基于單片機(jī)的無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

楊智霞

(巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841002)

0 引言

在人們生活與生產(chǎn)過程中，溫度、電壓、壓力等均是比較常用的被控參數(shù)，其中溫度控制尤為關(guān)鍵，是日常生活與生產(chǎn)中的主要參數(shù)。人們對溫度檢測和控制要求在不斷提高，運用單片機(jī)監(jiān)控溫度不但控制便捷、操作靈活，而且非常簡單，可以提升被控溫度技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題在生產(chǎn)過程中常常會遇到。單片機(jī)包含了各種元器件，如ROM，CPU，RAM等，僅需要外加電源與晶振就能夠合理控制數(shù)字信息，在生產(chǎn)控制中運用甚廣[1]。但是，當(dāng)前諸多溫度檢測均是有線的，不能滿足實際相關(guān)需求，即使是無線檢測也多為單路的，且大部分只限于檢測，尚未實現(xiàn)監(jiān)控。所以，基于單片機(jī)的無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計是很有必要的。

1 基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

隨著社會的持續(xù)發(fā)展，溫度測量和控制變得愈加重要。溫度普遍作用于生產(chǎn)過程與科學(xué)實驗中，是非常重要的物理參數(shù)。生產(chǎn)過程中要全面提升生產(chǎn)效率，就需要對生產(chǎn)工藝中的溫度和速度等重要參數(shù)加以嚴(yán)格把控，其中溫度控制在實踐生產(chǎn)過程中占比較大[2]。精準(zhǔn)測量與嚴(yán)格把控溫度是實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和低消耗生產(chǎn)的主要條件。在生產(chǎn)過程中，為了確保生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行，提升控制精度，需要使用微電子技術(shù)，其作用在于有效改善勞動條件，避免能源浪費，節(jié)省資源，預(yù)防生產(chǎn)與設(shè)備發(fā)生事故，從而獲得更加優(yōu)質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)與更高的經(jīng)濟(jì)效益。以單片機(jī)嚴(yán)格控制溫度，除了具備控制便捷性和靈活性的優(yōu)點外，還能全面提升被控溫度技術(shù)指標(biāo)。

現(xiàn)代工藝大多需要對實時溫度加以監(jiān)測與控制，同時對精度的要求也在不斷提升。溫度控制系統(tǒng)得到了國內(nèi)外相關(guān)業(yè)界人士的較多關(guān)注，獲得了非常廣泛的運用，其發(fā)展速度愈漸加快，也取得了非常好的成果。隨著單片微處理器的性能逐漸完善與提升、價格的持續(xù)下降，讓單片微處理器的性價比優(yōu)勢變得越來越明顯。如何將單片微處理器合理運用于溫度自動控制方面，是現(xiàn)代生產(chǎn)廠商所關(guān)注的問題。

現(xiàn)如今，發(fā)達(dá)國家的自動化水平持續(xù)提升，裝備健全且完整的檢測儀表與計算機(jī)控制系統(tǒng)，計算機(jī)控制系統(tǒng)使用集散系統(tǒng)以及分布式系統(tǒng)，大多數(shù)配置了最新控制算法，可以取得非常好的工藝性能指標(biāo)。伴隨大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機(jī)隨之出現(xiàn)，由于這種計算機(jī)體積不大，具有非常強(qiáng)大的功能，在電子儀表中運用甚廣，出現(xiàn)在各大領(lǐng)域中，比如節(jié)能裝置和機(jī)器人、家用電器和工業(yè)制造等，讓產(chǎn)品越來越智能化和信息化，除了能完善產(chǎn)品功能外，還大大減少了成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計。設(shè)計和制作基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，可以嚴(yán)格控制溫度，使溫度能夠在一定范圍內(nèi)通過人工進(jìn)行設(shè)置，同時可以在溫度變化過程中達(dá)到自動控制。若測量值超過溫度設(shè)置范圍，通過單片機(jī)發(fā)射控制信號，以驅(qū)動電路暫停加熱器工作。

2 基于單片機(jī)的無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)總體設(shè)計運用NRF24L01芯片，連接單片機(jī)檢測和控制短距離溫度，達(dá)到無線傳遞數(shù)據(jù)和通信的目的[3]。發(fā)送主要為單片機(jī)，通過溫度傳感器檢測到數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)經(jīng)過仔細(xì)處理后，運用NRF24L01將溫度數(shù)據(jù)信息傳遞出去；接收主要為單片機(jī)，無線模塊收到的數(shù)據(jù)信息需直接傳遞到單片機(jī)加以處理，單片機(jī)控制LCD1602液晶顯示屏呈現(xiàn)此時的溫度，在溫度超出上下限值時，單片機(jī)對蜂鳴器加以控制，繼而報警，與此同時二極管發(fā)光提示。

3 無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計

3.1 電路模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)和信號指示燈、溫度采集DS18B20和無線發(fā)射NRF24L01構(gòu)成從機(jī)。開通電源后，若電路并未發(fā)生任務(wù)失誤，此時電源指示燈會亮，經(jīng)程序處理溫度傳感器進(jìn)行溫度收集，并將溫度收集數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，運用DS18B20輸出引腳傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)加以處理完成后，將其及時傳遞到無線發(fā)射NRF24L01。單片機(jī)最小系統(tǒng)和無線接收、報警和液晶顯示等模塊構(gòu)成主機(jī)。開通電源后，無線接收到從機(jī)傳遞的信號時，由主機(jī)的單片機(jī)處理完成后，以指令形式把數(shù)據(jù)信息及時傳遞至LCD1602顯示。隨后，在程序中與按鍵設(shè)置的溫度閾值加以比較，高出設(shè)定值，會及時報警，同時二極管發(fā)光。

3.2 顯示模塊

顯示模塊使用的是LCD1602，主機(jī)中設(shè)有4個按鍵，能實時切換從機(jī)溫度，還能在任何時間進(jìn)行溫度上下限值的設(shè)定，并顯示于顯示屏上，便于隨時觀察和控制。LCD1602首個引腳為電源地，下一個引腳接+5 V電源，第3個引腳為液晶顯示對比度調(diào)節(jié)，第4個引腳為寄存器選擇端，第5個引腳為讀寫控制端，第,6個為使能端，第7到第14個為8位數(shù)據(jù)線，第15個到第16個為背光板電源及其電源地。

3.3 單獨傳感器

單片機(jī)能通過協(xié)議和溫度傳感器進(jìn)行通信，以此讀取溫度。其硬件電路十分簡單，但是軟件則十分復(fù)雜。DS18B20能將溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字值，DATA輸出引腳能提供一定數(shù)值，經(jīng)其所輸出的值準(zhǔn)確判斷出現(xiàn)下的溫度，P27為DS18B20發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)端口，以GND接地，VCC接+5 V電源。

3.4 主機(jī)報警電路

單片機(jī)的無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)核心功能是及時監(jiān)督和控制無線多點溫度，若溫度發(fā)生異常時，主機(jī)應(yīng)立即報警，本設(shè)計使用的是聲光報警電路。蜂鳴器用途甚廣，例如用于毒氣檢測，毒氣高出標(biāo)準(zhǔn)濃度，單片機(jī)會立即開啟蜂鳴器報警。本次聲光報警電路同樣運用了蜂鳴器，在溫度高出設(shè)計溫度范圍時，蜂鳴器可以立即報警。報警電路設(shè)計運用三極管加以驅(qū)動，在P26端低電平時，三極管發(fā)射極電壓超出基極電壓，三極管在導(dǎo)通的情況下，蜂鳴器支路電路導(dǎo)通，蜂鳴器及時報警，同時二極管也導(dǎo)通發(fā)光，此時聲光報警器操作結(jié)束。

3.5 按鍵電路模塊

大多數(shù)電路都會使用按鍵電路，根據(jù)按鍵類型的差異性，按鍵功能是不同的，本次按鍵設(shè)計主要是溫度上下限值和確定鍵設(shè)定。其他型號按鍵多用于復(fù)位鍵，不僅能保護(hù)電路，而且在電路板未曾使用時能在任何時間關(guān)閉。一般情況下，其中的接觸銅片是斷開的，各按鍵占用1個I/O線，與單片機(jī)引腳銜接，閉合過程中會出現(xiàn)高低電平脈沖輸送到CPU處理，從而進(jìn)行狀態(tài)判斷[4]。

3.6 無線傳輸

通常在2個NRF24L01的通信過程中，其中任意一個芯片都能設(shè)定成接收端與發(fā)射端，欲使2個芯片順利通信，必須充分滿足以下條件，即2個芯片的頻道和地址、傳輸接收的字節(jié)數(shù)需要相同，否則無法構(gòu)建起良好的通信。

4 無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計

4.1 整體程序

程序設(shè)計存在一定的困難，還是設(shè)計的難點部分，其中LCD1602液晶顯示屏和無線傳輸?shù)鹊某绦蛟O(shè)計為關(guān)鍵所在。程序設(shè)計首先是初始化多種功能函數(shù)；其次判斷鍵盤掃描狀態(tài)，判斷按鍵按下，則實施對應(yīng)的按鍵功能，并進(jìn)行無線數(shù)據(jù)讀取，判斷按鍵尚未按下，則直接進(jìn)行無線數(shù)據(jù)信息讀??；最后判斷溫度值有無超出上下限值，超出限值，則實施報警功能，并顯示于LCD1602液晶顯示屏上，否則只進(jìn)行顯示。

4.2 子程序

(1)發(fā)射。發(fā)射程序設(shè)計為：初始化DC18B20，從DS18B20內(nèi)讀取涵蓋了溫度數(shù)據(jù)信息的字節(jié)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換函數(shù)將讀到的溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制以便于采用，將溫度數(shù)值整數(shù)位放置于定義了的數(shù)組內(nèi)，運用NRF24L01將溫度發(fā)射出。發(fā)射部分的流程為：開始、初始化DS18D20、從DS18B20讀取溫度、轉(zhuǎn)換溫度成十進(jìn)制、把溫度寫入發(fā)射數(shù)組、數(shù)據(jù)發(fā)射、延時等。

(2)接收。接收程序設(shè)計思路為：初始化NRF24L01，步入大循環(huán)準(zhǔn)確判斷狀態(tài)寄存器是否存在接收中斷的情況，若接收中斷，則從FIFO-Buffer讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并把二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，于液晶顯示屏中全面顯示。接收部分的整體流程為：開始、初始化、判斷接收中斷、從RX-FIFO Buffer讀數(shù)據(jù)、讀取無線數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制、LCD1602顯示/返回。

5 性能測試

單片機(jī)為溫度監(jiān)控系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分，可以確保無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)度、實時性及可靠性，為驗證設(shè)計的無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)是有效的，運用C51編程，在確保溫度監(jiān)控系統(tǒng)順利工作的前提下，溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示監(jiān)測點溫度值，如：測量溫度為29.01 ℃，實際溫度是29.03 ℃，測量溫度和實際溫度相差-0.02 ℃；測量溫度是23.15 ℃，實際溫度23.23 ℃，測量溫度和實際溫度誤差為-0.08 ℃；測量溫度為22.41 ℃，實際溫度為22.35 ℃，兩者之間的誤差是+0.06 ℃。

6 安裝和調(diào)試

安裝后的整個電路會變得非常復(fù)雜，必須分模塊加以調(diào)試，調(diào)試過程中遇到各種問題，如第一次通電后毫無反應(yīng)，經(jīng)反復(fù)嘗試和實驗，發(fā)現(xiàn)電路中的不良問題。具體如下：

(1)第一次通電前，由于接線人員因操作出錯接反傳感器，造成傳感器發(fā)熱，通過檢查及時修正錯誤，在查看傳感器完整與否后，嚴(yán)格根據(jù)準(zhǔn)確的連接方式重新連接。

(2)通電以后，顯示器顯示為非數(shù)字，伴有很多亂碼，造成了實驗的停止，通過分析亂碼形態(tài)，同時仔細(xì)觀察并加以測試，了解到譯碼芯片和數(shù)碼管沒有準(zhǔn)確連接，修正后就及時恢復(fù)了正常。

(3)調(diào)試過程中，可能出現(xiàn)顯示器顯示溫度超過實際溫度，檢查發(fā)現(xiàn)是錯誤地把A/D個位與小數(shù)點位連接在了顯示器中，重連后恢復(fù)正常。

(4)數(shù)次通電后計數(shù)均是從4進(jìn)行的，長時間記到0方能進(jìn)入循環(huán)，中間花費的時間過長，進(jìn)行通電復(fù)位處理，讓計數(shù)從1開始。

(5)電路焊接環(huán)節(jié)中，將板子上的叉指結(jié)構(gòu)當(dāng)成公共電源，可以縮減焊線的使用，從而有效提升復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)的利用率。

(6)完成硬件設(shè)計后，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。檢測硬件部分是否存在虛焊、焊接錯誤等問題，單片機(jī)是否處在正常運行狀態(tài)，硬件是否達(dá)到設(shè)計初期預(yù)想的功能。發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。硬件部分存在差錯，必須及時完善，在開展二次設(shè)計過程中，制作結(jié)束以后再次進(jìn)行檢驗，保證硬件部分不會出現(xiàn)不良問題，保證設(shè)計規(guī)劃的可行。系統(tǒng)總計可以進(jìn)行3次修復(fù)，首次需要消除+5 V穩(wěn)壓二極管，第二次需要修改連接的電路。

(7)完成單片機(jī)程序編寫工作后，需要對單片機(jī)溫度采集代碼、發(fā)送端NRF24L01芯片與接收端和數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示檢測，有利于健全單片機(jī)程序部分設(shè)計，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，可以保證單片機(jī)程序正常運行。

(8)系統(tǒng)軟件調(diào)試，需要在完成程序編寫工作后，選擇人工檢查方式錄入單片機(jī)，能夠大大降低錯誤產(chǎn)生的概率。使用C語言，很大概率會出現(xiàn)語法錯誤，要使用其他檢測方法，針對漏寫分號等錯誤，實時消除。

7 系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意的問題

基于單片機(jī)設(shè)計無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計人員需注意以下幾個方面的問題。

第一，在溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中，應(yīng)根據(jù)實際需求進(jìn)行溫度控制，合理設(shè)定上下限值；挑選單片機(jī)芯片時，應(yīng)深入調(diào)查市場中存在的芯片種類，選擇性價比高的芯片，為無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計打下扎實的基礎(chǔ)。

第二，在無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)綜合理論知識與實踐經(jīng)驗，合理優(yōu)化無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)方案。

第三，在實驗環(huán)節(jié)，應(yīng)仔細(xì)對待所有細(xì)節(jié)問題，防止實驗過程中發(fā)生各種問題，提高設(shè)計人員與實驗驗證的效率。

第四，在設(shè)計過程中，設(shè)計工作人員應(yīng)首先采用計算機(jī)進(jìn)行仿真驗證，在仿真驗證通過后，方可進(jìn)行下一步實驗驗證。調(diào)試工作應(yīng)避免全部依賴于計算機(jī)仿真驗證結(jié)果，計算機(jī)驗證是在比較理性的情況下進(jìn)行的，僅可以作為參考，而調(diào)試結(jié)果仍須以實踐為核心。

8 結(jié)語

本文將溫度作為主要研究對象，用各種功能模塊的組合設(shè)計了無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)，涵蓋了溫度檢測、傳輸、按鍵、報警等一系列模塊。在電源接通時，通過選擇鍵控制顯示溫度，設(shè)置鍵設(shè)定上下限溫度，溫度超出上下限時，單片機(jī)自行開啟報警。實驗表示，溫度監(jiān)控系統(tǒng)性能安全穩(wěn)定，精準(zhǔn)度較好，可以實現(xiàn)無線多點監(jiān)控目標(biāo)溫度，具有很好的實用性，且具備一定的推廣應(yīng)用價值。但仍存在著缺陷與不足，需研究人員進(jìn)一步探索與改進(jìn)，從而推動無線多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。