溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計與仿真實現(xiàn)

時間：2021-10-30 11:20:12

關(guān)鍵字：溫度傳感器 Proteus 串口轉(zhuǎn)WiFi Android

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[導(dǎo)讀]摘要：溫度采集被大量用于工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)作物種植等行業(yè)，因此溫度的實時監(jiān)測十分必要。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，文中提出了基于單片機與串口轉(zhuǎn)WiFi的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計。首先，分析了溫度采集系統(tǒng)各模塊的功能以及選擇不同類型模塊的優(yōu)缺點，確定了單片機、顯示器以及溫度傳感器等芯片的選擇方案；其次，根據(jù)選擇方案設(shè)計了溫度采集部分的硬件原理圖，羅列設(shè)計思路和可行性分析；再次，在分析串口轉(zhuǎn)WiFi模塊的基礎(chǔ)上，給出了溫度采集系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計；最后，通過基于Proteus的半實物仿真表明，設(shè)計的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度實時采集功能并能通過串口轉(zhuǎn)WiFi傳至Android系統(tǒng)手機客戶端顯示，為溫度的實時監(jiān)測需求提供理論和應(yīng)用參考。

DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.11.001

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)要求的不斷提高，自動監(jiān)測工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度已成為基本要求，溫度信息的采集成為生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測管理的重要要素。此外，溫度信息的監(jiān)測在其他領(lǐng)域亦發(fā)揮著重要作用，如大樓火災(zāi)報警裝置等[1]。公路上的路面信息采集、溫度回饋也是系統(tǒng)的重要組成，如冷庫溫度的智能控制等[2]。隨著應(yīng)用空間的增大，溫度采集的環(huán)境也愈加復(fù)雜。傳統(tǒng)的有線溫度監(jiān)測已跟不上時代的步伐。不論是公路上的高溫還是冷庫的低溫，對于電線來說損害極大，而線路一旦損壞還可能帶來其他問題。因而對于無線傳輸?shù)膶崟r溫度采集系統(tǒng)的需求就顯得尤為迫切。

為此，本文設(shè)計基于單片機與串口轉(zhuǎn) WiFi 技術(shù)的溫度采集硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 51 系列單片機控制溫度傳感器采集溫度信息，由顯示模塊實時顯示，然后利用串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊把溫度信息發(fā)送至 Android 平臺的溫度采集軟件上。設(shè)計的硬件系統(tǒng)能與 Android 終端建立可靠、穩(wěn)定的鏈接，實現(xiàn)溫度的實時采集與顯示。

1 硬件系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

溫度采集硬件系統(tǒng)基本方案如圖 1 所示。系統(tǒng)采用AT89C52 作為控制芯片，由晶體振蕩器提供時鐘頻率，溫度傳感器選用 DS18B20 采集信息，并通過 LCD1602 液晶屏顯示。傳感器 DS18B20 采集溫度信息后，通過 DQ 引腳與 AT89C52單片機的 I/O 口相連，單片機其他 I/O 口與 LM016L 液晶顯示器相應(yīng)引腳相連。對于Android 和WiFi 的整體硬件設(shè)計部分而言，主要設(shè)計建立硬件采集系統(tǒng)與串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊的通信連接，并通過串口轉(zhuǎn) WiFi 將信息發(fā)送出去。用戶在 WiFi 設(shè)備附近通過Android 手機接收信號，由程序讀取硬件采集的溫度信息，從而實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)測。

溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計與仿真實現(xiàn)

1.2 硬件模塊設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、溫度傳感器、顯示模塊、串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊組成。

1.2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路、復(fù)位電路和單片機組成 [3]，

其仿真圖如圖 2所示，其中時鐘電路的晶振為 11.0592MHz。

1.2.2 傳感器模塊

系統(tǒng)采用 DS18B20 溫度傳感器，該傳感器主要由 64 位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)溫度報警觸發(fā)器 TH 和TL、配置寄存器 [4] 組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。ROM 中的 64 位序列號已在出廠前被光刻好，可將其看作是該 DS18B20 的地址序列碼，每個 DS18B20 的 64 位序列碼均不相同。64 位 ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼為 CRC=X8+X5+X4+1。ROM 的用處在于使每個 DS18B20 具有唯一性，實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20 的目的。Proteus 仿真如圖 4 所示。

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1.2.3 顯示模塊

系統(tǒng)采用 LM016L 液晶模塊顯示，該模塊由 HD44780 控制[5]。HD44780 具有簡單、功能較強的指令集，可實現(xiàn)字符移動、閃爍等功能。LM016L 與單片機 MCU（Microcontroller Unit）可采用 8 位或 4 位并行方式通信。HD44780 控制器由兩個 8 位寄存器、指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標(biāo)（BF）、顯示數(shù)據(jù) RAM（DDRAM）、字符發(fā)生器 ROM（CGROM）、字符發(fā)生器 RAM（CGRAM）、地址計數(shù)器（AC）構(gòu)成，其 Proteus 仿真如圖 5 所示。

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圖 5 LED 顯示

1.2.4 串口轉(zhuǎn) WiFi模塊

系統(tǒng)采用有人科技串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊USR-WIFI232-L，具體使用步驟如下：

(1) 使用 USB轉(zhuǎn)串口線連接筆記本 USB口及串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊。

(2) 連接完成后，為串口轉(zhuǎn) WiFi模塊接通電源，紅色指示燈亮起約 20 s，綠色指示燈亮起。

(3) 此時可用手機連接 USR-WIFI232-T的WiFi。

(4) 打開測試軟件 USR-TCP232-Test.exe，選擇硬件連接到計算機串口號（需與計算機所用端口號一致），點擊打開。

(5) 打開手機測試軟件，點擊 TCP Client切換界面，單擊“+” 按鈕，此時會出現(xiàn)一個彈窗，在 IP編輯框內(nèi)填10.10.100.254，端口編輯框內(nèi)填 8899，單擊增加按鈕創(chuàng)建一個TCP連接，若提示連接成功，則證明已成功創(chuàng)建了該模塊的TCP連接。

(6) 輸入數(shù)據(jù)進行傳輸驗證。

2 系統(tǒng)仿真驗證

通過串口把溫度采集模塊和 Android 系統(tǒng)的接收模塊連接起來。首先，在電路上加串口電路，然后利用串口助手發(fā)送軟件串口信息。在電腦上連接一個串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊，使單片機的溫度信息通過串口以WiFi 形式發(fā)送出來。而后手機用戶可以通過自身應(yīng)用接收信息，實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控。

在Proteus 的電路中添加串口連接電路，且重新導(dǎo)入修改并編譯生成的 .hex 文件，插入串口轉(zhuǎn) WiFi 設(shè)備后打開。通過設(shè)備管理器查看設(shè)備端口號，編輯 Proteus上COMPIM 的編輯屬性設(shè)置端口號保持一致。打開 Android 手機WiFi 連接轉(zhuǎn)WiFi 設(shè)備的熱點與溫度接收 APP，運行仿真結(jié)果如圖 6 所示，手機終端結(jié)果顯示如圖 7 所示。

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圖6 PC界面Proteus仿真效果圖圖7 手機終端結(jié)果顯示

當(dāng)在 Proteus 平臺中設(shè)置溫度為 59℃時，信號通過串口模塊傳至串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊，再經(jīng)串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊傳至手機端軟件。從圖 6 和圖 7 的結(jié)果可以看出，手機 APP 顯示的溫度值與 Proteus 仿真平臺所采集的溫度一致。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于單片機與串口轉(zhuǎn) WiFi技術(shù)的溫度采集硬件系統(tǒng)，經(jīng)實驗證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠較好地完成溫度的實時采集與顯示，具有一定的社會價值與廣闊的推廣前景。