(shù)字溫度傳感器、LCD等,。該系統(tǒng)適用于多種場合,。實際應(yīng)用中，可對其進行擴充(如增加鍵盤模塊等),。實踐證明,，該系統(tǒng)具有很高的推廣應(yīng)用價值。
參考文獻
1 Dallas Semiconductor.DS18S20 High Precision 1-Wire Digital Thermometer.2002
2 Nordic VLSI ASA Inc.433/868/915MHz RF Transceiver with Embedded 8051 Compatible Microcontroller and 4 Input,，10 bit ADC.2004
3 LCD在線.LCD在線液晶顯示器技術(shù)手冊12864-12.2003