基于無線傳輸的多點溫度采集系統設計與實驗

摘要：文中設計了一種基于無線傳輸的多點溫度采集系統，通過溫度傳感器采集溫度信號，使用無線傳感器通訊，結合單片機來處理并通過上位機進行顯示，實現了溫度采集、多點測量和上位機實時檢測的功能。該檢測系統使用簡單、方便，對于提高工業自動化水平和環境溫度測量具有重大意義。
關鍵詞：溫度采集；單片機；無線傳輸；上位機

隨著計算機技術的快速發展，數據采集與監控系統在工業生產中迅速的得到應用，溫度作為一個重要的物理量，是工業生產過程中最普遍、最重要的工藝參數之一。對于一些特殊環境領域的溫度檢測人體不能直接接觸，只能借助于現代化手段來實現，在過去的工業中一般都是通過人工穿著特質的衣服來實現測量，但傳統的測量方法存在工程量大、不方便、并且對測量人員還會產生危害，所以現代工業越來越需要一種更加方便、實用、準確的溫度檢測方法。針對現代工業的這些問題本實驗組設計出了符合工業化要求的無線溫度測量系統。

1 總體方案設計
本無線多點溫度采集系統主要由單片機最小系統電路、溫度檢測電路、無線收發模塊電路、溫度顯示電路、串口通訊電路等組成。系統框圖如圖1所示。圖中的主機單片機控制模塊為系統的處理核心部件，處理從無線模塊接收到的溫度數據。每個從機系統都帶有溫度采集模塊，使用單總線式溫度傳感器DS18B20采集環境溫度，通過單片機將采集到的溫度數據經過無線模塊時時傳送到主機，主機單片機通過串口通信把接收到的溫度數據傳送至上位機上，最后通過上位機軟件在上位機上實現溫度的檢測。

2 硬件系統設計
2．1 控制器模塊設計
單片機控制器主要用于溫度數據的采集、傳輸以及接收，將接收到的數據通過上位機軟件在上位機上顯示。對于控制器的選擇采用STC8 9C52，該單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現。并且它還具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點。
2．2 溫度采集模塊設計
本次設計采用的是Dallas公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20，其溫度測量范圍為-55～+125℃。每個從機設有一個溫度傳感器，環境溫度通過溫度傳感器DS18B20采集到從機單片機中進行處理。從機單獨供電，這樣設計穩定性好，抗干擾能力強。溫度傳感器電路連接圖如圖2所示。

2．3 無線收發模塊設計
NRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。本設計系統把從溫度傳感器采集得到的數據經過無線模塊NRF24L01傳輸到主機中。無線傳輸可以工作在一些高危領域，避免了有限傳輸的局限性，本設計能進行連續的數據傳輸，無線模塊NRF24L01的傳輸精度高，性能穩定，成本低。其電路連接圖如圖3所示。

2．4 顯示模塊設計
本設計方案采用128x64LCD液晶顯示器和上位機共同顯示，液晶顯示器功率低，驅動方法和硬件連接電路較為簡單，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。上位機顯示直觀，有利于現代化管理。
2．5 串口通信電路設計
系統要把測量到的溫度送到上位機上顯示出來，就需要通過電腦與單片機之間的串口通信，單片機的工作電壓是5 V，電腦串口的工作電壓是12 V，需要通過電平轉換芯片進行正常通信。串口通信電路的核心器件采用TI公司的一款兼容RS-232標準的電平轉換芯片MAX232，MAX232與RS232間的串口通信電路如圖4所示。

3 軟件設計
為了使控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。軟件設計包括主機系統設計與從機系統設計，主機系統設計包括無線接收模塊設計、液晶顯示模塊設計、串口通信模塊設計。主要作用是收集無線接收到的溫度數據，使用液晶顯示同時通過串口通信傳輸至上位機。從機系統設計包括溫度采集模塊設計、無線傳輸模塊設計。主要作用是使用溫度傳感器采集溫度，轉化成數字信號通過無線模塊傳輸至主機。主程序流程圖如圖5所示。

4 實驗結果及分析
為了驗證系統的工作性能，將該系統用于農場小棚溫度的無線測量，在試驗中，分別對農場小棚的4個角落使用無線采集與玻璃溫度計進行溫度測量，其結果如表1所示。

從實際測量數據可以看出，本系統在實際測量中準確度很高，并且在無線傳輸過程中很穩定，系統運行可靠，能及時、準確、快速的測量溫度。

5 結論
1)本系統采用的軟件算法還有待進一步優化，進而提高精確度，實現誤差補償；
2)文中設計的基于無線傳輸的多路溫度采集檢測系統，其結構簡單、使用方便、性能穩定。因為使用的是無線傳輸，所以可以在一些人為不能直接接觸的地方進行測量，而多點的溫度采集方法更有利與組建起溫度采集網，在工業上具有一定的應用價值。