數字化無線溫度傳感器的設計與實現

1 引 言

目前，大多采用的是有線多點溫度采集系統，通過安裝溫度節點來實現對室內外溫度監控。這種傳統的多點采集系統需要用導線與每個溫度采集節點連接，其技術成熟，制作成本相對較低。但是，在許多場合需要將傳感器節點直接放置在目標地點進行現場的數據采集，這就要求傳感器節點具有無線通信的能力。同時，由于無線傳感器通常使用電池作為能源，所以，它對能耗要求非常高。

針對這些問題，本文提出一個無線傳感器設計方案，來實現主機端與傳感器節點之間的通信，并且通過選用低功耗的芯片和對軟件的低功耗設計實現了低功耗的目標。本文設計主要是基于433 MHz ISM頻段，無需申請就可以使用。該設計方案有許多明顯的優點：傳輸速度快、距離遠、數據穩定；采用低功耗模式，延長電池使用時間；能保證任何時候數據不丟失，提高系統的強健度。

2 系統硬件設計

所設計的無線溫度傳感器主要由以下幾部分組成：溫度測量、發射部分、接收部分、LCD顯示部分以及操控部分。系統結構圖如圖1所示。

2.1 溫度測量電路

在溫度測量電路中采用Dallas公司生產的1-Wire總線數字溫度傳感器DS18B20。溫度測量電路如圖2所示。

DS18B20是3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55～125℃，可編程為9-12位A／D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5℃，被測溫度以帶符號擴展的16位數字方式串行輸出。

DS18B20內部結構主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和 TL及配置寄存器。ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS181E0的目的。

DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼形式提供，以0.062 5℃／LSB形式表達。例如+25.062 5℃的數字輸出為0191H，-25.062 5℃的數字輸出為FF6FH。

高低溫報警觸發器TH和TL、配置寄存器均由一個字節的E2PROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH，TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：

R1和R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0=“00”，9位精度，最大轉換時間為93.75 ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉換時間為187.5 ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉換時間為375 ms；R1R0；“11”，12位精度，最大轉換時間為750 ms；未編程時默認為12位精度。設計取R1R0=“11”。

2.2 無線收發電路

2.2.1 IA4421與單片機的接口

IA4421支持SPI通信協議，本設計選擇了美國ATMEL公司出品的高性能單片機ATmega324p，其內置增強型SPI接口，并且有32 kB的FLASH，能夠滿足在系統中的LCD上顯示中文字符。IA4421與單片機的接口電路示意圖如圖3所示。

ATmega324p內置的增強型串行外設接口SPI提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力。SPI所使用的4個信號為MOSI，MISO，SCK和SS。MOSI用于從主器件到從器件的串行數據傳輸；MISO用于從器件到主器件的串行數據傳輸；SCK用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸。

2.2.2 無線發送時序

IA4421的發送方式為發送寄存器緩沖數據傳輸方式，由配置設置命令的第7位el來使能，圖1可以看出，IA4421共有2個8位的數據寄存器，發送的數據首先被鎖存到其中一個數據寄存器中，當電源管理命令的第5位et被置1，則發送器開始以設置的碼率從第一個寄存器向外發送數據。

每次發送數據必須以0xAA作為發送數據的前導碼，否則外部接收裝置無法接收數據。若是采用同步模式，則要用0x2DD4作為同步模式的標志碼，然后才能開始傳輸數據。引腳nIRQ可以用來檢測寄存器是否準備好從微處理器接收下一個字節來發送，若是引腳nIRQ變為低電平，則表示寄存器準備好了。