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无线通信在智能电器中的应用
本科生毕业设计（论文）
题目：
无线通信在智能电器中的应用—硬件设计
姓名：
学号：
学院：
电气工程与自动化学院
专业：
电气工程与自动化（电气方向）
年级：
2008
指导教师：
（签名）
2012年5月31日
无线通信在智能电器中的应用——硬件设计
摘要
本次设计将设计一个可以应用于中、高压智能电器的无线测温模块，该模块的测温范围是0℃到200℃，允许的最大误差是±（0.5+1%×t）℃。
该模块使用dsPIC33F系列的DSC作为控制核心，以热敏电阻PT100作为测温元件，以超低功耗的芯片nRF24AP2作为无线通信的芯片。
该模块用一个调制电路将PT100的阻值转换为模拟电压信号，控制芯片通过AD采样采集这个模拟电压信号，之后控制芯片通过分段线性插值法将这个模拟信号转换为温度值。
计算出温度值之后，控制芯片将这个温度值用无线传输的方式发送出去。
为了直观观测温度值，接收端的部分使用了数码管显示接收到的温度值。
为了增加模块的可移动性，该无线测温模块使用的电源是纽扣电池。
本次设计所设计的测温模块在软件仿真时已经得到了较准确的仿真结果，之后又在实际的硬件电路上进行了实验，结果证明测温电路的设计可行。
该模块的无线通信部分也经过了硬件调试，得到了较准确的数据。
本次设计的无线测温模块硬件电路简单，测温数据较准确。
该模块具有了无线传感器应该具有的优点，如有优异的绝缘性能、有效的电气隔离作用、可移动性强、无需布线成本等。
该模块性能上已经达到了任务书的要求。
关键字：
无线通信，温度测量，dsPIC33F,PT100,nRF24AP2
TheHardwareDesignofWirelessApplicationinIntelligentElectricalApparatus
Abstract
Thisdesignwilldesignawirelesstemperaturesensorwhichcanapplicationofmediumvoltageandhighvoltageintelligentelectricalapparatus.Thesensortemperaturerangefrom0℃to200℃,themaximumallowableerroris±（0.5+1%×T）℃.ThesensorusesdsPIC33FseriesDSCasthecontrolcore,withPT100thermistorasatemperatureelement,withultralowpowerCMOSchipnRF24AP2asthewirelesscommunicationchip.
TheresistancevalueofthePT100isconvertedtoanalogvoltagesignalbyamodulationcircuitinthemodule.themodule’scontrolchipacquisitionoftheanalogvoltagesignalbytheADsample，andthenthisanalogsignalisconvertedtotemperaturevaluesbypiecewiselinearinterpolation.Next，thecontrolchipwillsendoutthetemperaturebyWireless.Inordertodirectlydetectthetemperature，theReceivingendusethedigitaldisplaytoshowthetemperature.toincreasethemobility,themodulesusethepowerbuttonbatteries.
Thetemperaturemeasurementmoduleachievedcomparableaccuracyinthesimulation．AndthenhaveaExperimentIntheactualhardwarecircuit.Theresultsshowthattemperaturemeasurementcircuitdesignisfeasible.Moreover,thewirelesspartofthedesignhadalsobeentestedanddatareceivedwerecorrect.Topologywassimpleanddatawasaccurate.Thismodulehadtheadvantagesofwirelesssensorsshouldhave,suchastheexcellentinsulatingproperties,electricalisolation,portable,withoutwiringcost.Itsperformancereachedtherequirementsofthecharter.
Keywords:
Wireless,TemperatureMeasurement,dsPIC33F,PT100,nRF24AP2
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第1章绪论1
1.1课题的背景1
1.1.1温度检测的重要性1
1.1.2无线通信概述1
1.1.4ANT网络简介2
1.2本课题的意义3
1.3本次设计需要完成的工作3
第2章整体设计方案及器件简介4
2.1设计的整体方案和整体框图4
2.2控制芯片简介4
2.3无线芯片简介6
2.3.1nRF24AP2的性能特点6
2.3.2nRF24AP2的内部结构6
2.3.3本节小结8
2.4测温元件简介8
第3章硬件电路的设计11
3.1PT100测温电路的设计11
3.2无线模块的硬件电路设计14
3.3数码管显示设计15
3.4控制芯片设计16
3.5发送和接收模块的原理图17
第4章软件设计20
4.1、发送模块和接收模块主程序的流程图20
4.2、测温程序设计21
4.2.1AD采样程序设计22
4.2.2将AD值换算为温度值的程序设计22
4.3无线收发程序设计24
4.3.1nRF24AP2与MCU通信的程序设计24
4.3.2nRF24AP2与nRF24AP2之间的通信27
第5章实验结果及分析33
5.2测温电路的实验结果33
5.3无线模块实验方法与结果35
结论36
致谢37
参考文献38
第1章绪论
1.1课题的背景
智能电器相对传统电器的一大特点是它具有通信功能，它的通信方式按照信息的载体不同而分为有线通信方式和无线通信方式[1]。
目前，因为有线通信技术更为成熟，所以现在智能电器的通信方式以有线通信为主。
但是，随着无线通信技术的不断发展，以及无线通信自身所具有的独特优势，使得无线通信在智能电器中的应用越来越被重视[2]。
使用无线通信方式传送电器设备的温度信息就是无线通信在智能电器中的一个重要应用。
1.1.1温度检测的重要性
温升是智能电器检测的一个重要参数，电器设备需要在规定的温度下才可以正常运行，如果智能电器设备的温度超过最大的允许温升甚至更高时，电器设备就可能出现故障，甚至可能发生重大的运行事故，造成重大的经济损失。
比如，电器设备中电接触的部分是工作环境最恶劣的部分，触头温度过高触头就会受损，触头受损后就可能引起断电等供电事故，这类事故占了电器事故的大部分[3]。
因此，必须对电器设备的温度进行实时的监测，当电器设备温度发生异常时，及时采取相应的措施，以防止电器设备因为温度过高而发生故障。
温度的检测关系到了电器设备能否正常运行，能否保证用电安全，因此，温度的检测在智能电器的应用中非常重要。
1.1.2无线通信概述
无线通信技术是数据通信技术中的一种，它的信号是通过电磁波来传送的，不需要实在的物理载体。
从最初应用在电报中，经过150多年的发展无线通信已经得到了越来越多的应用，他给人们的生活和工业的生产带来了很大的影响，无线通信技术已经成为通信领域中近几年来发展最快的一项技术。
无线通信有无线电、微波、卫星等，在工业控制的微机通信网络中主要使用的是无线电。
无线电波的特点是传播距离远，全方位传播[1]。
当前技术比较成熟的无线通信技术有以下几个：
1.Bluetooth，即蓝牙技术，是无线个域网标准IEEE802.15.1的一部分，它是低功耗、短距离射频通信的标准。
它的通信距离一般在10米以内，它可以在移动电话、无线耳机、笔记本电脑等终端设备之间进行信息传递。
2.Wi-Fi，俗称移动宽带，它可以用来组建以无线局域网。
它可以将个人电脑、手机等终端设备连接都互联网上，它具有高带宽的优点。
3.ZigBee，是由ZigBee联盟根据全球开放的标准开发的一种可靠的、低成本的、短距离的无线网络。
它兼容IEEE802.15.4标准。
ZigBee使用DSSS（直接序列扩频）调制技术，它工作的频率范围是未经许可的868MHz,915MHz和2.4GHz。
它提供的数据传输速率是20-250Kbps。
它的覆盖范围是10-100m。
它支持的拓扑结构有星型、树型和网状型。
ZigBee设备的传输距离和电池的寿命根据拓扑结构的不同而不同。
它适用于远程控制和自动控制领域。
4.ANT。
ANT无线网络是加拿大DynastreamInnovations公司发起并的低功耗无线网络标准。
可以实现以及完成zigbee的大多数应用场景，并具有更低的功耗，更快捷的开发应用周期，无需为协议付费等优点。
Nordic公司推出的nRF24AP2芯片可以组建一个ANT网络，它的最大的优点就是超低功耗[4]。
将无线通信技术应用在传感器中可以做成无线传感器，无线传感器相对于有线传感器将会有很多优点。
例如，无线传输有优异的绝缘特性，在一些应用场合可以起到电气隔离的作用；无线传输的覆盖范围广，它的传输基本不受空间限制，可以拓宽传感器的应用范围；无线传感器的可移动性非常强，传感器在移动中也可以传输数据；无线传感器无需布线，节约了布线成本，特别是传感器分布范围广，分布点数多的情况下，这个优点就更为突出；还有无线传感器在使用过程中无需进行线路检修，而且出现故障时更换也比较方便，特别是工作的环境恶劣，对线路腐蚀比较严重的场合这个优点就更突出[5]。
1.1.4ANT网络简介
本次设计使用的无线芯片是nRF24AP2，它组建起来的无线网络是ANT网络，ANT网络最大的特点就是超低功耗。
可以完成ZigBee的绝大多数场合，ANT都可应用，通过表1-1具体介绍ANT与ZigBee之间的区别。
表1-1ANT与ZigBee基本性能对比
无线网络
ANT
ZigBee
遵循标准
非标准
IEEE802.15.4
控制器要求/kB
2
100
电池寿命（纽扣电池）
3年以上
4～6个月
最大网络容量
232
264
空中传输速率/kbps
1000
250
工作距离/m
约1～30（2.4GHz时）
约1～30（2.4GHz时）
节点配置类型
单发射、单接收、收发
收发
发射峰值电流/mA
9
32
续表1-1
唤醒接收电流/mA
0.82
13.5
平均工作电流/mA
0.0385
1.82
平均功率/uW
115
9000
休眠工作功率/uW
35
125
ANT网络已经将相关的协议、功耗管理封装在芯片内了，这使得开发者无需花太多的精力去了解无线传输的协议，使得产品的开发周期可以大大缩短，这点非常符合现在的市场要求。
1.2本课题的意义
温度检测在智能电器中非常重要，目前，可通信的智能电器主要以有线的方式来传输温度等信息。
但是，有线传输方式有其局限性，比如布线成本高；有些时候会受空间的限制，无法合理布线；改变传感器位置时，布线也要随之改变等。
而用无线通信方式这些问题就可以迎刃而解，因此，无线通信应用在智能电器中有非常重要的意义，它可以作为有线通信方式的一种补充，使得智能电器的应用范围更加的广。
1.3本次设计需要完成的工作
本次设计主要完成一个应用在智能电器中的无线温度传感器的设计，具体的工作步骤如下：
1.使用PROTEUS设计一个以热敏电阻为测温元件的测温电路。
2.编写测温程序，制作测温电路的硬件实物，并调试。
3.设计并制作无线模块的硬件实物。
4.编写无线模块程序，并调试。
整机调试，完整完成无线温度传感器的设计。
第2章整体设计方案及器件简介
为了方便了解本次设计的内容，在这一章先给出本次设计的整体思路，以及整体的原理框图。
原理框图给出后，便可以知道本次设计需要哪些器件。
接下来逐个介绍本次设计所选择的器件，通过介绍这些器件的性能特点，说明这些器件适合用于本次设计。
2.1设计的整体方案和整体框图
本次设计主要分为两大部分，一部分为发送，另一部分为接收。
整体的框图如图2-1所示。
图2-1整体框图
如图2-1所示，本次设计的发送部分需要达到的功能主要有两方面。
一方面，控制芯片实现温度的采集，应能够将温度转换成为控制芯片可以采集的模拟信号，然后控制芯片对采集到的信号进行适当的计算，最终将温度转换为数字信号，这个过程需要达到的要求是温度的误差尽量小。
另一方面，在控制芯片的控制下将温度值通过无线模块发送出去，这一功能要求无线发送的数据准确、稳定。
通过以上框图我们亦可以知道，本次设计的接收部分需要达到的功能主要有两个方面。
一方面，无线通信的芯片将接收到的数字信号传送给控制芯片，控制芯片经过处理将接收到的数据转换为温度值。
另一方面，控制芯片将温度值通过数码管显示出来。
由图2-1可知，本次设计所用的器件有四部分，分别是测温元件、控制芯片、无线通信芯片和LED数码管。
2.2控制芯片简介
本次设计选用的控制芯片是Microchip公司的dsPIC33F系列的芯片，dsPIC33F是16位的高性能的DSC，它融入了丰富的数字信号处理功能，本次设计选择的具体型号是dsPIC33FJ32GP204。
该芯片是一个44引脚的芯片，封装图如图2-2所示。
图2-2dsPIC33FJ32GP204封装引脚图
该芯片电压工作范围是3.0-3.6V，典型的工作电压是3.3V。
工作的温度范围是-40℃到+85℃，扩展级的温度范围可以达到-40℃到+125℃。
它的最高工作速度是40MIPS。
它的引脚带漏极开路时最高可以输出5V的电压，所有的I/O引脚的最大拉/灌电流为4mA。
该芯片有较好的功耗管功能，它有片上2.5V稳压器，可以实时时钟切换，也有可快速唤醒的空闲、休眠和打盹模式。
该芯片有4M的程序存储空间和64KB的数据存储空间。
它有一个支持8位和16位数据SPI模块、有一个可以10位也可以是12位的AD模块。
对于本次设计来说，需要的控制芯片只需要有12位的AD模块和SPI模块就可以了。
合适的51单片机和PIC单片机都可以作为本次设计的控制芯片，而这里之所以选择了dsPIC33F作为控制芯片是因为在智能电器的应用中通常要求控制芯片有较强的数据处理能力和运算能力，dsPIC33F满足这方面的要求。
使用dsPIC作为本次设计的控制芯片可以使本次设计的模块更合适在智能电器中应用。
本次设计使用了该芯片的SPI模块的从机功能和AD模块，AD模块使用的是12位的精度。
在使用AD模块时，仍有有一些电气特性需要了解，以确保编程的正确。
使用12位AD时应该了解：
ADC时钟周期的最小值是117.6ns；ADC内部RC振荡器的典型值是250ns；转换时间的典型值是14TAD；采样时间的最小值是3TAD，这个时间设置小了可能造成AD转换结果的不准确。
使用10位AD的时候：
ADC时钟周期的最小值是76ns；ADC内部RC振荡器的典型值是250ns；转换时间的典型值是12TAD；采样时间的最小值是2TAD，这个时间设置小了可能造成AD转换结果的不准确。
AD采样的参考电压值最大为3.6V，因此AD采样的电压应该经过适当的调制，使得输入的电压在这个范围内。
2.3无线芯片简介
本次设计使用的无线通信芯片是Nordic公司的nRF24AP2，该芯片是低成本高性能2.4GHz无线系列的成员之一。
它是一个32引脚的芯片，封装图如2-3所示。
图2-3nRF24AP2封装图
2.3.1nRF24AP2的性能特点
nRF24AP2是第二代单片ANT解决方案，它包含了三种产品，分别是nRF24AP2-1CH、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB。
前一个是支持一个ANT逻辑通道的，传感器的节点一般选择该产品，后两个是支持8通道的，可以作为ANT网络的中心节点，接收传感发送过来的数据。
该无线芯片的传输距离大概是1～30m，通过中间节点可以传输更远的距离。
nRF24AP2工作在国际通用的2.4GHzISM频段，全嵌入了增强型的ANT协议堆栈。
是真正的超低功耗芯片，使用纽扣电池就可以工作数年。
支持公用的和私人的网络，适用于简单的及复杂的拓扑结构，包括点对点、星型、树型和复杂的网状网络。
它有三种工作方式，分别是广播、应答和突发模式。
nRF24AP2是单电源供电，电压范围是1.9～3.6V，典型值是3.0V。
2.3.2nRF24AP2的内部结构
图2-4是nRF24AP2的内部原理框图，由图可知nRF24AP2主要有五部分组成，分别是主机接口部分、电源管理部分、ANT协议堆栈部分、低功耗2.4GHz射频收发器部分和芯片振荡器部分。
图2-4nRF24AP2内部框图
主机接口部分与控制芯片相连接，通过主机接口部分实现控制芯片与nRF24AP2之间的通信。
该接口可以是异步接口、同步串行接口，同步串行接口又可以分为字节同步模式和位同步模式。
异步模式需要5根信号线与控制芯片相连接，波特率的范围可以从4800～57600bps。
同步接口需要6跟信号线与控制芯片相连接。
电源管理部分是完全由ANT协议堆栈控制，有片内稳压器。
低功耗2.4GHz射频收发器部分是工作在国际通用的2.4GHzISM频段，发射和接收使用的是同一个天线接口，是GFSM调制。
发射器的功率是可以通过编程控制的，可以输出的功率有0，-6，-12或者-18dBm。
接收器的灵敏度是-85dBm，上面已经集成了通道滤波器。
射频合成器已经全部集成在芯片上了，它有1MHz可编程的分辨率。
ANT协议堆栈部分是设计简洁高效的ANT协议，它的目的就是实现超低功耗的工作，使占用的系统资源最小化。
它提供了完善的物理层，数据链路层，网络层和OSI传输层。
如图2-5所示。
图2-5ANT堆栈协议的OSI链路模型
振荡器部分是为ANT协议堆栈提供必要的时钟，ANT内固定的置了一个为无线收发器使用的高频时钟以及两个可选用于ANT协议堆栈的低频时钟。
高频时钟为16MHz的晶体振荡器，低频可以是32.768KHz的晶体振荡器。
2.3.3本节小结
本次设计所需的无线通信芯片应该可以进行短距离的无线数据传输，而且功耗应该尽量小，而nRF24AP2满足这些条件。
特别在功耗方面，nRF24AP2是一款超低功耗的无线通信芯片，可以为系统节省功耗。
它的产品之一nRF24AP2-USB可以直接通过USB与电脑连接，电脑装载了ANTWare_II软件之后，可以方便地进行产品调试。
ANTWare_II的界面非常简洁易懂，可以通过它对nRF24AP2-USB进行操作，无需编写程序，因此用它可以非常方便地调试用单片机所写得收发程序是否可以正常运行。
2.4测温元件简介
现在温度传感器的种类比较多，它们各有各的特点，其中常用有这几种，分别为热敏电阻，热电偶，红外测温传感器。
1）热敏电阻是根据热敏元件本身的电阻随着环境温度改变而改变的特性制成的。
用来制作热敏元件的材料主要有两大类，一类是用金属导体做成铜、镍、铂做成的，这类被称作热电阻；另一类使用金属氧化物经过加工做成成的，这一类被叫做热敏电阻。
热敏电阻根据它随温度的变化的不同分为两类。
一类热敏电阻的温度系数为正的，被称为PTC；另一类热敏电阻德的温度系数为负的，被称为NTC；
热敏电阻的测量电路比较简单，如图2-6所示，是热敏电阻的一种测量电路，这个电路已经将热敏电阻线性化处理了，在测量精度要求不是很高的情况下，这个测量电路可以得到较好的结果。
图2-6热敏电阻线性化测量电路
热敏电阻的优点是电阻温度系数大，灵敏度高；体积小，热惯性小；寿命长价格低；测量电路简单。
它的缺点就是线性度稍差，需要在电路上进行线路补偿。
2）热电偶也是温度测量仪表中一种常用的测温元件。
同一金属材料上不同的空间位置的两点温度不同时，这两点将会出现电位差，这一现象就称为热电效应。
不同的金属材料在相同的温度下热电势也不同。
因此，利用这个原理把不同材料的金属丝A和B绞在一起，一端直接连接，就构成了热电偶，而金属丝A和B就是热电极。
如图2-7所示，使用热电偶时，直接连接在一起的那一端贴在被测物体的表面，把这一端称为热端。
而另外一端连接在测量的仪表上，这一端是参考端，也成为冷端。
当被测物体的温度与参考端的温度不一样时，他们之间就会产生一个电位差，这个电位差就是热电势。
热电偶的热电势随着热端的温度升高，热电势只与热电偶的材料和两端的温度有关，与热电极的长度和直径无关。
采用热电偶是把被测物体的温度与环境的温度差转换为电势差，它测得的是物体的温差，而并非物体的实际温度。
只有当参考端的温度为零摄氏度的时候热电偶测得的温度才是物体的实际温度。
图2-7热效应原理图
3）红外温度传感器是利用物体的红外辐射做成的传感器。
任何物体只要其温度高于绝对零度就会以电磁波的形式向外辐射出能量，能量的大小主要决定于物体的温度。
热传感器是利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，进而使传感器中一栏与温度的性能发生变化。
检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。
多数情况下是通过赛贝克效应来探测辐射的，当器件接收辐射后，引起一非电量的物理变化，也可通过适当变化变为电量后进行测量。
红外测温技术是非接触、被动式的设备诊断技术，可以对不能接触的物体进行温度测量。
在实际应用中，被测金属物经表面涂黑，或者表面生产氧化物，才可以用红外传感器来测量，否则会严重影响精度。
由以上简介可知，红外测温技术主要用于非接触性的温度检测，它的测量精度易受被测物体的表面颜色的影响。
热电偶测温测量精度虽高，但是更适合测量温升。
而热敏电阻测量电路简单，价格便宜，热惯性小，故本次设计选用热敏电阻作为本次设计的测温元件。
具体的热敏电阻类型是PT100，PT100顾名思义，就是在零摄氏度的环境下它的电阻值为100欧姆，PT是表示它是正温度系数。
第3章硬件电路的设计
本次设计主要有PT100测温电路的设计，无线模块的电路设计，以及发送模块和接收模块的整体电路设计。
3.1PT100测温电
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