一種實(shí)用型無(wú)線溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

梁越勇 徐 倩 季航宇 浦希成

（江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212001）

1 引言

本次設(shè)計(jì)基于射頻模塊nRF24l01的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，用于控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，是主機(jī)和從機(jī)上的無(wú)線通信子模塊。隨著科技的進(jìn)步，應(yīng)用無(wú)線技術(shù)的產(chǎn)品也日益豐富，低廉的成本和簡(jiǎn)單的原理使得基于無(wú)線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)成為諸多電子產(chǎn)品、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的第一選擇。無(wú)線傳輸正逐步走進(jìn)人們的生活，其特點(diǎn)不僅僅體現(xiàn)在使人們生活變得更加人性化、智能化，更重要的是使人們的生產(chǎn)生活變得安全，效率更高，同時(shí)促進(jìn)了自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本研究融合了無(wú)線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)，以提高人們的生產(chǎn)生活的效率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境溫度的報(bào)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)包含控制中心主模塊，無(wú)線傳輸模塊，溫度傳感器模塊，1602顯示模塊，報(bào)警模塊等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度監(jiān)控。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)周?chē)牟缓细駵囟冗M(jìn)行報(bào)警，當(dāng)溫度超出閾值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。本系統(tǒng)采用的主要硬件有：STC8952單片機(jī)，蜂鳴信號(hào)發(fā)生器，LCD1602顯示屏，18B20溫度傳感器，nRF24L01無(wú)線通訊器件［1～3］等。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖

3 控制中心主模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制中心主模塊主要采用STC89C52芯片，該芯片是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。內(nèi)部電路具有看門(mén)狗硬件電路定時(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷等電路，用來(lái)控制發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作［4］，控制發(fā)射機(jī)上的溫度傳感器把數(shù)據(jù)傳給無(wú)線射頻模塊，接收機(jī)STC89C52控制1602的顯示工作和蜂鳴器的報(bào)警［5］。其引腳如圖2所示。

圖2 STC89C52單片機(jī)引腳圖

3.2 軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的所有軟件程序都是基于Keil uVision3平臺(tái)，采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。

圖3 主機(jī)軟件流程

系統(tǒng)功能中基本結(jié)構(gòu)如下：

void init_io（void）；∕初始化IO 口；

void Temper（）；∕傳感器溫度的采集和處理；

TX_Mode（TX_BUF）；∕把nRF24L01設(shè)置為發(fā)送模式并發(fā)送數(shù)據(jù)；

Check_ACK（1）；∕等待發(fā)送完畢，清除 TX FIFO；

void TX_Mode（uchar*BUF）；∕判斷溫度函數(shù)；

void show（）；∕1602顯示處理；

void proc（）；∕溫度超限處理；

主機(jī)和從機(jī)的基本運(yùn)行過(guò)程如圖3、圖4所示。

圖4 從機(jī)軟件流程

4 功能模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 傳感模塊的設(shè)計(jì)

18B20溫度傳感器的測(cè)量范圍是-55℃～+125℃，固有測(cè)溫誤差1℃。溫度傳感器探頭將外界溫度的高低變化轉(zhuǎn)化為晶振的振蕩頻率的變化，所產(chǎn)生的信號(hào)作為脈沖輸入。該溫度傳感器有三個(gè)引腳，一旦接反就會(huì)立即發(fā)熱，倒導(dǎo)致燒毀。具有斷電溫度信息不丟失的特性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性［6］。

4.2 無(wú)線傳輸模塊

nRF24L01工作在 2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。nRF24L01功耗低，掉電模式和空閑模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便［7］。nRF24L01在發(fā)射模式后進(jìn)入接收模式，如果收到應(yīng)答，系統(tǒng)認(rèn)為此次通信成功，如果沒(méi)有收到應(yīng)答，就會(huì)重新發(fā)射數(shù)據(jù)。此無(wú)線射頻模塊在系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上各有一個(gè)用來(lái)無(wú)線傳輸，并把數(shù)據(jù)傳給相應(yīng)的控制中心主模塊［8］。

4.3 1602顯示模塊

它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。采用標(biāo)準(zhǔn)16腳帶背光接口。P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向I∕O口。作為輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)要求外接上拉電阻。當(dāng)報(bào)警器工作時(shí)，1606顯示模塊顯示當(dāng)前設(shè)置的閾值溫度和由發(fā)射機(jī)傳來(lái)的當(dāng)前環(huán)境溫度，通過(guò)按鍵可對(duì)當(dāng)前閾值溫度進(jìn)行調(diào)整，最低溫度不得高于設(shè)置的最高溫度。

4.4 報(bào)警模塊

蜂鳴器采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車(chē)電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件［9～10］。與無(wú)源蜂鳴器不同，有源蜂鳴器帶振蕩源，可以采用直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4.5 SPI協(xié)議

本設(shè)計(jì)采用主從方式的SPI協(xié)議，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信［11］。

5 特色設(shè)計(jì)

5.1 電源模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中使用的電源需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于正常用電是220V的交流電，而STC89C52和其他功能模塊是在5V直流電源下工作的，所以需要另外設(shè)計(jì)一個(gè)5V直流電源。要得到穩(wěn)定可用的DC5V電源，要將50HZ的交流電經(jīng)降壓變壓器降為12V交流電，然后通過(guò)橋式整流器、電容濾波后得到12*0.9=10.8的直流電，由于不夠穩(wěn)定，所以還要在該直流電后面加一個(gè)集成穩(wěn)壓塊和一個(gè)較大電容作為儲(chǔ)能用，使得輸出電壓不因負(fù)載的變化而影響。

電源對(duì)模塊的整體運(yùn)行十分重要，嚴(yán)格設(shè)計(jì)的電源可以大大降低模塊的非正常關(guān)機(jī)率。由于本溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)微系統(tǒng)，通常情況下應(yīng)通過(guò)指令A(yù)T^SMSO來(lái)進(jìn)行關(guān)閉，同時(shí)一定要確認(rèn)模塊關(guān)機(jī)后再進(jìn)行切斷電源的操作。在實(shí)際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)會(huì)時(shí)常發(fā)生斷電情況，則需要為該溫度報(bào)警器配備備用電池，以保證系統(tǒng)的正常工作。我們?cè)谠O(shè)計(jì)的5V電源后加一個(gè)TR1972-33，使得電壓約為4.4V，再接一個(gè)470微法的電解電容。

電源設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。

圖5 電源設(shè)計(jì)電路圖

5.2 擴(kuò)展設(shè)計(jì)的研究與實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度報(bào)警器是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中，小范圍的檢測(cè)區(qū)域適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)，如果是較大范圍的區(qū)域，往往需要多點(diǎn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，即一對(duì)多的檢測(cè)體系，基于本設(shè)計(jì)我們進(jìn)行了基于一對(duì)多的檢測(cè)改進(jìn)，主要的功能模塊是由nRF24L01來(lái)完成，即一個(gè)接收機(jī)對(duì)應(yīng)多個(gè)發(fā)射機(jī)，各個(gè)發(fā)射機(jī)分別被置于不同區(qū)域采集數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后在接收機(jī)的STC89C52進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、控制顯示?？梢栽陲@示屏上顯示多點(diǎn)的平均溫度，以及所有點(diǎn)的最高和最低溫度，通過(guò)和閾值溫度進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)出警報(bào)。多點(diǎn)溫度采集如圖6所示。

圖6 多點(diǎn)溫度采集圖

一對(duì)多的擴(kuò)展設(shè)計(jì)是由各個(gè)一對(duì)一的無(wú)線溫度報(bào)警器組成的，所以我們重點(diǎn)對(duì)一對(duì)一的溫度報(bào)警器進(jìn)行研究和測(cè)試，后期進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，廣泛應(yīng)用，增加該設(shè)計(jì)的實(shí)用領(lǐng)域。

6 系統(tǒng)測(cè)試及分析

將主機(jī)和從機(jī)隔開(kāi)20m，分別上電，打開(kāi)電源按鍵，代碼編譯成功后，加載程序文件夾中的hex［12］文件鏈接好下載器就可以下載了，在從機(jī)上設(shè)置好最高溫度T1和最低溫度T2（T1＞T2），主機(jī)上溫度傳感器開(kāi)始獲取周?chē)鷾囟萒，并通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送到從機(jī)，從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，在顯示屏上顯示當(dāng)前溫度，同時(shí)顯示已經(jīng)設(shè)置好的溫度上下限，此時(shí)，我們利用打火機(jī)給主機(jī)升溫，使得T＞T1，這時(shí)蜂鳴器開(kāi)始鳴叫，然后利用冰塊給溫度傳感器降溫，使得T＜T2，這時(shí)蜂鳴器開(kāi)始鳴叫。這時(shí)我們擴(kuò)大主機(jī)和從機(jī)的距離，從機(jī)上的溫度不再隨著主機(jī)溫度傳感器周?chē)鷾囟鹊淖兓兓鳈C(jī)和從機(jī)的連接斷開(kāi)。

6.1 結(jié)果分析

在一定距離之內(nèi)，主機(jī)和從機(jī)保持連接狀態(tài)，從機(jī)顯示當(dāng)前主機(jī)的溫度，并判斷這個(gè)溫度是否在設(shè)置好的溫度之間，在一定溫度范圍內(nèi)，DS18B20可以檢測(cè)溫度變化，該溫度報(bào)警器工作要求如圖6所示。橫軸為溫度測(cè)試范圍，縱軸為距離測(cè)試范圍。

圖7 報(bào)警器溫度、距離要求圖

6.2 特色與創(chuàng)新

1）使用方便：無(wú)需外界網(wǎng)絡(luò)的支持，只需給主機(jī)從機(jī)供電即可工作；

2）人性化設(shè)計(jì)：主機(jī)和從機(jī)都很小，操作容易，顯示器顯示溫度一目了然；

3）緊急報(bào)警功能：當(dāng)主機(jī)溫度超過(guò)理想的溫度范圍時(shí)，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警；

4）可靠：由于采用了跳頻技術(shù)，nRF24L01在性能上穩(wěn)定可靠，即通信設(shè)備會(huì)不斷搜索干擾比較小的信道，可能每隔一段時(shí)間就會(huì)從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率［13～14］，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

5）斷電不丟失：溫度傳感器DS18B20具有斷電不丟失的特性，這使得在操作過(guò)程中即使因某種情況導(dǎo)致斷電，從機(jī)顯示器上依然會(huì)保持前一刻的數(shù)據(jù)［15～16］；

6）有極大的社會(huì)價(jià)值：在工農(nóng)業(yè)中，能夠有效地對(duì)產(chǎn)品、對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)報(bào)告；

7）具有很高的可擴(kuò)展性：可以進(jìn)行深度二次開(kāi)發(fā)，增加具體功能。

7 結(jié)語(yǔ)

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們查閱了大量的相關(guān)文獻(xiàn)，包括單片機(jī)SPI協(xié)議、nRF24L01的原理和使用、C語(yǔ)言的編寫(xiě)、代碼的燒入等內(nèi)容。此次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線報(bào)警的功能，體現(xiàn)了在機(jī)械自動(dòng)化方面的應(yīng)用，本報(bào)警裝置可根據(jù)具體的應(yīng)用背景進(jìn)行改造，完成產(chǎn)品環(huán)境合格度的檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量大小規(guī)格等的檢測(cè)，能夠有效地提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞動(dòng)成本，推動(dòng)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本設(shè)計(jì)的不足是傳輸距離較短，下一步我們將致力于研究如何增大無(wú)線傳輸?shù)木嚯x，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。