溫度采集系統(tǒng)的硬件設計與仿真實現(xiàn)

熊啟金，姜 茹，匡仁 ，占禮彬，馬向進

（南昌工程學院 信息工程學院，江西 南昌 330099）

0 引 言

隨著信息技術的發(fā)展以及工農業(yè)生產(chǎn)管理技術要求的不斷提高，自動監(jiān)測工業(yè)和農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度已成為基本要求，溫度信息的采集成為生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測管理的重要要素。此外，溫度信息的監(jiān)測在其他領域亦發(fā)揮著重要作用，如大樓火災報警裝置等[1]。公路上的路面信息采集、溫度回饋也是系統(tǒng)的重要組成，如冷庫溫度的智能控制等[2]。隨著應用空間的增大，溫度采集的環(huán)境也愈加復雜。傳統(tǒng)的有線溫度監(jiān)測已跟不上時代的步伐。不論是公路上的高溫還是冷庫的低溫，對于電線來說損害極大，而線路一旦損壞還可能帶來其他問題。因而對于無線傳輸?shù)膶崟r溫度采集系統(tǒng)的需求就顯得尤為迫切。

為此，本文設計基于單片機與串口轉WiFi技術的溫度采集硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用51系列單片機控制溫度傳感器采集溫度信息，由顯示模塊實時顯示，然后利用串口轉WiFi模塊把溫度信息發(fā)送至Android平臺的溫度采集軟件上。設計的硬件系統(tǒng)能與Android終端建立可靠、穩(wěn)定的鏈接，實現(xiàn)溫度的實時采集與顯示。

1 硬件系統(tǒng)整體設計

1.1 總體結構

溫度采集硬件系統(tǒng)基本方案如圖1所示。系統(tǒng)采用AT89C52作為控制芯片，由晶體振蕩器提供時鐘頻率，溫度傳感器選用DS18B20采集信息，并通過LCD1602液晶屏顯示。傳感器DS18B20采集溫度信息后，通過DQ引腳與AT89C52單片機的I/O口相連，單片機其他I/O口與LM016L液晶顯示器相應引腳相連。對于Android和WiFi的整體硬件設計部分而言，主要設計建立硬件采集系統(tǒng)與串口轉WiFi 模塊的通信連接，并通過串口轉WiFi將信息發(fā)送出去。用戶在WiFi設備附近通過Android手機接收信號，由程序讀取硬件采集的溫度信息，從而實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)測。

圖1 溫度采集硬件系統(tǒng)總體架構

1.2 硬件模塊設計

硬件系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、溫度傳感器、顯示模塊、串口轉WiFi模塊組成。

1.2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路和單片機組成[3]，其仿真圖如圖2所示，其中時鐘電路的晶振為11.059 2 MHz。

1.2.2 傳感器模塊

系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器，該傳感器主要由64 位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器[4]組成，其內部結構如圖3所示。ROM中的64位序列號已在出廠前被光刻好，可將其看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列碼均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼為CRC=X8+X5+X4+1。ROM的用處在于使每個DS18B20具有唯一性，實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。Proteus仿真如圖4所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

圖3 傳感器內部結構圖

圖4 傳感器仿真圖

1.2.3 顯示模塊

系統(tǒng)采用LM016L液晶模塊顯示，該模塊由HD44780控制[5]。HD44780具有簡單、功能較強的指令集，可實現(xiàn)字符移動、閃爍等功能。LM016L與單片機MCU（Microcontroller Unit）可采用8位或4位并行方式通信。HD44780控制器由兩個8位寄存器、指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標志（BF）、顯示數(shù)據(jù)RAM （DDRAM）、字符發(fā)生器 ROM（CGROM）、字符發(fā)生器RAM （CGRAM）、地址計數(shù)器（AC）構成，其Proteus仿真如圖5所示。

圖5 LED顯示

1.2.4 串口轉WiFi模塊

系統(tǒng)采用有人科技串口轉WiFi模塊USR-WIFI232-L，具體使用步驟如下：

（1）使用USB轉串口線連接筆記本USB口及串口轉WiFi模塊。

（2）連接完成后，為串口轉WiFi模塊接通電源，紅色指示燈亮起約20 s，綠色指示燈亮起。

（3）此時可用手機連接USR-WIFI232-T的WiFi。

（4）打開測試軟件USR-TCP232-Test.exe，選擇硬件連接到計算機串口號（需與計算機所用端口號一致），點擊打開。

（5）打開手機測試軟件，點擊TCP Client切換界面，單擊“+”按鈕，此時會出現(xiàn)一個彈窗，在IP編輯框內填10.10.100.254，端口編輯框內填8899，單擊增加按鈕創(chuàng)建一個TCP 連接，若提示連接成功，則證明已成功創(chuàng)建了該模塊的TCP連接。

（6）輸入數(shù)據(jù)進行傳輸驗證。

2 系統(tǒng)仿真驗證

通過串口把溫度采集模塊和Android系統(tǒng)的接收模塊連接起來。首先，在電路上加串口電路，然后利用串口助手發(fā)送軟件串口信息。在電腦上連接一個串口轉WiFi模塊，使單片機的溫度信息通過串口以WiFi形式發(fā)送出來。而后手機用戶可以通過自身應用接收信息，實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控。

在Proteus的電路中添加串口連接電路，且重新導入修改并編譯生成的.hex文件，插入串口轉WiFi設備后打開。通過設備管理器查看設備端口號，編輯Proteus上COMPIM的編輯屬性設置端口號保持一致。打開Android手機WiFi連接轉WiFi設備的熱點與溫度接收APP，運行仿真結果如圖6所示，手機終端結果顯示如圖7所示。

圖6 PC界面Proteus仿真效果圖

圖7 手機終端結果顯示

當在Proteus平臺中設置溫度為59℃時，信號通過串口模塊傳至串口轉WiFi模塊，再經(jīng)串口轉WiFi模塊傳至手機端軟件。從圖6和圖7的結果可以看出，手機APP顯示的溫度值與Proteus仿真平臺所采集的溫度一致。

3 結 語

本文設計了基于單片機與串口轉WiFi技術的溫度采集硬件系統(tǒng)，經(jīng)實驗證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠較好地完成溫度的實時采集與顯示，具有一定的社會價值與廣闊的推廣前景。