新型無線傳感器遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1引言

　　近年來，隨著無線通信技術(shù)的成熟，無線傳感器遙測系統(tǒng)呈現(xiàn)出其巨大的優(yōu)越性。遙測系統(tǒng)在于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度等參數(shù)測量，以解決被測地點(diǎn)與儀表室或控制室距離較遠(yuǎn)，或被測參數(shù)地點(diǎn)有害人身安全的問題。本系統(tǒng)利用基于射頻芯片CC2420和單片機(jī)AT89S53為核心的無線傳感器硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種簡單、數(shù)據(jù)傳輸精度高、抗干擾能力強(qiáng)的新型遙測系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要用于有強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場干擾且不便于近距離測量的場合。本文以遙測溫度為例來說明設(shè)計(jì)思想。

　　2 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)主要有四部分組成：數(shù)據(jù)采集部分;數(shù)據(jù)處理部分;無線通信部分;接收顯示部分。其中數(shù)據(jù)采集部分由傳感器、信號(hào)調(diào)整電路、光電隔離及A/D轉(zhuǎn)換組成。接收顯示電路部分由解碼器、七段碼譯碼器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)碼顯示電路等組成。發(fā)送電路中采用了編碼器，在接收電路中相應(yīng)增加了解碼器，從而有效控制了由無線信道噪聲或干擾造成的差錯(cuò)，同時(shí)也擴(kuò)展了射頻電路發(fā)送數(shù)據(jù)的容量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選用的器件都具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠適用于有強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場干擾的工業(yè)場合。

　　本系統(tǒng)是一種通用的遙測系統(tǒng),只要變換不同的傳感器，并調(diào)整調(diào)理電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)，修改計(jì)算處理軟件程序,就可以達(dá)到遙測各種測量參數(shù)的目的[4]。本設(shè)計(jì)中，選用的無線通信芯片是CC2420，單片機(jī)是AT89S53。系統(tǒng)總體方案流程圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體方案流程圖

　　3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1.1數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)選用HD01系列溫度變送器。它是一種將溫度傳感器(熱電阻和熱電隅信號(hào))，經(jīng)全隔離放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的直流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測信號(hào)精確測量的儀器。該變送器輸入、輸出、電源三方全隔離隔離，抗干擾能力強(qiáng)，且輸入、輸出選擇范圍寬，對(duì)應(yīng)溫度范圍-200～1600℃內(nèi)各量程，準(zhǔn)確度高，電源可選擇，導(dǎo)軌安裝便于檢測與維護(hù)。

　　溫度變送器可對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)測量信號(hào)的調(diào)理(如濾波、放大等)、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)校正和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。它能把傳感器檢測的電信號(hào)變成4～20mA的直流信號(hào)。信號(hào)調(diào)整電路負(fù)責(zé)把溫度傳感器的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最簡單的方法是在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻，但這樣的電壓零點(diǎn)信號(hào)不是0V，所以一般采用I/V轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)采用了RCV420變換器。

　　現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的模擬信號(hào)的線性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離。電耦合器隔離性能好，輸入端與輸出端實(shí)現(xiàn)了電隔離;光信號(hào)單向傳輸，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無反饋，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號(hào)傳遞;光信號(hào)不受電磁干擾，工作穩(wěn)定可靠;抗共模干擾能力強(qiáng)，能很好地抑制干擾并消除噪音。耦合器因?yàn)槠洫?dú)特的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特別使用于有強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場干擾的場合。本系統(tǒng)采用Agilent公司的光耦HCNR201。

　　A/D芯片是系統(tǒng)的核心器件之一，測量的精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)采用了MC14433，它具備零漂補(bǔ)償和采用CMOS工藝制造的3 1/2位單片雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。由于它的低速轉(zhuǎn)換，因此只能對(duì)一些變化緩慢的物理參數(shù)如溫度、持續(xù)壓力和拉力進(jìn)行轉(zhuǎn)化。其采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼分時(shí)在Q0～Q3輪流輸出，同時(shí)在DS1～DS4端輸出同步字位選通脈沖，讀書直觀，應(yīng)用于各種儀器儀表。