基于單片機(jī)的溫度采集和無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱鎮(zhèn)

（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠大慶地震臺(tái)，黑龍江 大慶 163414）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，除了單片機(jī)這一核心，還包括能對(duì)溫度信息進(jìn)行采集的溫度傳感器、能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)臒o線信號(hào)傳輸以及串口通信模塊等。為保證數(shù)據(jù)采集的效果，在對(duì)溫度傳感器決心選擇時(shí)采用DS18B20，將其直接連接到MCU單片機(jī)并口，系統(tǒng)控制核心選擇STC89C52RC單片機(jī)，以附帶的八段數(shù)碼管顯示單元把接收到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示出來。單片機(jī)和ZigBee無線發(fā)射模塊的連接主要依托串口轉(zhuǎn)換電路，另一模塊則連接PC端，為數(shù)據(jù)無線傳輸提供支撐。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

選擇STC公司的C89C52RC單片機(jī)，其本身具備8KB系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器以及512B的RAM，內(nèi)置MAX810復(fù)位電路，配合3個(gè)16位定時(shí)器以及4個(gè)8位通用I/O控制端口，再加上可自由編程的全雙工串口，能夠適應(yīng)多數(shù)工作環(huán)境要求。單片機(jī)的工作電壓在3.3～5.5V之間，與其他MCS—51單片機(jī)相比，該單片機(jī)的運(yùn)行速度更快、性能更好、功耗更低，在配備4位8段共陰極數(shù)碼管的情況下，能夠?qū)邮盏降臏囟葦?shù)據(jù)直接顯示出來，而且顯示出的數(shù)據(jù)精度較高。運(yùn)用74HC573來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鎖存功能，不僅保證了數(shù)據(jù)安全，還能夠?qū)ο到y(tǒng)中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)更新，更能使單片機(jī)本身所具備的I/O控制端口得到充分的利用。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)實(shí)際上是模擬量，要對(duì)其進(jìn)行讀取和顯示，必須先將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，DS18B20所具備的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。DS18B20是一種單線式、可編程的數(shù)字溫度傳感器，其體積較小，數(shù)據(jù)采集精度高，而且具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠?qū)⒉杉降臏囟戎苯愚D(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并經(jīng)由數(shù)據(jù)端傳輸。DS18B20特殊的單線數(shù)據(jù)串行接口在保證數(shù)據(jù)傳輸安全性的同時(shí)也能夠減少控制器端口，經(jīng)由數(shù)據(jù)線引入相應(yīng)的寄生電源就可以實(shí)現(xiàn)有效供電，因此在使用中十分方便。傳感器能夠測(cè)量的溫度范圍在-55～125℃，封裝后具備良好的適應(yīng)能力，在狹小空間數(shù)字測(cè)溫和控制中優(yōu)勢(shì)明顯。

在DS18B20內(nèi)部包含了溫度傳感器、64位光刻ROM、非揮發(fā)溫度報(bào)警觸發(fā)器以及TL配置寄存器。其中64為光刻ROM的排序依次為產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)（8位）、傳感器本身序列號(hào)（48位）以及前面數(shù)字的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（8位），能夠使所有的DS18B20具備自身獨(dú)有的特征，確保一根總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18B20。存儲(chǔ)器可以分為兩種，一種是包含8B的存儲(chǔ)器所構(gòu)成的高速暫存器RAM；另一種則是可電擦除RAM，這種特殊的存儲(chǔ)器可以進(jìn)一步劃分成溫度觸發(fā)器TH和TL以及相應(yīng)的配置寄存器，基本上溫度觸發(fā)器TH和TL的構(gòu)成均為單一EEPROM字節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況來設(shè)置好溫度的上限和下限值，并將設(shè)置好的數(shù)值寫入到控制系統(tǒng)中，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)有效的控制。在每次溫度測(cè)量結(jié)束后，溫度傳感器DS18B20會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)進(jìn)行整理，然后存儲(chǔ)到相應(yīng)的暫存器中，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以被相關(guān)指令讀取。

2.3 ZigBee模塊

ZigBee無線傳輸模塊具有功耗低、成本低、延時(shí)短、容量高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低速率近距離自組網(wǎng)的無線通信，在自動(dòng)化工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在該設(shè)計(jì)中采用主流ZigBee內(nèi)核芯片CC2530，芯片中融入了IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬無線模塊的有效控制，而且能夠在單片機(jī)和無線設(shè)備之間提供一個(gè)接口，能夠發(fā)出指令、讀取狀態(tài)，也可以對(duì)無線設(shè)備時(shí)間的順序進(jìn)行自動(dòng)確定，多樣化的運(yùn)行模式使芯片能夠適應(yīng)超低功耗的要求。為確保無線模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)PC端以及單片機(jī)開發(fā)板之間的串口連接，將ZigBee無線傳輸內(nèi)核與串流轉(zhuǎn)換電路組合封裝后，形成QAZ2231模塊，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)多點(diǎn)組網(wǎng)通信。

3 接口及電路設(shè)計(jì)

3.1 串口轉(zhuǎn)換電路

為方便實(shí)現(xiàn)模塊化應(yīng)用，提升系統(tǒng)的適用性，在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該確保單片機(jī)與CC2530芯片的連接采用電平轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)由串口實(shí)現(xiàn)直接連接。轉(zhuǎn)換芯片可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，這里推薦MAX232，利用該芯片中的第2路引腳接口，能夠非常簡(jiǎn)單地完成與RS232串口、單片機(jī)乃至CC2530的有效連接，具體如圖2所示。

圖2 串口轉(zhuǎn)換電路

3.2 單片機(jī)控制電路

系統(tǒng)利用DS18B20溫度傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由單線端口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連通。對(duì)系統(tǒng)核心控制單元的單片機(jī)而言，在實(shí)際運(yùn)行中能夠?qū)⒆陨斫邮盏降挠蓽囟葌鞲衅鱾鬏數(shù)臄?shù)據(jù)信息經(jīng)由相應(yīng)的數(shù)碼管實(shí)時(shí)地展示出來，如果搭配74HC573數(shù)字鎖存芯片，則能夠?qū)︽i存的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的傳輸，再結(jié)合PO端口提供的數(shù)據(jù)信息，能夠切實(shí)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

4 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)上電后，初始化單片機(jī)以及溫度傳感器，檢測(cè)數(shù)據(jù)端口，確認(rèn)無誤后可以經(jīng)由相應(yīng)的串口，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線模塊，再同步發(fā)送至系統(tǒng)，于數(shù)碼管中直接顯示。對(duì)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該嚴(yán)格遵循DS18B20的工作時(shí)序，如果需要進(jìn)行讀寫操作，必須先進(jìn)行復(fù)位并同步發(fā)送一條ROM指令，確認(rèn)后才能發(fā)送RAM指令，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的預(yù)定操作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集。無線傳輸同樣需要嚴(yán)格依照CC2530協(xié)議棧及控制邏輯的要求進(jìn)行。此處對(duì)部分軟件程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單展示：

//DS18B20 初始化操作

Voidds_init()void

{

Bit flag； //定義有效標(biāo)志位變量

DQ=1；

Delay（1）； //等待5μs

DQ=0； //拉低總線

Delay（100）； //延時(shí)超過480μs，總線中所有器件復(fù)位

DQ=1； //釋放總線使其處于空閑狀態(tài)

Delay（8）； //檢測(cè)間隙，確保其處于15μs-60μs之間

flag=DQ； //狀態(tài)標(biāo)志讀取，0表示復(fù)位成功，1表示復(fù)位失敗

Delay（20）； //等待脈沖輸入完畢：60μs-240μs

DQ=0； //釋放總線

}

//讀取溫度

5 結(jié)語

在工業(yè)和生活領(lǐng)域，單片機(jī)微控制溫度采集系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用，基于地震前兆水溫觀測(cè)的實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的溫度采集和無線傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低廉，而且模塊化的設(shè)計(jì)能夠依照實(shí)際需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集通道的自由添加，具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，在水體溫度、環(huán)境溫度等檢測(cè)和控制中，有著較強(qiáng)的實(shí)用性。