基于A(yíng)Tmega16的無(wú)線(xiàn)溫度監測系統設計

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多的場(chǎng)合對溫度的要求日臻嚴格，溫度監控系統的應用日趨受到重視。在農業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，農業(yè)大棚、冷庫、培育溫室等眾多場(chǎng)合都需要溫度測量技術(shù)。傳統的測溫系統都是有線(xiàn)系統，對于一些需要多點(diǎn)測溫的場(chǎng)合，使用傳統有線(xiàn)測溫方式在布設、維護和更新方面存在著(zhù)很多不便。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設計了一種基于單片機和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的無(wú)線(xiàn)溫度監控系統，結合溫度傳感器可以很方便構建一個(gè)多點(diǎn)分布式智能無(wú)線(xiàn)溫度監控系統。

1 無(wú)線(xiàn)溫度監控系統構成

系統主要由兩部分組成。如圖1所示，第一部分是節點(diǎn)溫度測量系統，第二部分是溫度顯示管理終端。節點(diǎn)溫度測量系統負責測量溫度，并將溫度值通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)送到溫度顯示管理終端。管理終端接收溫度信息并進(jìn)行顯示和發(fā)出警報信號，而且在特殊情況下管理終端還可以逆向發(fā)送調控信息給節點(diǎn)溫度測量系統，實(shí)現對溫度的調控。

1.1 節點(diǎn)溫度測量系統設計

節點(diǎn)溫度測量系統構成如圖2所示，系統核心控制芯片采用AVR系列的單片機ATmega16。這是一款精簡(jiǎn)指令集的單片機，高速度、低功耗，具有Sleep功能及CMOS技術(shù)，并具有高度保密性，可多次燒寫(xiě)的Flash，具有多重密碼保護鎖死功能。另外內置看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)和片內有RC振蕩器，使用起來(lái)非常方便。具有休眠省電功能和閑置低功耗功能，在實(shí)用性方面性?xún)r(jià)比相對較高。

溫度傳感器模塊采用數字溫度傳感器DS18B20，它是美國Dallas半導體公司推出的一種智能數字溫度傳感器。DS18B20在與MCU連接時(shí)僅需要一條線(xiàn)(即單總線(xiàn)接口，加電源為三線(xiàn)接口)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊。使用DS18B20可以節省系統資源、使系統結構更趨簡(jiǎn)單。DS18B20測溫范圍是-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。工作電源為3 V～5V/DC。在使用中不需要任何外圍元件，測量結果以9～12位數字量方式串行傳送。DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。其中64位光刻ROM中存儲的是該DS18B20的地址序列號碼。其號碼的排列是：最初8位(28H)是產(chǎn)品類(lèi)型標號，接著(zhù)的48位是DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM中的地址序列碼可以區分每一個(gè)DS18B20，從而實(shí)現在同一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20。根據DS18B20的通訊協(xié)議，MCU(單片機)控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：

(1)每一次讀寫(xiě)之前都要對DS18B20進(jìn)行復位操作

(2)復位成功后發(fā)送一條ROM指令

(3)最后發(fā)送RAM指令

這樣才能對DS18B20進(jìn)行預定的操作。復位要求主CPU將數據線(xiàn)下拉500 μs，然后釋放，當DS18B20收到信號后等待16～60μs左右，后發(fā)出60～240μs的低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。論文設計的測溫系統中每一個(gè)DS18B20在與MCU連接時(shí)各占用一個(gè)I/O口，則MCU控制DS18B20完成溫度轉換的步驟如圖3所示。

nRF24L01是Nordic公司推出的高集成的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器件。芯片具備自動(dòng)應答和自動(dòng)重發(fā)功能，速度可達2 Mbps，126個(gè)可選工作頻道，很短的頻道切換時(shí)間，可用于跳頻，其輸出功率，頻道選擇以及協(xié)議設置都可以通過(guò)SPI口進(jìn)行設置。其Enhanced Shock Burst模式可以同時(shí)控制應答及重發(fā)功能而無(wú)需增加微控制器的工作量。nRF24L01還具備同一頻道接收六路不同通道數據的功能，利用FDMA技術(shù)最多可實(shí)現750個(gè)點(diǎn)的數據采集，這使它成為無(wú)線(xiàn)溫度測量系統硬件實(shí)現的最佳選擇。nRF24L01模塊在與MCU進(jìn)行數據傳輸時(shí)，可以使用MCU普通的I/O口，系統中直接利用ATmega16的固有資源SPI通信口，這樣從一定程度上簡(jiǎn)化了軟件設計過(guò)程。

液晶顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，模塊內部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號、日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，設計中可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如A’。系統中1602采用的是8位數據線(xiàn)驅動(dòng)，其控制端和數據傳輸均通過(guò)單片機的I/O口直接控制，電路如圖4所示。

MCU-ATmega16、溫度傳感器DS18B20和液晶顯示器模塊1602都是用5 V供電電源。系統供電電源為5 V，可以直接使用。nRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊需要3.3 V供電，所以采用REG1117-3.3芯片進(jìn)行電源電壓變換，產(chǎn)生3.3 V電源供nRF24L01使用。ATmega16的SPI口在與nRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊相接時(shí)，由于A(yíng)Tmega16輸出驅動(dòng)電流偏大，可能會(huì )損壞無(wú)線(xiàn)模塊，所以要串聯(lián)2 k電阻以保護無(wú)線(xiàn)模塊。

1.2 溫度顯示管理終端

在溫度顯示管理終端，首先由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊nRF24L01通過(guò)天線(xiàn)將節點(diǎn)溫度測量系統發(fā)送的溫度信息進(jìn)行接收。通過(guò)單片機SPI串口將溫度信息數據采集到MCU，溫度不在正常監測范圍則聲音模塊發(fā)出聲音報警。最后通過(guò)RS232通信，將溫度數據送到PC進(jìn)行顯示和處理。整個(gè)系統的通信屬于雙工通信，在必要情況下，電路功能可以擴展，實(shí)現PC發(fā)出控制信號，通過(guò)反方向通信調節各個(gè)節點(diǎn)的溫度。

2 結束語(yǔ)

本文設計的無(wú)線(xiàn)溫度監測系統結構簡(jiǎn)單，實(shí)現容易，系統性能好。適合多種場(chǎng)合進(jìn)行無(wú)線(xiàn)溫度監測。