關鍵詞： DS18S20 溫度傳感器 無線測溫 nRF9E5
無線測溫系統是一種集溫度信號采集、大容量存儲、射頻發送、LCD動態顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統。適用于發電廠、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包括數字溫度傳感器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，進行溫度數據采集和無線發送；基站與多個端機進行無線通信，并通過LCD把數據顯示出來，同時可以通過RS232串口將數據發送給PC機。
1 DS18S20[1]
數字溫度傳感器DS18S20是美國DALLAS公司生產的新型總線數字溫度傳感器，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結構如圖1所示。DS18S20的數據寫入只需要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；可編程數據位為9~12位，轉換12位溫度信號所需時間為750ms(最大)；用戶可自行設定預警上下限溫度。DS18S20主要應用于調溫控制、工業系統、溫度計和其他的溫度傳感系統。
DS18S20主要由64位ROM、溫度傳感器、用于設定溫度報警上限的TH和設定溫度下限的TL三部分組成。此外，還帶有電源感應模塊、存儲和控制邏輯器、中間結果暫存器和8位循環冗余校驗碼(CRC)發生器部分(見圖1)。
DS18S20內部存儲器由ROM、RAM和E2PROM組成。其中，ROM由64位二進制數字組成，共分為8個字節，字節0的內容是系列代號10H，字節1~6的內容是48位器件序列號，字節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個字節的高速度暫存器和非易失性電擦寫E2PROM組成，其中字節1、字節2存儲當前溫度，字節3、字節4存儲上、下限報警溫度TH和TL，字節5是結構寄存器的易失性拷貝，字節6、7、8用于內部計算，字節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。數據先寫入RAM，經校驗后再傳送給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個字節組成，字節1的高5位S代表符號位，字節0的低4位是小數部分，中間7位是整數部分，字節4是配置寄存器控制字的格式。當R1R0的值為00B、01B、10B、11B時，對應的分辨率為9、10、11、12位，轉換時間分別為93ms、187ms、375ms、750ms。
當主機發出溫度轉換命令時，即啟動了溫度轉換過程，轉換時間最長為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，其片內集成了射頻收發器nRF905和與標準51兼容的微控制器。nRF9E5的片內微控制器的指令時序與標準51稍有區別，如nRF9E5的片內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，其片內資源簡要介紹如下。
nRF9E5片內中斷控制器支持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生器。此外，還擴展了2個數據指針，以便從XRAM區讀取數據。微處理器中有256字節的數據RAM和512字節的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執行ROM中的引導區中的代碼。用戶程序通常是在引導區的引導下，從E2PROM加載到1個4KB的RAM中，該RAM也可作存儲數據用。當進行批量生產時，可以要求廠家代理把程序固化在片內，這樣可以省去E2PROM的費用并進一步減小系統體積。
nRF9E5收發器通過內部并行口或內部SPI口與其他模塊進行通信，具有同單片射頻收發器nRF905相同的功能。DuoCeiver接收器輸出的數據準備信號，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。收發器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調節器和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。發射模式下，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器的開/關。
nRF9E5還具有載波檢測功能。在ShockBurstTM接收方式(這是Nordic公司為了節省射頻收發的能耗而采取的一種收發方式)下，當出現nRF9E5工作信道內的射頻載波時，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射器的數據包之間的碰撞。
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工作電壓的系統中?？刂破鳛榕_灣矽創電子公司的ST7920，具有串/并接口方式，其內部含有中文字庫。
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據線SID與串行時鐘線SCLK來傳送數據，即構成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據，否則模塊顯示將被禁止。通常情況下，當系統僅使用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 無線測溫系統的組成及硬件
無線測溫系統分有基站和端機二大模塊。
(1)端機布置在數據采集點，一般由溫度傳感器、微控制器、射頻收發器和電池組成，根據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。
本系統在設計中，為了減小體積，射頻片上系統采用了Nordic公司的nRF9E5，其片內集成了51系列微控制器和射頻收發器。端機由智能數字溫度傳感器DS18S20、射頻片上系統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內的程序自動加載到其片內的4KB RAM中，這個過程由nRF9E5片內固化在512字節ROM中的程序來自動執行。DS18S20在空閑時，其DQ口由一個3kΩ的上拉電阻置為高電平。完成數據采集以后，以無線射頻信號的形式發射給基站。
(2)每套系統一般只有1個基站，包括微控制器、射頻收發器和顯示器等(基站的具體硬件連接見圖3)?；驹诮邮盏綌祿?，把信息顯示在液晶顯示屏上，根據需要，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，設計時可以靈活選擇)，為系統提供+3.3V工作電源。12864-12共有20個引腳，在本系統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)。射頻發射天線為印制天線，布置在PCB板上。實際應用中，也可根據需要使用單鞭天線。
5 無線測溫系統軟件設計
本系統程序比較復雜，限于篇幅，只列舉其中幾個函數供讀者設計時參考。本程序用C語言編寫，用Keil C51進行編譯。
5.1 串行傳送1字節的數據到LCD的函數
void SendBYTE(uchar dat)
{
uchar i；
for(i=0；i<8；i++)
{
LCD_CLK=0；//串行時鐘
if((dat&0x80)!=0)//連續發送8字節
{
LCD_SID=1；//數據信號，高為1
}
else
{
LCD_SID=0；//數據信號，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
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位數據
SendDAT(*_p2++)；//低8位數據
y_pos16++；
}
}
5.3 射頻發送函數
void Transmitter(void)
{
uchar b；
CS=1；//使2401(RADIO)工作于發送模式
Delay100μs(0)；
for(b=0；b<tconf.n；b++)
{
SpiReadWrite(tconf.buf[b])；//發送nRF9E5的配置字
}
CS=0；
b=Temperature；//溫度數據
PutChar(b)；//送到RS232串行口
TransmitPacket(b)；//射頻發送
}
6 結束語
本文系統地介紹了無線測溫系統的組成和其中所用到的數字溫度傳感器、LCD等。該系統適用于多種場合。實際應用中，可對其進行擴充(如增加鍵盤模塊等)。實踐證明，該系統具有很高的推廣應用價值。
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手冊12864-12.2003