基于nRF905的无线温度采集系统设计与实现

摘要：针对传统温室信息有线采集系统移动性差和难以安装维护的特点，介绍了利用LM35温度传感器，STC公司新一代单片机12LE5630AD和Nordic公司nRF905射频收发器芯片组成的一种多点温度采集系统的设计方案。详细阐述了系统组成结构、工作原理、硬件电路和软件设计。实现了多点温度实时监测。系统硬件构成简练，体积小，功耗低，有较广的应用空间。
关键词：单片机；nRFg05；温度采集

环境温度参数监测是环境研究和火灾安全防备的重要手段，传统的有线定点采集、人工上报，这种方法正逐渐被新的技术所代替。目前常用的技术是基于无线模块的环境监测方式，但是在一些用途精度要求不是很高的场所，如单位或家庭火灾安全监测，这样的产品价格过于昂贵，协议比较复杂，缺少灵活度。针对这一情况，本文利用STC12LE5630AD单片机和nRF905设计了一个无线温度采集系统。一般传统的温度传感器的输出信号均为模拟信号，需经过放大电路和A／D转换后才能与单片机连接，系统结构比较复杂。笔者因此采用带有A／D转换功能的单片机STC12LE5630AD简化了系统外围电路。nRF905是Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，可以自动完成处理字头和CRC，配置简单方便，功耗低。本文的系统不仅克服了温度采集系统在使用空间上的局限性，而且大大简化了系统硬件电路。本文设计的无线节点温度采集系统能够用于实际多点温度采集，结果也表明系统工作稳定，数据可靠，可以应用于室内和室外的温度监测。

1 系统介绍
多点温度监测系统由测量装置、无线传输终端、上位机控制中心组成。如图1为系统结构框图。下位机(监测器)利用温度传感器将相应温度值转换成模拟电压值，直接由单片机进行A／D转换，再将自己的地址值即转换的数据值打包送至无线模块(nRF905)。上位机无线模块将下位机发送来的地址值即采集值送至单片机，在由串口通信方式送至PC。由PC进行相应的判断、采集值数据的修正最后显示数据并画图。因此系统设计包括了硬件和软件设计。

2 系统硬件设计
系统硬件主要包含：由LM35芯片构成的温度采集电路、nRF905芯片构成的无线节点模块与PC与单片机的串口通信系统。
2．1 温度采集电路及无线模块设计
温度传感器采用由National Semiconductol所生产的LM35，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式(1)，0时输出0 V，每升高1°，输出电压增加10 mV。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1／4℃准确率。本文采用单电源模式，其在25°下静默电流约50μA。
Vout_LM35(T)=10 mV／℃xT℃ (1)
通信模块为nRF905，该芯片工作在433／868／915 MHz的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。数据传输速率可达100 kb／s，支持点对点传输模式和广播传输模式。nRF905工作电压1．9～3．6 V。功耗很低，该芯片处于接受模式时工作电流为12．5 mA，但在掉电模式下工作电流仅为25μA。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术，该技术使得nRF905在没有高速MCU下，也能实现高速数据传输。
STC12CE5620AD系列单片机工作电压为3．6～2．2 V，每个I／O驱动能力可达到20 mA，是宏晶科技生产的单时钟／机器周期(1T)的单片机，是高速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，代码与传统8051兼容但速度快8～12倍，内部集成8路高速10位的A／D转换。无线模块具体接线原理图如图2所示。系统设计的电源电路可以利用电网供电，也可以使用电池。

2．2 串口通信硬件系统设计
基于PC机与单片机的串口通信系统电路如图3所示，主要包括单片机、串口通信电路、ISP程序下载接口电路和系统复位电路。本电路基于RS-232接口标准，使用DB-9连接器。由于单片机输出的TTL电平与PC机的RS-232串口电平的电气特性不匹配。为了使单片机能与PC机正常通信，采用美信公司的MAX232芯片进行电平转换。MAX232是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口芯片，功能比较强大。MAX232芯片与计算机连接的端口中有3个驱动端和5个接收端，因此可以同时进行多路通信。另外MAX232芯片的传输速率最高可以达235 kb／s。在所设计的串口通信电路系统中，单片机的数据通过RXD、TXD与MAX3232相连，经MAX3232完成电平转换后成为RXD1、TXD1信号，再通过串口线与主机相连。

3 软件系统设计
软件主要包括：由微软公司推出可视化，面向对象的结构化程序设计语言Visual Basic构成的上位机应用软件与C语言编写的下位机控制程序设计。