溫度數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何為　沈王姚　楊紫含　徐建

【摘 要】該系統(tǒng)采用C51單片機(jī)為核心并且利用了4個(gè)DS18B20溫度傳感器，2個(gè)液晶顯示器1602，以及nRF905的無(wú)線收發(fā)模塊成功的完成了對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集、顯示和傳輸以及接受并顯示，并且增加了溫度報(bào)警功能。我們經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的研究并制定了合理的方案之后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體是電源電路的設(shè)計(jì)，芯片的選擇與應(yīng)用，程序代碼的編寫以及各個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)，并且根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為采集發(fā)送模塊和接受顯示模塊。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次的調(diào)試和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)軟、硬件符合設(shè)計(jì)要求，可以投入使用。

【關(guān)鍵字】溫度；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸；LCD；單片機(jī)

0 引言

本系統(tǒng)以STC單片機(jī)作為主控芯片，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，并利用其特有的單總線特性組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用液晶LCD1602作為人機(jī)交互界面，在充分綜合分析藍(lán)牙、GPRS、GSM等無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式的基礎(chǔ)上，針對(duì)有線的數(shù)據(jù)采集方式應(yīng)用受到限制的場(chǎng)合，結(jié)合實(shí)際，并考慮到做成實(shí)物調(diào)試和開發(fā)難易程度等可行性問(wèn)題上，確立了無(wú)線射頻收發(fā)一體芯片的解決方案，即利用基于nRF905芯片的無(wú)線收發(fā)模塊完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，再應(yīng)用傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)還預(yù)設(shè)溫度自動(dòng)報(bào)警功能，能對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控起到預(yù)警作用。整個(gè)系統(tǒng)分為：（1）溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊；（2）溫度數(shù)據(jù)接收及顯示模塊兩部分；該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn)，不僅在于能將數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸相結(jié)合，充分發(fā)揮了無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，而且能有比較廣泛的應(yīng)用。

1 溫度數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由溫度數(shù)據(jù)采集顯示和發(fā)送程序和溫度數(shù)據(jù)接收及顯示程序兩部分組成；

a溫度數(shù)據(jù)采集顯示與發(fā)送模塊是由溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)DS18B20網(wǎng)絡(luò)、液晶屏LCD1602、nRF905無(wú)線收發(fā)模塊和主控芯片STC89C52RC組成；

b溫度數(shù)據(jù)接收及顯示模塊則是由基于nRF905的無(wú)線收發(fā)模塊和主控芯片STC89C52RC、液晶屏LCD1602構(gòu)成。

2 溫度數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源電路

該模塊將市電經(jīng)過(guò)變壓器變壓后，轉(zhuǎn)化為18V的交流電壓，利用LM7805轉(zhuǎn)壓芯片將18V的交流電轉(zhuǎn)化為5V直流電，為單片機(jī)等提供電源。LM317H將18V交流電轉(zhuǎn)化為3.3V直流電，以供無(wú)線射頻芯片使用。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)采用內(nèi)時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激蕩。定時(shí)元件采用的是12MHz的晶振和30pF的兩個(gè)電容組成的并聯(lián)諧振電路。

2.3 溫度數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)為多點(diǎn)溫度采集，DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“單總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20采用外部供電方式，只需要用一個(gè)接口引腳就可以驅(qū)動(dòng)多路DS18B20，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初只采用4個(gè)溫度傳感器，如圖2所示。單片機(jī)通過(guò)讀取各個(gè)DS18B20的序列號(hào)，分別獲取溫度數(shù)據(jù)。

2.4 溫度數(shù)據(jù)顯示電路

LCD1602的引腳1接地，引腳2接5V電源，引腳3接電位器來(lái)調(diào)節(jié)顯示器的對(duì)比度，引腳4～14接單片機(jī)，引腳15接10K電阻來(lái)設(shè)置顯示器的亮度。

2.5 數(shù)據(jù)收發(fā)電路

VCC接3.3V電壓；μCLK為輸出時(shí)鐘，本系統(tǒng)中無(wú)需使用，懸空；CD為輸出，單片機(jī)不對(duì)其進(jìn)行控制，懸空：GND接地；其它引腳和單片機(jī)相連，由單片機(jī)控制其發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。

2.6 無(wú)線模塊芯片nRF905

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射芯片，工作電壓為1.9-3.6V，32引腳QFN封裝，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM頻道，其由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst工作模式能夠自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以很容易通過(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置，電流消耗很低，在發(fā)射功率為+10dBm時(shí)，發(fā)射電流為30mA，接收電流為12.5mA。進(jìn)入Powerdown模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。圖3為基于nRF905的無(wú)線收發(fā)模塊電路圖：

3 溫度數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸硬件系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編程和調(diào)試環(huán)境為Keil 4，系統(tǒng)的軟件部分發(fā)送端、接收端主流程圖如圖4、圖5所示。

4 系統(tǒng)的整體性能調(diào)試

4.1 硬件性能的測(cè)試

按照本文的軟硬件最初設(shè)計(jì)思想，在連接好硬件實(shí)物之后，我們直接對(duì)整體實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)代碼的精心改寫，使得最終的測(cè)試結(jié)果達(dá)到了滿意的效果：發(fā)送端的液晶屏能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度的變化，接收端的液晶屏溫度數(shù)值的顯示也能隨著發(fā)送端的變化而變化。

4.2 無(wú)線傳輸距離的測(cè)試

傳輸距離的測(cè)試分室外和室內(nèi)兩種環(huán)境下進(jìn)行。其中室外環(huán)境的測(cè)試在操場(chǎng)上進(jìn)行，經(jīng)測(cè)試在兩節(jié)點(diǎn)相距70米左右時(shí)仍然能進(jìn)行正常通信，但是在通信距離超過(guò)150米左右時(shí)發(fā)生通信中斷的現(xiàn)象。室內(nèi)環(huán)境測(cè)試，由于障礙物的存在，節(jié)點(diǎn)通信的距離下降十分明顯，在不需要穿墻時(shí)的通信距離在65米左右，穿兩堵墻時(shí)的通信距離在50米左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以C51單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)DS18B20溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，并利用nRF905無(wú)線傳輸模塊和液晶屏1602進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)和顯示。通過(guò)對(duì)軟件代碼的精心修改使得最終的系統(tǒng)調(diào)試獲得滿意的結(jié)果，達(dá)到了最終的設(shè)計(jì)目的。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]