基于無(wú)線傳輸?shù)亩帱c(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

摘要：文中設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號(hào)，使用無(wú)線傳感器通訊，結(jié)合單片機(jī)來(lái)處理并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了溫度采集、多點(diǎn)測(cè)量和上位機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能。該檢測(cè)系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、方便，對(duì)于提高工業(yè)自動(dòng)化水平和環(huán)境溫度測(cè)量具有重大意義。
關(guān)鍵詞：溫度采集；單片機(jī)；無(wú)線傳輸；上位機(jī)

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中迅速的得到應(yīng)用，溫度作為一個(gè)重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。對(duì)于一些特殊環(huán)境領(lǐng)域的溫度檢測(cè)人體不能直接接觸，只能借助于現(xiàn)代化手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，在過(guò)去的工業(yè)中一般都是通過(guò)人工穿著特質(zhì)的衣服來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，但傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在工程量大、不方便、并且對(duì)測(cè)量人員還會(huì)產(chǎn)生危害，所以現(xiàn)代工業(yè)越來(lái)越需要一種更加方便、實(shí)用、準(zhǔn)確的溫度檢測(cè)方法。針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的這些問(wèn)題本實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)出了符合工業(yè)化要求的無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)
    本無(wú)線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫度檢測(cè)電路、無(wú)線收發(fā)模塊電路、溫度顯示電路、串口通訊電路等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中的主機(jī)單片機(jī)控制模塊為系統(tǒng)的處理核心部件，處理從無(wú)線模塊接收到的溫度數(shù)據(jù)。每個(gè)從機(jī)系統(tǒng)都帶有溫度采集模塊，使用單總線式溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度，通過(guò)單片機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊時(shí)時(shí)傳送到主機(jī)，主機(jī)單片機(jī)通過(guò)串口通信把接收到的溫度數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)上，最后通過(guò)上位機(jī)軟件在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 控制器模塊設(shè)計(jì)
    單片機(jī)控制器主要用于溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及接收，將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)軟件在上位機(jī)上顯示。對(duì)于控制器的選擇采用STC8 9C52，該單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。
2．2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)
    本次設(shè)計(jì)采用的是Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃。每個(gè)從機(jī)設(shè)有一個(gè)溫度傳感器，環(huán)境溫度通過(guò)溫度傳感器DS18B20采集到從機(jī)單片機(jī)中進(jìn)行處理。從機(jī)單獨(dú)供電，這樣設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。溫度傳感器電路連接圖如圖2所示。

2．3 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
    NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)把從溫度傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊NRF24L01傳輸?shù)街鳈C(jī)中。無(wú)線傳輸可以工作在一些高危領(lǐng)域，避免了有限傳輸?shù)木窒扌?，本設(shè)計(jì)能進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線模塊NRF24L01的傳輸精度高，性能穩(wěn)定，成本低。其電路連接圖如圖3所示。

2．4 顯示模塊設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)方案采用128x64LCD液晶顯示器和上位機(jī)共同顯示，液晶顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)方法和硬件連接電路較為簡(jiǎn)單，顯示屏幕大、可對(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。上位機(jī)顯示直觀，有利于現(xiàn)代化管理。
2．5 串口通信電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)要把測(cè)量到的溫度送到上位機(jī)上顯示出來(lái)，就需要通過(guò)電腦與單片機(jī)之間的串口通信，單片機(jī)的工作電壓是5 V，電腦串口的工作電壓是12 V，需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行正常通信。串口通信電路的核心器件采用TI公司的一款兼容RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，MAX232與RS232間的串口通信電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    為了使控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。軟件設(shè)計(jì)包括主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與從機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括無(wú)線接收模塊設(shè)計(jì)、液晶顯示模塊設(shè)計(jì)、串口通信模塊設(shè)計(jì)。主要作用是收集無(wú)線接收到的溫度數(shù)據(jù)，使用液晶顯示同時(shí)通過(guò)串口通信傳輸至上位機(jī)。從機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括溫度采集模塊設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)。主要作用是使用溫度傳感器采集溫度，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至主機(jī)。主程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能，將該系統(tǒng)用于農(nóng)場(chǎng)小棚溫度的無(wú)線測(cè)量，在試驗(yàn)中，分別對(duì)農(nóng)場(chǎng)小棚的4個(gè)角落使用無(wú)線采集與玻璃溫度計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量，其結(jié)果如表1所示。

    從實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量中準(zhǔn)確度很高，并且在無(wú)線傳輸過(guò)程中很穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能及時(shí)、準(zhǔn)確、快速的測(cè)量溫度。

5 結(jié)論
    1)本系統(tǒng)采用的軟件算法還有待進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而提高精確度，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償；
    2)文中設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉瘷z測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、性能穩(wěn)定。因?yàn)槭褂玫氖?strong>無(wú)線傳輸，所以可以在一些人為不能直接接觸的地方進(jìn)行測(cè)量，而多點(diǎn)的溫度采集方法更有利與組建起溫度采集網(wǎng)，在工業(yè)上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。