一種低耗能溫度變送器的研究與設(shè)計(jì)

II一種低耗能溫度變送器的研究與設(shè)計(jì)摘要工業(yè)的無線電技術(shù)是建立在工業(yè)環(huán)境下，利用無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的無線通信。這種通信方式具有諸多的通訊優(yōu)勢(shì)，如抗干擾的能力強(qiáng)且能耗低等，能夠通過這些優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工廠的自動(dòng)化檢測(cè)等項(xiàng)目的實(shí)施，能夠在一些環(huán)境惡劣的情況下，如施工環(huán)境困難，存在高污染作業(yè)場(chǎng)合時(shí)，能夠進(jìn)行自動(dòng)化控制設(shè)備的狀態(tài)。傳統(tǒng)溫度變送器是通過專用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行作業(yè)，這種作業(yè)方式完成后再通過模擬電路將信號(hào)變換成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)傳輸?shù)接脩舳恕，F(xiàn)階段工廠中溫度檢測(cè)中數(shù)據(jù)仍舊是通過有線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣的傳輸方式v恒本高，并且可移動(dòng)性茶，不能進(jìn)行機(jī)動(dòng)的布局，當(dāng)碰到需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或者機(jī)動(dòng)的作業(yè)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)工作的高效運(yùn)行，并且在很多場(chǎng)合都不適應(yīng)，傳統(tǒng)有線溫度變送器的實(shí)際應(yīng)用收到的限制很多。隨著科技的發(fā)展和實(shí)際的應(yīng)用，現(xiàn)如今就的電子和通信都得到了迅猛的發(fā)展，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與應(yīng)用，這個(gè)領(lǐng)域的控制研究逐步成為了研究的重點(diǎn)。本文正是在這樣的研究背景下，以溫度參數(shù)測(cè)量為研究基礎(chǔ)，研究在變送器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中采用低功耗的元器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種大量程、低功耗的無線溫度變送器，在節(jié)點(diǎn)運(yùn)行機(jī)制方面采用定期休眠的方法，將變送器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量范圍控制在-50℃-900℃之間。通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)證明，該功耗的研究方法是可行的，關(guān)鍵詞：溫度變送器；低耗能；無線傳感器論文類型：XXX

目錄1引言 12低耗能測(cè)溫系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 13硬件設(shè)計(jì) 23.1低耗能溫度變送器硬件設(shè)計(jì) 23.1.1低耗能溫度變送器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23.1.2信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 33.1.3射頻天線的設(shè)計(jì) 43.2主控器硬件設(shè)計(jì) 53.2.1復(fù)位電路 53.2.2JTAG接口電路 53.2.3電源電路 63.2.4存儲(chǔ)電路 73.2.5485總線通信電路 74系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 84.1無線溫度變送器軟件設(shè)計(jì) 84.1.1數(shù)據(jù)采集主程序設(shè)計(jì) 84.1.2溫度采集程序設(shè)計(jì) 94.1.3電池電壓測(cè)量程序設(shè)計(jì) 114.1.4休眠定時(shí)器設(shè)置 124.2數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 124.2.1數(shù)據(jù)中心主程序設(shè)計(jì) 124.2.2RS-485通信程序設(shè)計(jì) 134.3路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 145實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 155.1溫度變送器功耗測(cè)試 155.2溫度變送器精度測(cè)試 156結(jié)語(yǔ) 16參考文獻(xiàn) 16致謝 171引言溫度變送器在整個(gè)過程控制儀表中占據(jù)重要的位置，溫度變送器最常見的功能是用于對(duì)溫度的測(cè)量與控制，不僅如此，還常用在參數(shù)的測(cè)量與控制中，作為一個(gè)校正參數(shù)而存在，能夠?qū)ο嚓P(guān)的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量與控制。傳統(tǒng)的有線控制需要進(jìn)行不限，這樣的測(cè)量十分的復(fù)雜也需要大量的電線，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫元件能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸并傳達(dá)到中心控制室?，F(xiàn)如今過程檢測(cè)系統(tǒng)隨著發(fā)展需要不斷地進(jìn)行擴(kuò)大，現(xiàn)階段工廠中溫度檢測(cè)中數(shù)據(jù)仍舊是通過有線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣的傳輸方式成本高，并且可移動(dòng)性茶，不能進(jìn)行機(jī)動(dòng)的布局，當(dāng)碰到需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或者機(jī)動(dòng)的作業(yè)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)工作的高效運(yùn)行，并且在很多場(chǎng)合都不適應(yīng)，傳統(tǒng)有線溫度變送器的實(shí)際應(yīng)用收到的限制很多?，F(xiàn)階段無線傳感的技術(shù)在不斷的發(fā)展，在很多領(lǐng)域的工作都選用無線的方式進(jìn)行工作的檢測(cè)和無線電的運(yùn)用，并去得到了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展?，F(xiàn)階段很多的工程選用的是無線溫度變送器一般都采用電池供電，當(dāng)電池出現(xiàn)問題時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和工程就會(huì)受到極大的威脅和影響，其次無線溫度的變送器的電池并不能經(jīng)常的進(jìn)行更換，需要使用很長(zhǎng)的年限，因此出現(xiàn)問題就會(huì)變得異常麻煩?，F(xiàn)階段遇到的麻煩對(duì)低能耗的無線溫度變送器進(jìn)行開發(fā)就變得十分重要，以水泥生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯筒體溫度檢測(cè)為例子，在本文中將業(yè)中常用的溫度傳感器PT100作為測(cè)溫元件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。2低耗能測(cè)溫系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)我們?cè)趯?shí)際的運(yùn)用過程中可以發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)板塊，如中央的庫(kù)里控制器，JTAG加密編程接口以及數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存的等，都是十分常見的。詳細(xì)的系統(tǒng)部分可以參見圖2.1。由需要獲取所需要的數(shù)據(jù)，尤其是壓力傳感器方面，能夠利用一定的信號(hào)來源進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣的控制可以利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并得出相關(guān)的壓力數(shù)據(jù)。壓力的數(shù)據(jù)得出后，就會(huì)向外發(fā)送信號(hào)，這種發(fā)送信號(hào)的方式主要是利用ZigBee收發(fā)模塊。在整個(gè)過程中能夠根據(jù)現(xiàn)階段的狀態(tài)得出所需的壓力值，并且根據(jù)過ＲS-485通信接口和上面的棘口相連，利用壓力變送器進(jìn)行傳送，最后獲得一系列的數(shù)據(jù)。電源模塊電源模塊中央控制器A/D轉(zhuǎn)換器加HTAG加密編程接口中央控制器A/D轉(zhuǎn)換器加HTAG加密編程接口加傳感器信號(hào)調(diào)理模塊加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊加傳感器信號(hào)調(diào)理模塊加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊加ZigBee收發(fā)模塊ZigBee收發(fā)模塊LCD顯示模塊加RS-485通信接口LCD顯示模塊加RS-485通信接口圖2.1系統(tǒng)框圖在這個(gè)測(cè)試中所運(yùn)用的電源主要是3.3V的電壓的電源模塊，主要的功能就是為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，由芯片和供電傳感器等部分共同組成。這個(gè)系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)模塊的型號(hào)是24LC32，儲(chǔ)存卡的容量是32KB，并且所使用的供電電壓為2.5V。該系統(tǒng)的LCD顯示模塊主要的型號(hào)為L(zhǎng)CM141C-01，這是一個(gè)加條碼的液晶顯示模塊，這個(gè)顯示屏的好處在于清晰度高，并且可以進(jìn)行灰度調(diào)整，操作間接，是由微量功耗的產(chǎn)品，他所適應(yīng)的工作電壓值在2.7-5.2V。最后就是信號(hào)的處理模塊，這個(gè)模塊主要的功能就是對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行提取，并且能增強(qiáng)電路的信號(hào)。另外一個(gè)是A/D轉(zhuǎn)換器，這個(gè)轉(zhuǎn)換器的型號(hào)芯片為AD7794，他的有點(diǎn)就在于功耗低，并且能夠融入終端，這就為降低噪聲和功耗提供了準(zhǔn)備，是最適合低功耗與精度測(cè)試的要求。中央的控制器主要是美國(guó)的一起，型號(hào)為MSP430F149，它最大的優(yōu)勢(shì)就是他的低功耗，并且能夠高速處理，開發(fā)更為方便也更為豐富。3硬件設(shè)計(jì)3.1低耗能溫度變送器硬件設(shè)計(jì)3.1.1低耗能溫度變送器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.1顯示的是無限溫度變送器，這是一個(gè)最小的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)所才有的主要的是微處理器CClll0，電源電路、兩個(gè)晶振電路、復(fù)位電路以及下載電路。對(duì)其型號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，供電的帶能源采用的主要是3.6v的電池，這個(gè)電池可以進(jìn)行直接的供電，為能力極強(qiáng)的鏗電池。這個(gè)電池內(nèi)部有兩個(gè)晶振時(shí)鐘存在兩個(gè)類型，根據(jù)工作狀態(tài)的不同會(huì)選擇不同的時(shí)鐘。還有就是復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，主要就是保證整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)處于正常狀態(tài)下的運(yùn)行。復(fù)位電路存在一個(gè)總開關(guān)，配合一個(gè)電阻和電容。通電前的準(zhǔn)備，就是將RESET端的電壓調(diào)整為0，通電后會(huì)進(jìn)行充電，主要是VCC對(duì)C13進(jìn)行充電。整個(gè)充電的過程不是一次性的變化，而是需要持續(xù)的低電平后，利用其中的RESET引腳完成最后實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)的復(fù)位。當(dāng)總開關(guān)閉合，就會(huì)有電荷放出，這時(shí)候RESET引腳電平處于低的狀態(tài)，開關(guān)打開后就會(huì)重復(fù)以上的上電復(fù)位。次啊再扣的設(shè)置就更為簡(jiǎn)單，只需要信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)。圖3.1無線溫度變送器最小系統(tǒng)3.1.2信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)信號(hào)的處理放大器所采用的是儀用放大芯片，該芯片的型號(hào)為AD627，這個(gè)芯片最突出的優(yōu)勢(shì)就是能耗低，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單使得操作方便且靈活，另外搭配上一個(gè)電阻，就可以實(shí)現(xiàn)高的增益，增益調(diào)節(jié)的區(qū)間在5-1000。這個(gè)信號(hào)處理電路的最低工作電壓可以低脂2.2V。其次這個(gè)信號(hào)所涉及的有一個(gè)REF端口，可以利用設(shè)計(jì)的相關(guān)需求調(diào)整，如利用端口的入口進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠利用放大器調(diào)節(jié)到適合的范圍中，這個(gè)范圍一定是與A/D檢測(cè)相匹配的范圍。其次就是溫度的檢測(cè)，所選用的是鉑熱電阻傳感器，這個(gè)傳感器所采用的是三線制接法，能夠與系統(tǒng)中的臂橋相連接，能實(shí)現(xiàn)低能耗的提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的電橋電壓。信號(hào)采集電路的供電由MOS管65250統(tǒng)一控制，當(dāng)溫度變送器在工作期間單片機(jī)通過控制G5250的使能控制端去打開工作電源，當(dāng)溫度變送器體眠期間單片機(jī)控制G5250使能端斷開工作電源。該MOS管的工作電壓在2.2V-5V之間，靜態(tài)工作電流只有65uA，最大的關(guān)斷電流只有1uA。信號(hào)處理電路如圖3.2所示:圖3.2信號(hào)處理電路3.1.3射頻天線的設(shè)計(jì)射頻天線的設(shè)計(jì)主要有兩種方式，分別是采用PCB的天線或者是外接的天線。采用PCB天線的根據(jù)是該設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)理論得出，能夠根據(jù)詳細(xì)的演算去繪制電路，這個(gè)電路能在電路板上實(shí)現(xiàn)電磁波的感測(cè)和信息的收發(fā)。其中涉及到一種單機(jī)天線，這是一個(gè)有線導(dǎo)體天線，能夠?qū)Φ孛嫔系拇怪痹M(jìn)行輸出。圖3.3射頻天線電路3.2主控器硬件設(shè)計(jì)3.2.1復(fù)位電路復(fù)位電路的構(gòu)成主要包括三個(gè)部分，其分別是一個(gè)10K阻值的電阻，一個(gè)luf的電容C23，一個(gè)開關(guān)按鍵RST1。該復(fù)位電路可以手動(dòng)復(fù)位也可以自動(dòng)復(fù)位。在通電前，開關(guān)REST的電壓為0，當(dāng)電路接通之后C23電容開始充電，在這個(gè)過程中，電容的電壓從0開始一直到3.3V慢慢飽和，這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，而非瞬發(fā)過程。因此，REST端可以一直保持較低的電平值，而這個(gè)過程中，復(fù)位開關(guān)能夠完成自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)啟動(dòng)RST1開關(guān)時(shí)，C23上電容里的電荷被釋放，REST端口的電壓又瞬間恢復(fù)為0，當(dāng)RST1開關(guān)松開之后，該過程又和通電的過程如出一轍，如圖3.4所示。圖3.4復(fù)位電路原理圖3.2.2JTAG接口電路JTAG下載接口最常被使用，他的接連方式簡(jiǎn)單因此得到了普遍的推廣，他利用的是ARM處理器，需要簡(jiǎn)單的信號(hào)線就能完成功能的在線調(diào)節(jié)。具體電路圖如圖3.5所示。圖3.5JTAG接口硬件原理圖3.2.3電源電路對(duì)主控器電源進(jìn)行控制的方面很多，主要就是微處理和相關(guān)設(shè)備的供電處理，能夠根據(jù)電壓進(jìn)行不同的分工與操作，當(dāng)金星不通過作業(yè)時(shí)所需要的電源電壓也有所不同，主要是3.3V和5V。3.3V常用于電源系統(tǒng)中最小的系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行供電，此時(shí)的功率普遍大于200mW，5V電源功率一般大于33mW，多用在蜂鳴器這種大型宮殿的使用。在此次實(shí)驗(yàn)中最需要注意的是供電的轉(zhuǎn)化，能夠根據(jù)主控器的需要實(shí)現(xiàn)5V和3.3v之間的轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)中的3.3V電源是由SV電源經(jīng)過SPX1117-3.3線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到，這款芯片具有低壓差的特點(diǎn)，最低壓差可以達(dá)到1.1V，同時(shí)可提供最大到800mA的穩(wěn)定電流，具體電路如圖3.6所示。圖3.63.3V電源電路原理圖3.2.4存儲(chǔ)電路對(duì)電路的存儲(chǔ)也很重要，需要進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存，這個(gè)常用于嵌入式的設(shè)計(jì)，并且利用一些外部的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如FLASH、EEPROM或者SD卡等。在本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需要用戶設(shè)定一定的參數(shù)來讓主機(jī)進(jìn)行預(yù)警。本次實(shí)驗(yàn)所涉及的數(shù)據(jù)線較少，因此選用的儲(chǔ)存零件也會(huì)更小，節(jié)省空間并且便于安裝使用，選擇的是EEPROM來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)與接口的連接，形成STMF103連，這樣的連接方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接儲(chǔ)存與填寫，具體的堤岸路如圖3.7。圖3.7存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)圖3.2.5485總線通信電路工業(yè)數(shù)據(jù)的測(cè)量最為普遍，選取的是485總線，這個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定于建嶸，此次設(shè)計(jì)就是將其作為數(shù)據(jù)的控制與主要的通信方式。。RS-485通信最早問世于1983，由電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定并發(fā)布，他彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)通信的很多不足，并且在原來的通訊基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)與發(fā)展。他有多個(gè)方式通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)總線上進(jìn)行多個(gè)方式的連接，這種了連接方式拓展了整體的功能，更加具有保護(hù)性，并且其驅(qū)動(dòng)能力和規(guī)模范圍也有所擴(kuò)大。RS-485通信接口還能實(shí)現(xiàn)降噪模式的處理，能夠擴(kuò)大通訊的距離與范圍，這都由于他內(nèi)在的差分接收器和平衡的驅(qū)動(dòng)器發(fā)揮作用的原因，這個(gè)使得他的最大傳輸速度可以達(dá)到達(dá)10Mb/s，距離可以遠(yuǎn)至1200m。這個(gè)通訊的創(chuàng)新使得利用最短的電線傳輸最大的通訊，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步和創(chuàng)新。本文選區(qū)的正是SP485作為RS-485通信芯片，這個(gè)芯片的作用極大，能夠?qū)崿F(xiàn)起保護(hù)的增強(qiáng)并實(shí)現(xiàn)其收發(fā)，并優(yōu)化以往的收發(fā)器存在的不足。具體的電路模式如3.8所示。圖3.8RS-485通信接口電路原理圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1無線溫度變送器軟件設(shè)計(jì)4.1.1數(shù)據(jù)采集主程序設(shè)計(jì)無線溫度的變送器采集端的作用很大，選喲完成電池電壓的測(cè)量，能夠節(jié)后很多無限通信的數(shù)據(jù)，并接收到接口處，具體的設(shè)計(jì)如圖4.1所示。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化進(jìn)入休眠模式使能相關(guān)中斷進(jìn)入休眠模式使能相關(guān)中斷定時(shí)器喚醒搜尋到網(wǎng)絡(luò)N N定時(shí)器喚醒搜尋到網(wǎng)絡(luò)采集溫度發(fā)送Jion請(qǐng)求Y Y采集溫度發(fā)送Jion請(qǐng)求成功加入網(wǎng)絡(luò)采集電壓 N成功加入網(wǎng)絡(luò)采集電壓發(fā)送Link請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)Y發(fā)送Link請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束成功建立連接 N N發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束成功建立連接 Y圖4.1無線采集主程序流程圖隨后是溫度變送器需要進(jìn)行上電，根據(jù)初始化的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如看門狗和定時(shí)器的設(shè)計(jì)。當(dāng)初始化的程序完成后，可以根據(jù)溫度的需要進(jìn)行設(shè)備的傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)在中心設(shè)備檢測(cè)搭配網(wǎng)絡(luò)時(shí)候會(huì)受到溫度變送器的請(qǐng)求。隨著溫度變送器的數(shù)據(jù)搜集，會(huì)收到數(shù)據(jù)的信號(hào)就會(huì)入網(wǎng)成功，隨著數(shù)據(jù)的變化會(huì)接受到設(shè)備重新發(fā)射的信號(hào)。這種Link信號(hào)伊迪娜被接受，就可以接收到變送器和數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。當(dāng)變送器和數(shù)據(jù)中心成建立之后，能設(shè)定時(shí)間休眠，再根據(jù)工作的周期進(jìn)行工作的喚醒，也可以根據(jù)喚醒時(shí)間進(jìn)行休眠的設(shè)變。在一定的時(shí)間設(shè)定下可以進(jìn)行喚醒的設(shè)定，能夠進(jìn)行溫度的設(shè)定和采集，能夠?qū)⒃O(shè)定的反饋回來。4.1.2溫度采集程序設(shè)計(jì)溫度采集程序的軟件流程框圖如圖4.2所示，溫度數(shù)據(jù)測(cè)量是一個(gè)電路中重要功能，數(shù)據(jù)的測(cè)量需要一個(gè)具體的精度，但又常常受到外界的影響。需要在保證測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上還要注重能好得使用，能夠最大程度降低能耗。在實(shí)際的測(cè)算中經(jīng)常采用的手段是利用可續(xù)的計(jì)算方法得出實(shí)驗(yàn)的溫度。受到外界影響時(shí)，尤其是受到環(huán)境的干擾時(shí)，AD采集的值可能會(huì)與實(shí)際值產(chǎn)生一定的偏差，因此在采集數(shù)據(jù)時(shí)要多次采集，一次的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，得出的數(shù)據(jù)有一定的偏差沒有可靠性。在實(shí)際的發(fā)展過程中，常常會(huì)利用AD進(jìn)行序列組的采樣，這樣獲得數(shù)據(jù)更接近實(shí)際操作的數(shù)據(jù)。本文正是利用這樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)，一種去極值數(shù)字濾波算法，具體的的算法是利用信號(hào)測(cè)量值的多次記錄并進(jìn)請(qǐng)求和處理，篩選掉機(jī)制溫度，求平局值，得出的平均值與真實(shí)的電壓情況最為接近，本次測(cè)量中的取樣數(shù)為256。開始開始V[i]＞MaxV[i]＞Max定義變量Max,Min定義變量Max,Mini=0,Max=Min=V[0]設(shè)置循環(huán)次數(shù)i=0,Max=Min=V[0]設(shè)置循環(huán)次數(shù)V[i]＜Min開啟定時(shí)器中斷V[i]＜Min開啟定時(shí)器中斷 N Min=V[i]低耗能模式 Min=V[i]低耗能模式Vsum+=[i]Vsum+=[i]睡眠定時(shí)器中斷 N睡眠定時(shí)器中斷i++i++i=256采集數(shù)據(jù)i=256采集數(shù)據(jù) N數(shù)據(jù)處理i=0,Max=Min=V[0] Y數(shù)據(jù)處理i=0,Max=Min=V[0]發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 圖4.2溫度采集程序軟件流程框圖本次程序?qū)嶒?yàn)我們選擇了速度最快也最節(jié)約資源的運(yùn)算方法，主要是查表法和線性插值的算法，能夠?qū)崿F(xiàn)在PT100鉑熱電阻傳感器的更這個(gè)，首先我們可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行一個(gè)溫度電阻表的建立，這個(gè)建立可以在ROM中實(shí)現(xiàn)，因此我們?cè)谥虚g選取了100個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)的選取范圍為在0-450，祖居為5攝氏度，這樣形成了R[i](阻值)與T[i](溫度)的一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)開始，溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，將最終得到的值Rx通過二分查表，與標(biāo)定值R[i]進(jìn)行比較，當(dāng)確定電阻區(qū)間R[i]<Rx<R[i+1]后，再用線性插值法就可以得到溫度值Tx，即公式(4.1)所求。TX=T[i]+RX由于表中每間隔攝氏度標(biāo)定了一個(gè)電阻值，所以實(shí)際溫度值即公式(4.2)所TX=T[i]+5*Ri+14.1.3電池電壓測(cè)量程序設(shè)計(jì)變送器的使用是無人化的使用，這個(gè)過程中沒人人員進(jìn)行看守，因此設(shè)定能夠自動(dòng)化實(shí)時(shí)進(jìn)行工作狀態(tài)的跟蹤十分重要，尤其是能夠?qū)ぷ鳡顟B(tài)有所了解也十分重要。另外就是電池電壓的測(cè)量與設(shè)定，可以隨時(shí)知道電壓的工作情況，當(dāng)電池不足或者處于欠壓狀態(tài)時(shí)，可以及時(shí)的對(duì)客戶進(jìn)行提醒并及時(shí)更換裝備。電磁的具體測(cè)量程序如4.3所示。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化配置采樣通道和參考電壓配置采樣通道和參考電壓設(shè)定采樣次數(shù) 設(shè)定采樣次數(shù)低功耗模式 低功耗模式睡眠定時(shí)器中斷 睡眠定時(shí)器中斷 N采樣值中值濾波啟動(dòng)AD采樣 Y采樣值中值濾波啟動(dòng)AD采樣AD采樣啟動(dòng)AD采樣啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)采樣次數(shù)+1采樣次數(shù)+1采樣完成采樣完成 圖4.3電池電壓測(cè)量程序流程圖如圖，我們可以進(jìn)行更進(jìn)一步的操作，首先是對(duì)設(shè)備的初始化操作，能夠?qū)D(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)備的配置與調(diào)試，因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)中的電量與電壓是時(shí)刻變化的，所以選取測(cè)量的時(shí)間就變得極其重要。該設(shè)備中的CC1110單片機(jī)可以滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的需要，主要針對(duì)的是電源電壓和相關(guān)模擬電壓的功能，實(shí)際的操作中我們無法對(duì)電源和電壓進(jìn)行之記得測(cè)量。其次就是必須選用穩(wěn)定性較好的參考電壓，在本文實(shí)驗(yàn)中選擇的為1/3的模擬電壓。接下來就是外部基準(zhǔn)源的選擇，需要參考電壓，在該實(shí)驗(yàn)中選擇的的鏗電池電壓正好滿足要求，其基準(zhǔn)電壓為1.2v。根據(jù)流程圖和分析我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論，那就是需要正確的選擇AD采樣配置并且進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)采集，得出最終的數(shù)據(jù)選項(xiàng)。4.1.4休眠定時(shí)器設(shè)置溫度變送器在實(shí)際的運(yùn)用中需要進(jìn)行休眠的設(shè)定。溫度的變化會(huì)造成電池公共點(diǎn)的方式有所不同，因此休眠定時(shí)可以降低一定的系統(tǒng)功耗，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說十分重要。其次就是如何對(duì)溫度變送器進(jìn)行休眠，最常見的方式就是利用無限溫度變送器，他的數(shù)據(jù)與整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)項(xiàng)連接后，就會(huì)隨著時(shí)間的變化進(jìn)行同步設(shè)計(jì)。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間上的同步處理。其次是在這個(gè)工作條件下環(huán)形的可以減少時(shí)間差距所產(chǎn)生的變送器的不同步，減少工作定時(shí)器喚醒的通訊問題及可能產(chǎn)生的影響。采用公式(4.3)來使設(shè)備的喚醒時(shí)間分突開，TSTART=ID*TSLOT(4.3)在這個(gè)公式中，TSTAR代表的是休眠結(jié)束的時(shí)間。該公式所得出的結(jié)果能保證每個(gè)溫度變送器都能實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)間的喚醒，這樣能夠方式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的缺失或者其他可能存在的問題。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送到中心后，會(huì)進(jìn)入到休眠狀態(tài)，一旦到達(dá)設(shè)定的時(shí)間會(huì)再次喚醒，進(jìn)行循環(huán)的記錄。這樣的程序模式從根本上降低了能耗來保證其使用時(shí)間和通訊的可靠性。4.2數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)4.2.1數(shù)據(jù)中心主程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的作用十分突出，需要進(jìn)行星狀網(wǎng)絡(luò)的建立，能夠?qū)⒐芾淼臏囟人腿刖W(wǎng)格中，并獲取電池電壓中的數(shù)據(jù)并反傳至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的主要模式和節(jié)點(diǎn)如圖4.4所示。根據(jù)所設(shè)計(jì)的模型格式，數(shù)據(jù)中心一旦通電第一步就是初始化的程序運(yùn)用，即對(duì)所有的數(shù)據(jù)和資源實(shí)現(xiàn)初始化。最后根據(jù)SMPL_Init(sCB)函數(shù)初始化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行通訊的控制。樹蕨中心可以根據(jù)所得到的反回至進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，根據(jù)接收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的決策，來分辨是溫度變送器和網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。得到的是溫度變速器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，就會(huì)條用調(diào)用SMPL-SLinkListen()進(jìn)行后續(xù)的入網(wǎng)處理，如果是網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，就會(huì)進(jìn)入另一個(gè)調(diào)用SMPL-Send()進(jìn)行書的傳輸。這些數(shù)據(jù)都最終會(huì)回到主控器中。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化使能相關(guān)中斷使能相關(guān)中斷網(wǎng)絡(luò)建立成功網(wǎng)絡(luò)建立成功 N偵聽是否有信號(hào) Y偵聽是否有信號(hào) N判斷收到的信號(hào) Y判斷收到的信號(hào)收到的為數(shù)據(jù)幀收到的為Jion請(qǐng)求信號(hào)收到的為數(shù)據(jù)幀收到的為Jion請(qǐng)求信號(hào)讀取采集數(shù)據(jù)建立連接，分配地址讀取采集數(shù)據(jù)建立連接，分配地址數(shù)據(jù)通過485總線發(fā)送給主控器數(shù)據(jù)通過485總線發(fā)送給主控器圖4.4數(shù)據(jù)中心程序流程圖4.2.2RS-485通信程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心通過通訊程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的傳輸，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心中，最常采用的就是RS-485總線通訊方式。也就是說，無線的溫度變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，會(huì)根據(jù)協(xié)議的內(nèi)容發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)。具體的通訊模式如圖圖4.5所示。發(fā)射信號(hào)是第一步，只有使得485處于發(fā)送信號(hào)的狀態(tài)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，并且利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的編寫與寄存，并打包給數(shù)據(jù)中心進(jìn)行判斷，判斷其完整性與有效性。調(diào)用SMPL-Send()開始開始使能485發(fā)送器使能485發(fā)送器配置發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)配置發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)清除發(fā)送標(biāo)志位清除發(fā)送標(biāo)志位寫發(fā)送數(shù)據(jù)到寫發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)發(fā)送成功 N數(shù)據(jù)發(fā)送成功 發(fā)送計(jì)數(shù)+1發(fā)送計(jì)數(shù)+1數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束 N 結(jié)束結(jié)束圖4.5通信程序流程圖4.3路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)路由器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也十分重要，這個(gè)節(jié)點(diǎn)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域也稱為范圍的擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)。這個(gè)需要依賴一定的中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，并且這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)會(huì)收到距離的限制，因此會(huì)增加該節(jié)點(diǎn)在其中的控制范圍。該節(jié)點(diǎn)主要的進(jìn)行模式如下，第一步是進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)和硬件的初始化程序，隨后發(fā)送中心數(shù)據(jù)來得到入網(wǎng)的請(qǐng)求。最后路由器節(jié)點(diǎn)加入會(huì)開始進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)的反饋發(fā)送。在進(jìn)行此向程序的時(shí)候是不允許有其他的操作，只能進(jìn)行設(shè)數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。該設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4.6所示。接收數(shù)據(jù)開始接收數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)板級(jí)初始化轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)板級(jí)初始化協(xié)議棧初始化協(xié)議棧初始化是否轉(zhuǎn)發(fā)是否轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)加入成功轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)加入成功 N圖4.6路由節(jié)點(diǎn)軟件流程圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析5.1溫度變送器功耗測(cè)試本次實(shí)驗(yàn)需要對(duì)無限的溫度變送器進(jìn)行篩選，這個(gè)無限的變送器主要依靠采集電路和射頻電路采集數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)采集需要進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的記錄。數(shù)據(jù)通過射頻進(jìn)行中轉(zhuǎn)與發(fā)送。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，我們將不同功耗下的消耗電流進(jìn)行記錄，具體的電流數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1不同模式的耗電測(cè)試功耗模式電流持續(xù)時(shí)間功耗PM270μA10s70mA正常工作32.1mA50ms1605mA從表5.1可以看出:無線溫度變送器每天消耗的能量:P1=70+1065mA?ms/cycle3600000ms/h使用武漢孚安特ER18505M鋰亞硫酰氯電池，其額定電壓為+3.6V，容量為2200mAh綜合考慮電池的損耗，電池只有百分之八十的容量有效，可以計(jì)算出無線溫度變送器的使用周期為(2200mAh/0.1675mA)*80%≈42682h≈437day。5.2溫度變送器精度測(cè)試習(xí)用的正常通訊離不開無限溫度的變送器，并且要對(duì)起進(jìn)行極其精確的測(cè)試，一個(gè)是熱力電阻的精確使用?？梢允褂脺?zhǔn)確度為0.005%的高