基于太陽能的節(jié)能溫度測試系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】太陽能電源無線測溫系統(tǒng)是一種集溫度信號采集、大容量存儲、射頻發(fā)送、LCD動態(tài)顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統(tǒng)。針對發(fā)電廠、孤島、鉆井施工等許多不宜進行有線測溫和功率受限的場合。本文設(shè)計了一款基于太陽能的無線測溫系統(tǒng)系統(tǒng)，具有功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強等特點。

【關(guān)鍵詞】溫度測試;單片機;太陽能

1.引言

溫度是工業(yè)，化工，航天等行業(yè)生產(chǎn)過程中最基本的環(huán)境因素，因此安全，快捷地取得溫度就顯得尤為重要，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前涌現(xiàn)出了各種各樣的溫度采集設(shè)備。這些設(shè)備大部分工作于復(fù)雜艱苦的環(huán)境中，目前大部分的測溫系統(tǒng)仍然是基于電能的有線測溫系統(tǒng)，然而在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，有線測溫系統(tǒng)收到了很大的限制，使用nRF2401單片射頻收發(fā)芯片制作無線通信模塊，可以適應(yīng)多種無線通信場合，具有能耗少，設(shè)計方便的優(yōu)點。溫度測試系統(tǒng)的電源設(shè)計非常重要，由于傳統(tǒng)的基于電池的溫度測試系統(tǒng)電池壽命較短，為日后的使用和維護帶來了隱患，因此，本文選擇在耗電量較小的溫度檢測設(shè)備中，使用新型的綠色可再生能源太陽能作為電源[1]。

2.溫度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理

本文設(shè)計的無線測溫系統(tǒng)由5個部分組成：無限收發(fā)模塊，溫度傳感器模塊，溫度顯示模塊，太陽能電源模塊和無線收發(fā)模塊[2]。具體如圖1顯示：

圖1 無線測溫系統(tǒng)

圖1所示的單片機控制系統(tǒng)由微型控制器AT89S52設(shè)計實現(xiàn)，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程，F(xiàn)lash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案[3]。

無線收發(fā)模塊由NRF24L01芯片設(shè)計而成，nRF24L01是一款工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2.4GHz全球開放ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合增強型ShockBurst技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。通過NRF24L01設(shè)計溫測系統(tǒng)無線裝置，具有功耗小，功能完善，價格低廉等優(yōu)勢[2]。

目前市場上的溫度傳感器種類繁多，由64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器組成的DS18B20是一種新型的“一線器件”[4]。它的體積小，使用時消耗能量比較低，適用范圍廣泛，特性非常契合本文設(shè)計溫度測試系統(tǒng)的需求，與單片機相連時，只需連接單片機的一個I/O接口，并外接一個4.7K的上拉電阻即可使用，設(shè)計簡單快捷。

上述三個模塊相互結(jié)合，并外接太陽能電源，使用液晶顯示器顯示溫度即可，溫度測試系統(tǒng)全局設(shè)計具體如圖2所示。

圖2 溫度測試系統(tǒng)具體設(shè)計

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于太陽能電源的無線測溫系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)主要包括發(fā)送端和接收端，在發(fā)送端：系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20采集溫度，采集到的溫度經(jīng)單片機處理后由無線收發(fā)模塊NRF24L01發(fā)射。在接收端：由無線收發(fā)模塊NRF24L01接收來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)單片機讀取后做后續(xù)處理。

3.1 電源模塊設(shè)計

（1）發(fā)射機電源模塊：采用太陽能電池和蓄電池相互結(jié)合供電，如圖3所示：

圖3 發(fā)射機電源模塊

（2）接收端電源模塊：采用USB供電，供電電路比較簡單，如圖4所示。

圖4 接收機電源模塊

3.2 無線測溫接收模塊的設(shè)計

nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引腳則可接STC12LE5408的任意端口，但需在編程時注意，這里接至P1端口，如圖5所示：

圖5 無線測溫接收模塊

3.3 溫度傳感器DS18B20的設(shè)計

DSl8B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字1-Wire溫度傳感器，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理，采用1-Wire接口。DSl8B20的數(shù)據(jù)端DQ可通過4.7kΩ的上拉電阻接STC12LE5408。電路如圖6所示：

圖6 溫度傳感器DS18B20

4.軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 發(fā)射電路軟件的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分上電后首先配置nRF24L01的相關(guān)寄存器[5].使其工作在發(fā)射狀態(tài)，然后復(fù)位DSl8B20，向DSl8B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，讀取已轉(zhuǎn)換的溫度值，然后由nRF24L01發(fā)送.發(fā)送流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)射電路

這里需注意DS18B20是單總線器件.其硬件接口比較簡單，這是以相對復(fù)雜的軟件編程為代價的。DS18B20與單片機的接口協(xié)議也是通過嚴格的時序來實現(xiàn)的。雖然增加軟件開銷，但由于STC12LE5408運行速度快，可以滿足系統(tǒng)要求。另外，對DS18B20操作的程序必須按照初始化，ROM操作命令，存儲器操作命令，執(zhí)行/數(shù)據(jù)的先后順序進行。如果總線上只掛1個DS18B20，初始化后可執(zhí)行跳過ROM命令，再發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令。溫度轉(zhuǎn)換完成后，將溫度值暫存在發(fā)送緩沖區(qū)tx_buf中，然后通過nRF24L01發(fā)送。

4.2 接收電路軟件的設(shè)計

nRF24L01在數(shù)據(jù)接收顯示中為接收狀態(tài)，當(dāng)nRF24L01模塊配置為接收模式后，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)中斷時，從接收FIFO讀取數(shù)據(jù)。然后將其存儲到接收緩沖區(qū)rX_bur中。其接收流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)接收電路

5.實驗結(jié)果

本系統(tǒng)基于單片機，利用NRF24L01的特點實現(xiàn)了無線測溫功能，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，新能源電源等優(yōu)點，由于同時使用太陽能和蓄電池電源，太陽能電源吸收的能量儲備在蓄電池中，從而使得電池使用時間大大增強，具體使用中，溫度測量基本符合要求，表1是溫度測量對比結(jié)果

表1 溫度測量圖

DS18B20溫度傳感器 標準數(shù)字溫度計

24.1℃ 24.2℃

25.2℃ 25.2℃

27.4℃ 27.5℃

33.0℃ 33.0℃

當(dāng)建筑物很多的時候，收發(fā)電路均放置在地面時，能夠達到的最佳通信距離為40～70m;在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有人員走動或其他信號出現(xiàn)的時候，通信的距離會變得不穩(wěn)定，這是由于天線是一個輻射器件，在其附近的物質(zhì)或尺寸的任何改變都會影響天線的性能，包括輻射增益分布、天線阻抗和調(diào)諧等等。表2是無線測定無線收發(fā)模塊的傳輸距離。

表2 傳輸距離（無天線）

環(huán)境 傳輸距離（m）

無障礙物 38

在走廊 46

6.結(jié)論

本文實現(xiàn)了基于太陽能的溫度測試系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于操作，測量精確，適應(yīng)性強等優(yōu)點?？梢栽诓煌沫h(huán)境測量溫度，該測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，使用時間長，適應(yīng)大部分的測量場合，使用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]何朝陽，戴君，吳立琴.基于STC12C5410AD太陽能路燈控制器設(shè)計[J].國外電子元器件，2007（3）：27-30

[2]王振，胡清，黃杰.基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].廣東工業(yè)大學(xué).

[3]張毅剛，彭喜元，鵬宇.單片機原理及應(yīng)用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]劉衛(wèi)民.集成溫度傳感器DS1820原理及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2008（21）：52.

[5]李蒙，毛建東.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，128-135.

作者簡介：郭曉莉（1963—），河北高陽人，太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要研究方向：有線電視網(wǎng)絡(luò)，單片機。