一种无线传输的温度采集系统的设计

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摘 要： 介绍一种以PT1000铂热电阻为温度传感器，以AD7705模/数转换器进行电压采集，利用NRF24L01进行无线传输，采用STM32F103VE芯片作为控制器的温度采集系统。详细介绍软件设计、硬件电路设计，数据采集以及数据传输各部分工作情况，并给出了实际测试结果。

关键词： 铂热电阻； 模数转换器； 无线数据传输； 温度采集系统

中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）24⁃0136⁃03

Design for temperature acquisition system of wireless transmission

JIA Yunfeng， FU Chengwei

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： The temperature acquisition system is introduced in this paper， in which the platinum thermistors PT1000 is taken as the temperature sensor， the voltage is acquired with A/D converter AD7705， NRF24L01 is applied to conducting wireless transmission， and the chip STM32F103VE is adopted as the temperature acquisition system of the controller. The software design， hardware circuit design， and working conditions of data acquisition and transmission are introduced in detail. The practical test results are provided.

Keywords： platinum thermistor； A/D converter； wireless data transmission； temperature acquisition system

0 引 言

在日常生活和工业生产中，温度是一个必不可少的参数，对温度的监测尤为重要。普通的温度采集系统需要信号线进行通信，为了解决信号线带来的困扰，设计了采用无线数据通信的温度采集系统。

1 系统总体设计

该系统包含信号采集、信号发射和信号接收三个主要部分。信号采集部分将采集信号传递至发射端，发射端将数据通过电磁波发射到大气中，无线接收端在接收到相应的电磁波后，可对数据进行处理和存储。

图1 系统工作流程图

2 元器件选择与结构设计

2.1 单片机

本系统选用的是STM32F103VE微处理器。STM32系列微控制器是专门针对于高性能、低成本、低功耗而设计的嵌入式处理器，采用代码密度的Thumb⁃2指令集和提高中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器[1]。STM32运行速度更快，性能更高，且在核上设计了单周期乘法制定的硬件触发[2]。

2.2 温度传感器及采集电路

本系统选用PT1000铂电阻作为温度传感器，在中低温测量范围内铂热电阻具有更好的精度、线性度和稳定性。为提高精度，消除导线电阻，选用三线制PT1000，同时配合相应的电路使用，具体电路如图2所示。采集电路将PT1000随温度变化的电阻值转变为随温度变化的电压值，以便通过模/数转换器进行采集。

在实际应用时，需要考虑PT1000的自热问题，因此应保证通过PT1000的电流小于1 mA；同时需要尽可能提高电压变化范围，以此保证更高采集精度。此系统实际应用中最低采集温度为-50 ℃，经计算此电路采用电阻大小为：R9=3 900 Ω，R10=3 900 Ω，R19=750 Ω，这样设计既保证了PT1000不会因为自热问题影响采集误差，同时提高了采集精度。在实际应用中，可以根据不同工作需求，对R9，R10，R19的阻值进行适当调整。

图2 采集电路

2.3 模数转换器

该系统所用模/数转换器为AD7705电压采集芯片，其具有16位精度，可进行双通道全差分模拟输入采集，片内包含一个低通数字滤波器，能有效地消除在模/数转换过程中产生的噪声，而且片内包含一个1～128倍增益的可编程放大器，通过设置不同的增益倍数，可相应的提高测量精度。

2.3.1 硬件设计

AD7705与STM32F103VE连接电路见图3，经过AD7705转换的数字量便可写入NRF24L01进行无线传输。

图3 AD7705接口电路

2.3.2 软件控制

对AD7705的初始化，需要对相应参数进行配置，AD7705采用双通道全差分工作方式，增益倍数为1，刷新速率为500 Hz。

AD7705对两个通道的采集不能同时进行，在电路中采集双通道电压，需要在两个采集通道之间进行切换，在每次切换通道之后需要进行芯片内部的自校准，如图4所示。

TM7705_WriteByte（REG_SETUP " WRITE | CH_1）；

//写通信寄存器，下一步是写设置寄存器，通道1 TM7705_WriteByte（MD_CAL_SELF | __CH1_GAIN_BIPOLAR_BUF | FSYNC_0）； //启动自校准

TM7705_WaitDRDY（）； //等待自校准完成

TM7705_WriteByte（0x38）；

//向通信寄存器写入读取数据寄存器中数据的指令

图4 AD7705工作流程

2.4 无线模块

NRF2401芯片内置硬件CRC校验和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器、晶体振荡器和调制解调器[3]。

NRF2401提供直接模式和突发模式两种通信模式。直接模式需要在发送前添加校验码和地址码，在接收端判断本机地址并检查数据传输[4]。而突发模式不仅功耗低，抗干扰能力强，而且数据可从低速控制器写入，无需添加校验，并以1 Mb/s高速发射，因此采用突发模式可以使系统达到更高的工作效率。

2.4.1 硬件设计

NRF24L01电路如图5所示。

2.4.2 软件控制

SPI_Write_Buf（（WRITE_REG1 + TX_ADDR）， TX_ADDRESS， TX_ADR_WIDTH）；

//写本地地址

SPI_Write_Buf（（WRITE_REG1 + RX_ADDR_P0）， RX_ADDRESS， RX_ADR_WIDTH）；

//写接收端地址SPI_RW_Reg（（WRITE_REG1 + RF_CH）， 0）； //设置信道工作为2.4GHZ，收发必须一致

SPI_RW_Reg（（WRITE_REG1 + RF_SETUP）， 0x07）；

//设置发射速率为1 MHz，发射功率为最大值0 dB

SPI_RW_Reg（（WRITE_REG1 + RX_PW_P0）， RX_PLOAD_WIDTH）； //设置接收数据长度，本次设置为32 B

SPI_WR_Reg（WRITE_REG1 + CONFIG， 0x0f）； //接收模式

SPI_WR_Reg（WRITE_REG1 + CONFIG， 0x0e）； //发射模式

图5 NRF24L01电路

3 软件设计及计算方法

3.1 软件设计流程

首先进行各部分初始化，单片机部分主要包括时钟、I/O口、SPI、定时器和外部中断的初始化，AD7705的初始化包括进行自校准以及配置刷新速率，无线模块的初始化主要为工作模式的配置。经过初始化，单片机通过SPI1读取AD7705采集到的数据，再通过SPI2把数据写入到发射端的无线模块，启动无线发射，并判断NRF24L01是否发送成功，如果未成功，则重新启动发射。接收端单片机通过NRF24L01接收中断判断成功接收到数据，单片机读取数据后通过CAN总线传送至上位机进行存储。

3.2 计算方法

AD7705采集到的电压为Vadc，则采集电路两端的电压为：

[Volt=Vadc×2 50065 535] （1）

PT1000的电阻值：[R=VCCR10+R19+VoltVCC-VCCR10+R19+VoltR9] （2）

实际应用中选取的电阻值如下：R9=3 983.6 Ω，R10=3 959.4 Ω，R19=748.3 Ω，VCC=5 V。

根据式（1）、式（2）可计算出PT1000的电阻值，通过查询PT1000分度表可得到当前的温度值。

4 实际测试及结果

将密封好的模块置于专业制冷测试的冰箱中，开启系统后，系统正常工作，将冰箱调节至不同温度进行测试，每隔1 min记录1次数据。从数据中抽取在-40 ℃时的数据，制成图6温度曲线。

图6 温度曲线

5 结 语

该系统摆脱了信号线的束缚，使用更为灵活，采集精度高，误差在0.3 ℃以内，结构简单，但在远距离的情况下受障碍物干扰较大，需进一步改善本系统，以提高其在复杂环境下的通信距离。

参考文献

[1] 刘建平.单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF24L01及其应用[J].国外电子元器件，2004（12）：36⁃38.

[2] 王永宏，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex⁃M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz无线通信系统设计[J].无线电通信技术，2011，3（4）：45⁃46.

[4] 于超然.基于NRF24L01无线模块的井下流量数据传输设计[J].现代电子技术，2014，37（15）：41⁃44.

[5] 张莉，董银丽.牛顿法与解析法在Pt100铂热电阻温度计算中的特性分析[J].现代电子技术，2010，33（11）：135⁃137.

[6] 陈志文，王玮.基于Pt100铂热电阻的温度变送器设计与实现[J].现代电子技术，2010，33（8）：197⁃199.