基于無(wú)線(xiàn)傳輸的多點(diǎn)溫度采集系統設計與實(shí)驗

摘要：文中設計了一種基于無(wú)線(xiàn)傳輸的多點(diǎn)溫度采集系統，通過(guò)溫度傳感器采集溫度信號，使用無(wú)線(xiàn)傳感器通訊，結合單片機來(lái)處理并通過(guò)上位機進(jìn)行顯示，實(shí)現了溫度采集、多點(diǎn)測量和上位機實(shí)時(shí)檢測的功能。該檢測系統使用簡(jiǎn)單、方便，對于提高工業(yè)自動(dòng)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(wú)線(xiàn)傳輸；上位機

隨著(zhù)計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數據采集與監控系統在工業(yè)生產(chǎn)中迅速的得到應用，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，只能借助于現代化手段來(lái)實(shí)現，在過(guò)去的工業(yè)中一般都是通過(guò)人工穿著(zhù)特質(zhì)的衣服來(lái)實(shí)現測量，但傳統的測量方法存在工程量大、不方便、并且對測量人員還會(huì )產(chǎn)生危害，所以現代工業(yè)越來(lái)越需要一種更加方便、實(shí)用、準確的溫度檢測方法。針對現代工業(yè)的這些問(wèn)題本實(shí)驗組設計出了符合工業(yè)化要求的無(wú)線(xiàn)溫度測量系統。

1 總體方案設計
本無(wú)線(xiàn)多點(diǎn)溫度采集系統主要由單片機最小系統電路、溫度檢測電路、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路、溫度顯示電路、串口通訊電路等組成。系統框圖如圖1所示。圖中的主機單片機控制模塊為系統的處理核心部件，處理從無(wú)線(xiàn)模塊接收到的溫度數據。每個(gè)從機系統都帶有溫度采集模塊，使用單總線(xiàn)式溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度，通過(guò)單片機將采集到的溫度數據經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊時(shí)時(shí)傳送到主機，主機單片機通過(guò)串口通信把接收到的溫度數據傳送至上位機上，最后通過(guò)上位機軟件在上位機上實(shí)現溫度的檢測。

2 硬件系統設計
2．1 控制器模塊設計
單片機控制器主要用于溫度數據的采集、傳輸以及接收，將接收到的數據通過(guò)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(shí)現各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來(lái)說(shuō)，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現。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 溫度采集模塊設計
本次設計采用的是Dallas公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20，其溫度測量范圍為-55～+125℃。每個(gè)從機設有一個(gè)溫度傳感器，環(huán)境溫度通過(guò)溫度傳感器DS18B20采集到從機單片機中進(jìn)行處理。從機單獨供電，這樣設計穩定性好，抗干擾能力強。溫度傳感器電路連接圖如圖2所示。

2．3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊設計
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。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，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(guò)程序進(jìn)行配置。本設計系統把從溫度傳感器采集得到的數據經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊NRF24L01傳輸到主機中。無(wú)線(xiàn)傳輸可以工作在一些高危領(lǐng)域，避免了有限傳輸的局限性，本設計能進(jìn)行連續的數據傳輸，無(wú)線(xiàn)模塊NRF24L01的傳輸精度高，性能穩定，成本低。其電路連接圖如圖3所示。

2．4 顯示模塊設計
本設計方案采用128x64LCD液晶顯示器和上位機共同顯示，液晶顯示器功率低，驅動(dòng)方法和硬件連接電路較為簡(jiǎn)單，顯示屏幕大、可對漢字和字符進(jìn)行顯示。上位機顯示直觀(guān)，有利于現代化管理。
2．5 串口通信電路設計
系統要把測量到的溫度送到上位機上顯示出來(lái)，就需要通過(guò)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(guò)電平轉換芯片進(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標準的電平轉換芯片MAX232，MAX232與RS232間的串口通信電路如圖4所示。

3 軟件設計
為了使控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效地實(shí)現實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。軟件設計包括主機系統設計與從機系統設計，主機系統設計包括無(wú)線(xiàn)接收模塊設計、液晶顯示模塊設計、串口通信模塊設計。主要作用是收集無(wú)線(xiàn)接收到的溫度數據，使用液晶顯示同時(shí)通過(guò)串口通信傳輸至上位機。從機系統設計包括溫度采集模塊設計、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊設計。主要作用是使用溫度傳感器采集溫度，轉化成數字信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸至主機。主程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗結果及分析
為了驗證系統的工作性能，將該系統用于農場(chǎng)小棚溫度的無(wú)線(xiàn)測量，在試驗中，分別對農場(chǎng)小棚的4個(gè)角落使用無(wú)線(xiàn)采集與玻璃溫度計進(jìn)行溫度測量，其結果如表1所示。

從實(shí)際測量數據可以看出，本系統在實(shí)際測量中準確度很高，并且在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中很穩定，系統運行可靠，能及時(shí)、準確、快速的測量溫度。

5 結論
1)本系統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)現誤差補償；
2)文中設計的基于無(wú)線(xiàn)傳輸的多路溫度采集檢測系統，其結構簡(jiǎn)單、使用方便、性能穩定。因為使用的是無(wú)線(xiàn)傳輸，所以可以在一些人為不能直接接觸的地方進(jìn)行測量，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)上具有一定的應用價(jià)值。