单片机的无线数据传输系统设计
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基于单片机的矿井下实时温度测量及无线数据传输【摘要】由于在矿井下对环境温度要求较高,因此要求实时测量井下温度,本文提出了一种基于STC系列51单片机构成的实时温度监测系统,简要论述了系统的硬件组成和软件设计。
监测系统通过单片机控制温度传感器LM75A对矿井采掘工作面进行实时的温度采集、处理,再通过无线数据传输模块PTR2000进行远程无线数据传输给上位机。
【关键词】单片机;温度测量系统;无线数据传输;LM75A;PTR20000 引言矿井进行开采需要对井下各项指标进行实时监测,如温度、压力、瓦斯浓度等,因此需要安装安全监测系统。
其中温度是众多重要指标之一,矿井规定矿井采掘工作面温度不得超过26摄氏度,温度超过时,需要缩短工作人员工作时间,其温度超过30摄氏度时,必须停止作业,并采取降温措施,因此井下环境温度实时的测量就显得尤为重要。
而目前较多使用的测温方法是采用传统的模拟温度传感器采集井下个工作面及巷道温度信号,然后转换为电信号经过信号调理模块再送入AD数模转换模块,转换为数字信号送入处理器中进行处理。
这种传统的方法使用了较多的模拟器件,采用的模拟传感器和模拟器件如运放等模块都存在温度漂移、零点漂移、抗干扰能力差、需要经常校准的缺点。
本文正是在上述前提下介绍了一种基于STC系列51单片机技术和数字技术的矿用实时温度监测系统的设计思路。
1 系统组成及原理介绍根据温度监测系统的要求,我们采用STC系列51单片机即可实现整个系统的功能。
系统利用单片机完成对LM75A温度传感器的控制从而进行温度的测量;并在数码管上显示,加入按键,完成功能的选择;系统加入声光报警装置,当温度超过设定范围,即声光报警,提醒工作人员;最后在利用无线收发模块PTR2000对数据进行无线远程传输,利用单片机和PC机的串行通信完成人机交互控制,整体系统框图如图1所示。
图1 实时温度监测系统框图图中可以看到,使用C语言对单片机进行编程控制LM75A,LM75A采用I2C总线接口,需要控制I2C总线方式控制LM75A,当超过设定温度,单片机控制声光报警器报警,声光报警器实质就是蜂鸣器和LED灯,并通过数码管实时的显示当前温度,并将采集的温度等数据通过无线发送模块发送给远端的PC 机,进行远端控制。
基于单片机的多点无线温度监控系统近年来,无线传感器网络技术得到了广泛的应用和发展,其在工业、农业、医疗等领域都有着重要的作用。
无线传感器网络可以实现对各种参数的监测和数据的实时采集,极大地方便了人们对环境和设备状态的监控。
特别是在温度监控方面,无线传感器网络可以实时监测温度变化,并将数据远程传输到监控中心或者手机端,为人们提供及时的温度信息。
本设计旨在基于单片机技术,设计一种多点无线温度监控系统,实现对多个温度传感器的监测和数据传输。
该系统可以应用在各种需要温度监控的场合,例如仓储、生产车间、温室等。
通过该系统,用户可以实时监测各个监测点的温度变化,及时发现异常情况并进行处理。
系统设计采用了低功耗的无线传输模块,能够实现长期监测,并且具有一定的抗干扰能力,保证了数据的可靠性和稳定性。
本系统的核心是基于单片机的温度采集模块和无线传输模块,其主要功能包括温度数据的采集、处理和传输。
下面将从硬件设计和软件设计两方面对本系统进行详细的介绍。
一、硬件设计1. 硬件系统框图本系统的硬件设计包括多个温度传感器节点和一个数据接收节点。
每个温度传感器节点包括温度传感器、单片机和无线传输模块,用于采集和传输该节点的温度数据;数据接收节点包括单片机和无线接收模块,用于接收并处理各个节点传输的温度数据。
硬件系统框图如下图所示:(此处插入硬件系统框图)2. 温度传感器节点设计温度传感器节点的主要功能是采集温度数据,并通过无线传输模块将数据传输给数据接收节点。
具体的设计方案如下:(1)温度传感器选择:选用精度高、响应快、价格低廉的DS18B20数字温度传感器。
(2)单片机选择:选用低功耗、性能稳定的STM32系列单片机,用于温度数据的采集和处理。
(3)无线传输模块选择:选用低功耗、长距离传输的nRF24L01无线模块,用于将温度数据传输给数据接收节点。
3. 数据接收节点设计(3)数据显示设备:可以选择LCD显示屏或者LED指示灯,用于显示温度数据。
基于单片机的多点无线温度监控系统随着物联网技术的不断发展,无线传感器网络在各个领域都得到了广泛应用。
基于单片机的多点无线温度监控系统,不仅可以实现对多个温度点的实时监控,还可以通过无线方式传输监测数据,实现远程监控和管理。
本文将介绍基于单片机的多点无线温度监控系统的原理、设计和实现过程。
一、系统概述基于单片机的多点无线温度监控系统主要由传感器节点、信号处理单元、无线通信模块、监控中心等组成。
传感器节点负责采集温度数据,信号处理单元对采集的数据进行处理和存储,无线通信模块实现数据传输,监控中心则负责接收和显示监测数据。
二、系统设计1. 传感器节点设计传感器节点是系统的核心部分,负责采集温度数据。
为了实现多点监控,传感器节点需要设计成多个独立的模块,每个模块负责监测一个特定的温度点。
传感器节点的设计需要考虑传感器的选择、数据采集和处理电路的设计、以及无线通信模块的接口设计。
传感器节点采用数字温度传感器DS18B20进行温度采集,采集到的数据通过单片机进行处理和存储,然后通过无线通信模块进行数据传输。
2. 信号处理单元设计信号处理单元主要负责对传感器采集到的数据进行处理和存储。
传感器采集到的数据需要进行数字化处理,然后存储到单片机的内部存储器中。
传感器节点采用的是单片机AT89S52作为信号处理单元,通过单片机的A/D转换功能对温度数据进行数字化处理,然后存储到单片机的内部EEPROM中。
3. 无线通信模块设计无线通信模块主要负责将传感器节点采集到的数据传输到监控中心。
传感器节点采用的是nRF24L01无线模块,通过SPI接口与单片机进行通信,并实现数据的传输。
4. 监控中心设计三、系统实现传感器节点采用DS18B20数字温度传感器进行温度采集,通过单片机AT89S52进行数据处理和存储,然后通过nRF24L01无线模块实现数据的传输。
传感器节点的设计需要考虑功耗、尺寸和成本等因素,需要尽量减小功耗和尺寸,降低成本。
单片机的无线数据传输系统设计 陈禅,陈可中(中国铁通集团有限公司南宁分公司广西南宁530001)
摘要:随看科学技术突飞的发展,无线化已经成为电子技术的一个重要发展方向。简要介绍了无线通信基拙知识,接肴对组成系统的每个功能摸块进行折分设计,并对封撅芯片nRF905的结构和工作原理作了筒要的介绍,开发了硬件电路、外围工艺和数据无线收发程序.最后对数据无线传褚距离进行理论计算和分析。 关镇询:无线传精;nRF905,单片机 中圈分类号;TN92文狱标识码:B文童编号:1004一373X(2008)05 - 040一03
Design of Wireless Data Transport System of a Single Chip Microcomputer CHEN Chan,CHEN Kezhong(Nanning Branch,Cltins Tietong Telecommunications Co. Ltd ,Nanning,530001,China)
Abstract: Along with the development of science,the wireless technique has already been an important developmenttion of electronics technique. This design introducesfoundation knowledge of the wireless didital design which
elapment derec-constitutes eachpiece of function of the system, and introduces the structure and the work principles of the main component of the radio fre-quency chip nRF905. The development includes the hardware electric circuit,the outer circle craft and the procedure of the datawireless to receive Keywords:and dispatch. Finally carrying on the theories calculation and analysis on the diagraph.
wireless transport; nRF905 ; single chip
1E引言 随着计算机、通信和无线技术的逐步融合,在传统的有线通信的基础上,无线通信技术应运而生,他具有快捷、方便、可移动和安全等优势,所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等. 在一些特殊应用场合中,单片机与上位机之间通信不再采用有线的数据传输,例如采用有线的串、并行总线、11C和CAN总线等,而是需要无线数据传输,本文介绍了基于nRF905无线收发模块的实用单片机无线传输系统的设计。医学)频道,频道之间的转换时间小于650 fts, nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器,ShockBurstTM工作模式,自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA,工作于接收模式时的电流为12.5 mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报替及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。
2无线收发模块nRF905 nRF905是娜威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.9^--3.6 V,32引脚QFN封装((5X5 mm),工作于433/868/915 MH:三个ISM(工业、科学和
收稿日期:2007 -09-20甚金项目:广西大学高等教育教学改革工程“十一五”立项项目“广 西地方大学本科应用人才培养模式改革的研究与实 践—电子技术实验课程^(2005年032);广西教育科 学“十一五,规划课题“电子技术实验教学改革的研究与 实践"(2006年B002).
3芯片结构及工作模式 , nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便. nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式,两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的S作模式由TRX_ ACE, TX_ EN和PWR_ UP三个引脚决定,详见表I. 与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行,数据速率由微控制器配置的SPI接口决定,数据
万方数据在微控制器中低速处理,但在nRF905中高速发送,因此中间有很长时间的空闲,有利于节能。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频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下,当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后,地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM发送模式,nRF905自动产生字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知,nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源,同时也减小了编写程序的时间。 衰1 ShcekBarstTM模式
靠,使用方便,在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。
PWR UP TRX CE TX EN工作模式
关机模式空闲模式扮级接收模式封芬发送模式
X洲01X011图1封频收发电路图
4器件配置
所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905,SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置,当nRF905处于空闲模式或关机模式时,SPI接口可以保持在工作状态。 (1) SPI接口配置 SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。 (2)射频配置 设CH_ NO中的值为a,HFREQ_ PLL中的值为b,则nRF905的工作频率由公式:
‘程序流程系统采用了一种应用最广泛的单片机AT89S52为数据处理部分。具体的读、发程序流程如图2,图3所示。
f=(422.4+共)X (1+b) 、iv/(1)
所决定。若nRF905的工作频率取433.20 MHz,则a=108,b=0, 射频寄存器的各位的长度是固定的。然而,在Shock-BurstTM收发过程中,TX_ PAYLOAD, RX_ PAY-LOAD, TX' ADDRESS和RX ADDRESS 4个寄存器使用字节数由配置字决定。nRF905进人关机模式或空闲模式时,寄存器中的内容保持不变。
图2读取数据流程图3发送数据流程
5电路设计7配置程序 对于射频芯片nRF905的寄存器操作是个很关键的问题。由于采用了SPI协议,在配置寄存器过程应用指令及P1中模拟时钟上升沿时,很容易出现移错位及时钟上升沿无效的情况。SPI接口有4个信号线:MOSI, MISO,SCK,CSN,分别为输人线、输出线、时钟线、配置使能线。SPI的通信时序如图4所示。 nRF905在使用中,根据不同需要,其电路图不尽相同,图1所示为其应用原理图,该电路天线部分使用的是50 CZ单端天线。在nRF905的电路板设计中,也可以使用环形天线,把天线布在PCB板上,这可减小系统的体积.更详细的设计可参考nRF905的芯片手册. nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送,通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送,收发可图4 SPI读操作时序图
万方数据8系统的参数测且 无线通信在自由空间中传播距离的计算方法:所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播,他是理想传播条件.电波在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射。 通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关: [L6]=32.44+2018 d+201g f (2)式中L,,(单位:dB)为传输损耗,d(单位:km)为传输距离,频率f的单位以MH:计算。由上式可见,自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离d有关,当f或d增大一倍时,[L,.〕将分别增加6 dB, 下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗: EL-1=32.44+2018 d + 2018 f (3)L.是传播损耗,单位为dB;d是距离,单位是km; f是工作频率,单位是MHz, 本系统的无线收发模块nRF905选择工作在第一频道为433.2 MHz,发射功率为+10 dBm(10 mW),接收灵敏度为一105 dBm的系统在自由空间的传播距离: (1)由发射功率+10 dBm,接收灵敏度为一105 dBm; L}=115 dB (2)由La,了计算得出: d=31 km 这是理想状况下的传输距离,实际的应用中会低于该值,这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响,如大气、阻挡物、多径等造成的损耗,将上述损耗的参考值计人上式中,即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为25 dB,可以计算得出通信距离为: d=1. 7 km=1 700 m
,影响无线通信距离的主要因素 图6是一个无线通信系统的信道模型,在工作频率固
定的前提下,影响工作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等,通过加大发射功率,提高天线增益,提高接收机灵敏度均起到提高通信距离的作用,在影响无线通信距离的以上几个因素中,作为设计者可以控制的因素有:接收灵敏度、RX一天线增益、发射输出功率。不能控制的因素是由无线电波的特点所决定的,主要有:传输损耗、路径损耗、多径损耗、周围环境的吸收。
Transmission length
Sensitivityw 图5无线通信系统模型图 在设计者可以控制的因素中,接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作为提高通信距离的手段。 无线传输系统具有体积小、抗干扰能力强、数据安全可靠、无需布线、维护方便等优点,将会在各领域中带来广泛的市场。本系统结构简单,但这并没有影响系统的性能和用途。他可应用到遥控、遥测、汽车电子、安全防火、生物信号采集、环境监测和电气自动化等领域。