一種基于51單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)信息采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莫桂江

MO Gui-jiang

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電力工程系 電子教研室，河池 547000）

0 引言

本物聯(lián)網(wǎng)信息采集器以STC89C52為核心，通過控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來接收數(shù)據(jù)并在LCD1602液晶上顯示，以STC89S52單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)控制中心對由DS18B20溫度傳感器做成的溫度采集器采集到的溫度信息，酒精傳感器檢測器檢測到的信息進(jìn)行處理，通過控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與主控中心之間的通信。該采集器具有實(shí)時(shí)性、可靠性、安裝、維護(hù)及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。最大限度地實(shí)現(xiàn)多渠道采集、處理和運(yùn)用信息的功能。三個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)均通過無線傳輸模塊傳給主機(jī)，主機(jī)將對節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理和輸出顯示等。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求，主機(jī)由STC89S52單片機(jī)模塊， LCD1602液晶顯示器，無線傳輸模塊，顯示模塊，聲光報(bào)警組成，節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)模塊，無線傳輸模塊，溫度采集器，酒精傳感器檢測器組成，電路系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 電路系統(tǒng)框圖

2 各模塊的選定

2.1 控制器模塊的選定

控制器主要用于數(shù)據(jù)接收和處理。這里采用STC89S52 單片機(jī)，STC89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能 8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。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，故選擇STC89S52 單片機(jī)作為本采集器的控制器。

2.2 顯示器的選定

使用液晶屏顯示。液晶顯示屏（LCD）具有超薄輕巧、低耗電量、無輻射，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，顯示信息量大，字跡美觀，視覺舒適，而且容易控制。

2.3 無線傳輸模塊的選定

APC200A-43模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24 bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。APC200A-43模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，而用戶無須編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序。APC200A-43 模塊是新一代的多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊，其可設(shè)置眾多的頻道，發(fā)射功高達(dá)20mW，而仍然具有較低的功耗，可傳0-1000米。

2.4 溫度檢測模塊的選定

溫度傳感器 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智溫度傳感器，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，它內(nèi)部有一個(gè)結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的高速暫存RAM 存儲器，測量精度更精確。

2.5 酒精檢測模塊的選定

MQ3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。二者之間的關(guān)系表述為：RS/RL=(VCVRL)/VRL，其中VC為回路電壓為10V。負(fù)載電阻RL可調(diào)為0.5-200K。加熱電壓Uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0-5V。

2.6 存儲模塊的選擇

AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IC總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件的基本組成部分

3.1.1 主控電路

主機(jī)由STC89S52單片機(jī)模塊， LCD1602液晶顯示器，無線傳輸模塊，顯示模塊，存儲模塊組成。

3.1.2 節(jié)點(diǎn)控制電路

節(jié)點(diǎn)控制電路由STC89S52單片機(jī)，無線傳輸模塊，DS18B20溫度傳感器，酒精傳感器，聲光報(bào)警，顯示模塊組成。

3.1.3 顯示電路

顯示電路采用液晶 LCD16O2。它是一種字符型液晶模塊，是一種用5×7點(diǎn)陣圖形來顯示字符的 16×2 點(diǎn)陣液晶顯示器。其特點(diǎn)是：亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊且性能穩(wěn)定。LCD16O2與單片機(jī)接口采用串行方式控制。

3.1.4 報(bào)警電路

報(bào)警電路分為蜂鳴器報(bào)警電路和LED發(fā)光報(bào)警電路組成。當(dāng)輸入端P1.0為低電平時(shí)，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。而當(dāng)輸入端為高電平時(shí)不報(bào)警。當(dāng)輸人端P1.1為低電平時(shí)，LED點(diǎn)亮報(bào)警，反之輸入端P1.1為高電平則不報(bào)警。

3.1.5 酒精傳感器

酒精傳感器輸出電壓值經(jīng)過ADC0809采集數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感器電路輸出的模擬量信號轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)處理的數(shù)字信號，并輸入給單片機(jī)。采用的是ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADC0809是8路8位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，它能分時(shí)地對8路模擬量信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果為8位2進(jìn)制數(shù)據(jù)。其由+5V電源供電。

3.2 主程序

本系統(tǒng)由系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化、檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送程序、主控中心收發(fā)程序等構(gòu)成，由于程序較大，鑒于篇幅的限制，這里就不再給出具體程序了，有需要本程序的讀者可以與作者聯(lián)系。

3.3 硬件和軟件調(diào)試

3.3.1 硬件調(diào)試

可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點(diǎn)及線路間有無短路、斷路。然后用萬用表檢測，檢查無誤后，可通電檢查LCD液晶顯示器亮度情況，一般情況下取背光電壓為4～5.5V即可得到滿意的效果。

DS18B20與單片機(jī)相連的只有幾根線，很容易檢查，主要檢查DS18B20管腳與晶振、電源是否連接好。

檢查酒精傳感器的引腳是否接好，并測其信號腳和地的電壓值，是否在0V-5V之間。

檢查無線數(shù)傳模塊是否接觸良好。

3.3.2 軟件調(diào)試

在 keil編譯器下進(jìn)行，源程序編譯及仿真調(diào)試應(yīng)分段或以子程序?yàn)閱挝恢饌€(gè)進(jìn)行，最后結(jié)合硬件實(shí)時(shí)調(diào)試DS18B20讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序。

3.4 系統(tǒng)測試

3.4.1 溫度測量

按系統(tǒng)要求，測溫范圍在30-70℃，所以在單片機(jī)中設(shè)置當(dāng)溫度不在30-70℃時(shí)開始報(bào)警，多次測試數(shù)據(jù)如下：

DS18B20所測得的數(shù)據(jù)如下：

環(huán)境溫度 oC 32.2 33.7 33.2 33.5 33.4 34測量溫度 oC 32.3 32.8 33.3 33.7 33.3 33.8恒溫時(shí)間 8：00 8：30 8：45 9：00 9：20 9：40

3.4.2 酒精檢測

當(dāng)酒精傳感器附近有酒精存在時(shí)，酒精傳感器就會發(fā)現(xiàn)并測出其值，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)裝置就會報(bào)警及顯示其數(shù)值。

酒精傳感器所測得的數(shù)據(jù)如下：

環(huán)境溫度°C 27.2 29 32 34環(huán)境酒精濃度（V/V） 0 0 0 0測量酒精濃度（V/V） 20 20 20 20

3.5 模塊調(diào)整

調(diào)整無線傳輸模塊，使節(jié)點(diǎn)和主機(jī)的傳輸距離不小于5米：再調(diào)試節(jié)點(diǎn)控制模塊，使得三個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)周期性循環(huán)地傳輸給主機(jī)，顯示屏和聲光報(bào)警就循環(huán)地顯示和處理節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，且三個(gè)節(jié)點(diǎn)都是有單獨(dú)的電源提供電能，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、處理和顯示等。

4 結(jié)束語

本文提出的方法和實(shí)現(xiàn)，可以用于釀酒生產(chǎn)車間等要求有監(jiān)測酒精和溫度的相應(yīng)環(huán)境的酒精檢測及溫度的分布式監(jiān)測，并可以通過網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果送到監(jiān)控中心，以便于及時(shí)的了解實(shí)際生產(chǎn)的安全狀況，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供可靠的保障。

通過對本系統(tǒng)的實(shí)際測量，檢測結(jié)果能夠達(dá)到比較滿意的效果，達(dá)到了相關(guān)要求，其應(yīng)用價(jià)值值得推廣。

[1] 侯志剛.基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感技術(shù)應(yīng)用.

[2] 沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社.

[3] ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng).