基于Wi-Fi無線傳輸?shù)臏囟葴y量系統(tǒng)

劉力郡 / 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院

基于Wi-Fi無線傳輸?shù)臏囟葴y量系統(tǒng)

劉力郡 / 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院

為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)上溫度測量的要求，實現(xiàn)遠距離測量、無線傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種基于Wi-Fi的溫度測量系統(tǒng)。通過設(shè)計硬件電路、軟件算法，利用單片機STC89C52進行控制，溫度傳感器DS18B20進行測量。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)準確的溫度采集，控制合理誤差，工作穩(wěn)定。

Wi-Fi；無線數(shù)據(jù)傳輸；DS18B20；溫度測量

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的基本參數(shù)，在材料成型、化工生產(chǎn)、試驗工藝、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等方面，均與溫度調(diào)控有著十分密切的聯(lián)系。作為被控參數(shù)，需要根據(jù)其場所的不同、溫度范圍與準確度的要求不同，實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)測，并對其完成有效的控制[1]。因此，溫度測量技術(shù)在工業(yè)各領(lǐng)域中，對溫度控制的準確性、可靠性和穩(wěn)定性成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要指標。

使用Wi-Fi能實現(xiàn)20～300 m的通信距離，可達到11～54 Mbps的傳輸速度，安全性能高，功耗較低的優(yōu)勢。本文以STC89C52單片機為控制核心，以數(shù)字溫度傳感器DS18B20為測溫元件，使用無線網(wǎng)絡(luò)模塊FX-DS540-APDL2-U，設(shè)計一種溫度測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)無線傳輸?shù)臏囟葴y量功能[2]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)在構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下，結(jié)合溫度測量電路，由溫度接收與處理、溫度采集與發(fā)射兩大部分組成，形成工業(yè)無線溫度測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

利用Wi-Fi作為無線傳輸形式，通過其無線收發(fā)的方式將溫度接收與處理、溫度采集與發(fā)射聯(lián)系在一起，由前者下達啟動測溫命令，后者在接收到無線信號后將測量的結(jié)果發(fā)回，最終由液晶模塊以數(shù)字的形式將處理后的測量結(jié)果顯示出來。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

Wi-Fi的協(xié)議標準IEEE802.11標準提供了多種組網(wǎng)方式，有點對點、單AP、無線網(wǎng)橋、無線中繼器等模式。一般考慮在工業(yè)生產(chǎn)過程中，無線溫度控制網(wǎng)絡(luò)需要具有一定的靈活性及擴展性，可結(jié)合單AP與無線中繼器模式進行組網(wǎng)，構(gòu)建起拓撲結(jié)構(gòu)自上而下為：管理層、傳輸層、控制層的Wi-Fi無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 溫度控制回路

在溫度控制回路中，由控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、濾波器、加熱元件以及溫度對象等組成。溫度控制回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器接收到經(jīng)濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理完成的溫度信號，根據(jù)算法進行處理，并發(fā)出控制指令，控制指令經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊處理，以輸出電壓的形式控制加熱元件，從而達到調(diào)節(jié)對象溫度的目的。

工控機分布在管理層，用于實現(xiàn)對溫度對象的溫度變化情況的實時監(jiān)測。Wi-Fi傳輸模塊位于傳輸層，用于實現(xiàn)管理層與控制層之間的無線數(shù)據(jù)傳輸?？刂茖佑煽刂破?、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、濾波器、溫度傳感器、加熱元件及被控溫度對象組成。

圖2 溫度控制回路結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)硬件電路

2.3.1 STC89C52最小系統(tǒng)電路

主控制器采用單片機STC89C52,具有指令執(zhí)行速度快、功耗低、穩(wěn)定性強等特點，內(nèi)部8 K的程序存儲空間，芯片集成32個輸入輸出引腳，時鐘電路、系統(tǒng)復位電路和地址選擇電路共同組成最小系統(tǒng)[3]。其最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 STC89C52最小系統(tǒng)電路

2.3.2 溫度采集電路

溫度采集由數(shù)字溫度傳感器DS18B20完成，其工作電壓在3.3～5 V的范圍內(nèi)，可監(jiān)控-55～125 ℃范圍內(nèi)的溫度變化，誤差不大于±0.5 ℃。DS18B20的單總線數(shù)據(jù)輸出端由單片機STC89C52的P1.6引腳接出，其1、3腳各接電源及系統(tǒng)接地[4]。溫度采集電路，如圖4所示。

圖4 溫度采集電路

2.3.3 液晶顯示電路

液晶顯示可采用圖形液晶顯示模塊GSM12864，它是一種低功耗、點陣式LCD模塊，可與主控制器直接相連，其工作原理如圖5所示。單片機STC89C52的P0接口可與液晶模塊的數(shù)據(jù)總線DB0～DB7相連；P2的0、1、3、5、6引腳與液晶模塊的/CSD、/CSA、E、R/W、D/I引腳相連[5]。

圖5 液晶模塊工作原理

3 系統(tǒng)軟件分析

溫度接收與處理部分系統(tǒng)初始化過程中，使得系統(tǒng)上電后各部件處于待機狀態(tài)，通過按鍵方式啟動發(fā)送測溫命令，同時單片機通過控制P1.1引腳開啟接收器，等待收到溫度值后，單片機通過延時，使得無線收發(fā)模塊的發(fā)射器件處于低功耗狀態(tài)。每接收到1個數(shù)據(jù)就進行顯示，測量完成后置使系統(tǒng)復位到原始狀態(tài)，等待下次測量。

溫度采集與發(fā)射部分系統(tǒng)初始化過程中，使得系統(tǒng)上電后接收器件處于工作狀態(tài)，發(fā)射器件處于低功耗狀態(tài)以及溫度傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)。待接收到測溫命令后，單片機通過控制P1.1 接口使得處于低功耗狀態(tài)。同時開啟溫度傳感器以及通過延時啟動，待測量完成后，使系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)[6]。

4 實驗結(jié)果

采用三點監(jiān)測，使用三個溫度傳感器對工業(yè)環(huán)境室內(nèi)溫度進行測量，分早、中、晚三個時間段與標準溫度計進行對比測量，盡量減少實驗測量誤差，保證其準確性。測量結(jié)果如表1所示。

表1 測量值與標準值的比較

由此可知，通過該系統(tǒng)的溫度測量值與標準溫度計測得數(shù)值保持一致，能夠達到準確測量溫度的目的，有實際的使用價值。

5 結(jié)語

本文提出的測溫系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場各類設(shè)備完成連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理，也可以擴展溫度控制系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)測溫而且實現(xiàn)控溫的要求，系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，布局形式靈活，功能擴展方便的特點，有一定的實用價值。

[1]熊強強，裴慧琴，奚建平，等.一種智能多點溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2017，36（5）：55-58.

[2]李長才，肖金球，張少華.基于nRF24L01的無線多點溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2016，39（6）：94-97.

[3]馬臣崗，孟立凡.基于單總線式無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010，18（3）：32-37.

[4]徐正平，許永森，孫超.多通道并行溫度采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2014，37（12）：93-98.

[5]余瑾，姚燕.基于DS18B20測溫的單片機溫度控制系統(tǒng)[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用，2009，25（3）：105-107.

[6]蔣萍花，張楠.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2015，38（6）：139-142.

A design of temperature measurement system based on Wi-Fi wireless transmission

Liu Lijun
（Xi’an Railway Vocational & Technical Institute）

In order to adapt to the measurement of the temperature of the requirements of industrial production, remote measurement, wireless data transmission, a design of temperature measurement system based on Wi-Fi, which is controlled by single chip STC89C52, temperature sensor DS18B20 were measured, and the temperature of liquid crystal display.Through the design of its hardware circuit and software algorithm,the experimental results show that the system can achieve accurate temperature acquisition. It is reasonable to control, stable to work.

Wi-Fi;wireless data transmission; DS18B20; temperature monitoring