由ATmega324p實現(xiàn)的數(shù)字化無線溫度傳感器設計方案

　　1 引 言

　　目前，大多采用的是有線多點溫度采集系統(tǒng)，通過安裝溫度節(jié)點來實現(xiàn)對室內(nèi)外溫度監(jiān)控。這種傳統(tǒng)的多點采集系統(tǒng)需要用導線與每個溫度采集節(jié)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(jié)點直接放置在目標地點進行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，這就要求傳感器節(jié)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(xiàn)主機端與傳感器節(jié)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(xiàn)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(yōu)點：傳輸速度快、距離遠、數(shù)據(jù)穩(wěn)定；采用低功耗模式，延長電池使用時間；能保證任何時候數(shù)據(jù)不丟失，提高系統(tǒng)的強健度。

　　2 系統(tǒng)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(fā)射部分、接收部分、LCD顯示部分以及操控部分。系統(tǒng)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(chǎn)的1-Wire總線數(shù)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(shù)字方式串行輸出。

　　DS18B20內(nèi)部結構主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)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(xiàn)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(shù)字輸出為0191H，-25.062 5℃的數(shù)字輸出為FF6FH。

　　高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)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(shù)：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(fā)電路

　　2.2.1 IA4421與單片機的接口

　　IA4421支持SPI通信協(xié)議，本設計選擇了美國ATMEL公司出品的高性能單片機ATmega324p，其內(nèi)置增強型SPI接口，并且有32 kB的FLASH，能夠滿足在系統(tǒng)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(nèi)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(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從器件到主器件的串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。

　　2.2.2 無線發(fā)送時序

　　IA4421的發(fā)送方式為發(fā)送寄存器緩沖數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器，發(fā)送的數(shù)據(jù)首先被鎖存到其中一個數(shù)據(jù)寄存器中，當電源管理命令的第5位et被置1，則發(fā)送器開始以設置的碼率從第一個寄存器向外發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須以0xAA作為發(fā)送數(shù)據(jù)的前導碼，否則外部接收裝置無法接收數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。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(jié)來發(fā)送，若是引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖剑瑒t表示寄存器準備好了。

　　2.2.3 無線接收時序

　　IA4421的接收方式有兩種：一種是一直接收；另一種是FIFO模式。前一種方式并不推薦，會引起較高的誤碼率。本設計采用后一種模式。在相應的控制字都設置好之后，數(shù)據(jù)已進入緩沖器中，若引腳nIRQ變成低電平，則表示IA4421準備好接收數(shù)據(jù)，這時發(fā)送FIFO讀命令字，開始接收。

　　2.3 外圍天線設計

　　IA4421的支持天線直接驅動，設計相當簡單方便并且通信距離長。一個50 Ω的外接螺旋天線和對應的差分電路就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。本系統(tǒng)設計的天線是用1.17 cm的單芯銅導線實現(xiàn)，導線的直徑是0.6 mm，用螺絲刀的金屬棒饒制7圈成螺旋狀。經(jīng)過實驗，實際有效的通信距離能達到200 m左右，滿足了系統(tǒng)需要。