基于無線傳輸?shù)亩帱c溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實驗

摘要：文中設(shè)計了一種基于無線傳輸的多點溫度采集系統(tǒng)，通過溫度傳感器采集溫度信號，使用無線傳感器通訊，結(jié)合單片機來處理并通過上位機進行顯示，實現(xiàn)了溫度采集、多點測量和上位機實時檢測的功能。該檢測系統(tǒng)使用簡單、方便，對于提高工業(yè)自動化水平和環(huán)境溫度測量具有重大意義。
關(guān)鍵詞：溫度采集；單片機；無線傳輸；上位機

隨著計算機技術(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，溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。對于一些特殊環(huán)境領(lǐng)域的溫度檢測人體不能直接接觸，只能借助于現(xiàn)代化手段來實現(xiàn)，在過去的工業(yè)中一般都是通過人工穿著特質(zhì)的衣服來實現(xiàn)測量，但傳統(tǒng)的測量方法存在工程量大、不方便、并且對測量人員還會產(chǎn)生危害，所以現(xiàn)代工業(yè)越來越需要一種更加方便、實用、準確的溫度檢測方法。針對現(xiàn)代工業(yè)的這些問題本實驗組設(shè)計出了符合工業(yè)化要求的無線溫度測量系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計
本無線多點溫度采集系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)電路、溫度檢測電路、無線收發(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。圖中的主機單片機控制模塊為系統(tǒng)的處理核心部件，處理從無線模塊接收到的溫度數(shù)據(jù)。每個從機系統(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，通過單片機將采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過無線模塊時時傳送到主機，主機單片機通過串口通信把接收到的溫度數(shù)據(jù)傳送至上位機上，最后通過上位機軟件在上位機上實現(xiàn)溫度的檢測。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
2．1 控制器模塊設(shè)計
單片機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)通過上位機軟件在上位機上顯示。對于控制器的選擇采用STC8 9C52，該單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(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。
2．2 溫度采集模塊設(shè)計
本次設(shè)計采用的是Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其溫度測量范圍為-55～+125℃。每個從機設(shè)有一個溫度傳感器，環(huán)境溫度通過溫度傳感器DS18B20采集到從機單片機中進行處理。從機單獨供電，這樣設(shè)計穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。溫度傳感器電路連接圖如圖2所示。

2．3 無線收發(fā)模塊設(shè)計
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，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。本設(shè)計系統(tǒng)把從溫度傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線模塊NRF24L01傳輸?shù)街鳈C中。無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)計能進行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，無線模塊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
本設(shè)計方案采用128x64LCD液晶顯示器和上位機共同顯示，液晶顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較為簡單，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。上位機顯示直觀，有利于現(xiàn)代化管理。
2．5 串口通信電路設(shè)計
系統(tǒng)要把測量到的溫度送到上位機上顯示出來，就需要通過電腦與單片機之間的串口通信，單片機的工作電壓是5 V，電腦串口的工作電壓是12 V，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片進行正常通信。串口通信電路的核心器件采用TI公司的一款兼容RS-232標準的電平轉(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
為了使控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運行，有效地實現(xiàn)實時控制和管理，除了要設(shè)計合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。軟件設(shè)計包括主機系統(tǒng)設(shè)計與從機系統(tǒng)設(shè)計，主機系統(tǒng)設(shè)計包括無線接收模塊設(shè)計、液晶顯示模塊設(shè)計、串口通信模塊設(shè)計。主要作用是收集無線接收到的溫度數(shù)據(jù)，使用液晶顯示同時通過串口通信傳輸至上位機。從機系統(tǒng)設(shè)計包括溫度采集模塊設(shè)計、無線傳輸模塊設(shè)計。主要作用是使用溫度傳感器采集溫度，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號通過無線模塊傳輸至主機。主程序流程圖如圖5所示。

4 實驗結(jié)果及分析
為了驗證系統(tǒng)的工作性能，將該系統(tǒng)用于農(nóng)場小棚溫度的無線測量，在試驗中，分別對農(nóng)場小棚的4個角落使用無線采集與玻璃溫度計進行溫度測量，其結(jié)果如表1所示。

從實際測量數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)在實際測量中準確度很高，并且在無線傳輸過程中很穩(wěn)定，系統(tǒng)運行可靠，能及時、準確、快速的測量溫度。

5 結(jié)論
1)本系統(tǒng)采用的軟件算法還有待進一步優(yōu)化，進而提高精確度，實現(xiàn)誤差補償；
2)文中設(shè)計的基于無線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉瘷z測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定。因為使用的是無線傳輸，所以可以在一些人為不能直接接觸的地方進行測量，而多點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)用價值。