無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

摘 要：本系統(tǒng)由控制和測(cè)試兩部分組成?？刂葡到y(tǒng)利用AT89S52單片機(jī)為核心模塊，發(fā)出命令后，由測(cè)試系統(tǒng)傳感器DS18B20采集溫度信號(hào)，接收到溫度信號(hào)后通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)收到溫度信號(hào)以后，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理送到上位機(jī)顯示，并在LCD上顯示出來(lái)，同時(shí)再經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理發(fā)給測(cè)試系統(tǒng)不同的命令，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)收到的命令顯示不同的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)還可通過(guò)按鍵進(jìn)行相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)、設(shè)計(jì)報(bào)警溫度、實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫等。系統(tǒng)快速準(zhǔn)確、智能化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)小巧美觀，適用現(xiàn)代化生產(chǎn)與生活。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度處理；上位機(jī)；LCD；實(shí)時(shí)顯示

中圖分類(lèi)號(hào)：TD655.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 04-0000-01

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在自動(dòng)化領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)的首選平臺(tái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)和試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控是現(xiàn)代自動(dòng)化發(fā)展的主要方向。將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)時(shí)控制的前提是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常要測(cè)控很多參數(shù)，諸如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等，通常的方法是使用專(zhuān)用的儀表人為觀測(cè)、記錄處理數(shù)據(jù)、做出判斷，這就會(huì)帶來(lái)人為的誤差。如何將計(jì)算機(jī)與各種設(shè)施、設(shè)備結(jié)合，簡(jiǎn)化人工操作并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，滿(mǎn)足社會(huì)的需求，成為一個(gè)很重要的問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集是各行業(yè)廣泛采用的一種現(xiàn)場(chǎng)控制手段，它可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，輔助數(shù)據(jù)分析、問(wèn)題處理，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用手法便捷、精確的測(cè)量和友好的人機(jī)界面，博得用戶(hù)的青睞。其中，溫度采集與處理系統(tǒng)就是被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要是對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

溫度檢測(cè)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。在生產(chǎn)過(guò)程中，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)難以或無(wú)法到達(dá)的工作現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供了信息和手段；再者，溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、對(duì)機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)中的各種元器件造成一定的損壞，嚴(yán)重的會(huì)影響到生產(chǎn)安全。溫度也是生活中最常見(jiàn)的一個(gè)物理量，它與我們的生活息息相關(guān)，溫度過(guò)高或過(guò)低同樣會(huì)造成一些不良影響。因此，在生產(chǎn)和生活中要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，使溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。為此，設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)，它是一種基于無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的無(wú)線(xiàn)溫度控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

一、設(shè)計(jì)要求及模塊方案

（一）設(shè)計(jì)要求

（1）測(cè)量和控制溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的采集、數(shù)據(jù)的發(fā)射和接受；（2）對(duì)溫度進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和實(shí)時(shí)顯示；（3）通過(guò)上位機(jī)將所測(cè)結(jié)果顯示出來(lái)；（4）利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片顯示當(dāng)前的時(shí)間，實(shí)時(shí)觀測(cè)溫度；（5）分別設(shè)計(jì)控制設(shè)備和采集設(shè)備，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

（二）模塊設(shè)計(jì)方案

1.設(shè)計(jì)思路。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)跟據(jù)單片機(jī)的控制，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸來(lái)遠(yuǎn)距離來(lái)測(cè)試溫度并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，我們根據(jù)單片機(jī)的控制原理，來(lái)控制相關(guān)器件的相關(guān)工作，控制溫度的采集，數(shù)據(jù)的發(fā)射和接受，并利用51單片機(jī)自帶的串口功能把數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，具體工作過(guò)程：

利用單片機(jī)控制無(wú)線(xiàn)模塊，發(fā)出采集溫度命令，等待自動(dòng)應(yīng)答，在測(cè)溫系統(tǒng)收到命令后，開(kāi)始采集溫度，轉(zhuǎn)化完畢以后，由單片機(jī)控制無(wú)線(xiàn)模塊把溫度發(fā)出去，等待自動(dòng)應(yīng)答。控制系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，自動(dòng)應(yīng)答。收到的溫度首先經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)串口模塊發(fā)送到上位機(jī)上，在電腦上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并且發(fā)送到LCD12864上面實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)判讀溫度是否超過(guò)設(shè)置的告警溫度，若是超過(guò)報(bào)警溫度，則發(fā)送報(bào)警命令，使測(cè)試系統(tǒng)做出反應(yīng)，例如，蜂鳴器報(bào)警，繼電器斷開(kāi)，同時(shí)紅色指示燈亮，為超過(guò)報(bào)警溫度。若是沒(méi)有超過(guò)報(bào)警溫度，則發(fā)送正常命令，使測(cè)試系統(tǒng)正常工作，繼電器吸合，蜂鳴器關(guān)閉，綠色指示燈亮。

另外在我們?cè)黾酉鄳?yīng)的按鍵控制單片機(jī)，設(shè)置報(bào)警溫度，調(diào)節(jié)時(shí)間，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)溫度。增加上位機(jī)處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)溫度變化。

2.微控制器模塊。方案：應(yīng)用單片機(jī)作為控制器。我們使用了ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，它也同樣具有很強(qiáng)的信息處理功能，易于操作使用，具有8k的程序存儲(chǔ)器，頻率最大支持33MHZ，體積小，需要電壓小，功耗低，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，更適于本系統(tǒng)的要求。

3.無(wú)線(xiàn)射頻模塊。nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz 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，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。

4.液晶顯示模塊。方案：采用LCD液晶顯示。LCD液晶顯示模塊雖然占用I/O口多，控制復(fù)雜，但其功能強(qiáng)大，顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大。并且能夠提示操作語(yǔ)句，這大大提高了系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)。

5.電源模塊。采用LM7805提供5V穩(wěn)壓電源，并在穩(wěn)壓模塊兩端加上加上多個(gè)電容，使之更加穩(wěn)定，對(duì)于無(wú)線(xiàn)模塊需要提供3.3V的穩(wěn)壓電源，我們選用了ASM117電源模塊，輸出3.3V的穩(wěn)壓電源。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)中，下位機(jī)主要是負(fù)責(zé)采集多路數(shù)據(jù)將其送至上位機(jī)，與此同時(shí)單片機(jī)也會(huì)進(jìn)行將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度示數(shù)在LED顯示器上顯示。下位機(jī)的硬件控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)AT89C51，LCD顯示電路，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，串口硬件電路以及鍵盤(pán)LED顯示組成。測(cè)試系統(tǒng)主要由單片機(jī)AT89S52，DS18B20，無(wú)線(xiàn)模塊，繼電器控制系統(tǒng)，蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)，LED顯示電路等組成。

采用VB 6.0作為該系統(tǒng)的上位機(jī)編程語(yǔ)言，同時(shí)利用RS232實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)間的通訊，從而對(duì)下位機(jī)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤的顯示、分析、繪制曲線(xiàn)及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其組成大概有兩部分，一個(gè)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面，即當(dāng)下位機(jī)將數(shù)據(jù)到達(dá)的同時(shí)要繪制出曲線(xiàn)。另一個(gè)是歷史數(shù)據(jù)界面，即在輸入所要查詢(xún)的時(shí)間與通道后，繪制出相應(yīng)的曲線(xiàn)、方塊圖及數(shù)據(jù)列表等。

三、系統(tǒng)總體論證

（一）工作原理

無(wú)線(xiàn)溫控系統(tǒng)是以單片機(jī)AT89S52為控制核心，用無(wú)線(xiàn)傳輸來(lái)遠(yuǎn)程來(lái)測(cè)試溫度。具體工作過(guò)程：

（1）給系統(tǒng)上電后，按下鍵2，向單片機(jī)發(fā)出指令，單片機(jī)控制無(wú)線(xiàn)模塊，發(fā)出采集溫度命令，等待自動(dòng)應(yīng)答。

（2）在測(cè)溫系統(tǒng)收到命令后，開(kāi)始采集溫度，采集完畢，由單片機(jī)控制無(wú)線(xiàn)模塊把溫度發(fā)出去，等待自動(dòng)應(yīng)答。

（3）控制系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，自動(dòng)應(yīng)答。收到的溫度經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）通過(guò)串口模塊發(fā)送到上位機(jī)上，在電腦上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；

2）同時(shí)發(fā)送到LCD12864上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；

3）而且能夠同時(shí)判讀溫度是否超過(guò)設(shè)置的告警溫度，并發(fā)出相應(yīng)的指令。

（4）測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)指令做出相應(yīng)的顯示。

1）若是超過(guò)報(bào)警溫度，則發(fā)送報(bào)警命令，則測(cè)試系統(tǒng)蜂鳴器報(bào)警，繼電器斷開(kāi)，同時(shí)紅色指示燈亮。

2）若是沒(méi)有超過(guò)報(bào)警溫度，則發(fā)送正常命令，使測(cè)試系統(tǒng)正常工作，繼電器吸合，蜂鳴器關(guān)閉，綠色指示燈亮。

另外我可以通過(guò)手動(dòng)設(shè)置報(bào)警溫度，通過(guò)調(diào)控控制系統(tǒng)上面的按鈕來(lái)可以設(shè)置不同報(bào)警溫度，可以做出不同的反映。另外我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)上面加上了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前時(shí)間，確切的知道當(dāng)前溫度的時(shí)間，以及發(fā)生報(bào)警的時(shí)間等。

在上位機(jī)中我們用VB設(shè)置了實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的時(shí)間，準(zhǔn)確顯示當(dāng)前接收到的溫度，并且通過(guò)溫度曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，形象地表示。

本模塊為溫度采集部分，上電后，溫度處于接收狀態(tài)，有無(wú)線(xiàn)控制部分發(fā)射指令當(dāng)接收到指令后，根據(jù)指令做出相應(yīng)的判斷。

1）為正常工作，這令為0xaa，接收到這個(gè)指令后，關(guān)閉蜂鳴器，黃色報(bào)警燈，打開(kāi)正常工作電源燈綠色，接通繼電器，同時(shí)采集溫度，把無(wú)線(xiàn)模塊轉(zhuǎn)化為發(fā)射，把采集的溫度發(fā)射出去，正常發(fā)送以后，在轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。

2）超過(guò)設(shè)置溫度，指令為0x55，接收到這個(gè)指令后，打開(kāi)蜂鳴器，打開(kāi)紅色發(fā)光二極管，關(guān)閉綠色燈，斷開(kāi)繼電器，同時(shí)再次采集溫度，把無(wú)線(xiàn)模塊轉(zhuǎn)化為發(fā)送狀態(tài)，把溫度發(fā)送出去以后，再次轉(zhuǎn)化為接收狀態(tài)

3）為數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤指令，0xcc接收到這個(gè)指令以后，說(shuō)明收到的溫度數(shù)據(jù)有問(wèn)題，黃色燈亮，

4）接收到這個(gè)指令以后，0x33這個(gè)指令為是使單片機(jī)進(jìn)入低功耗工作，暫時(shí)停止工作，只有外部中斷在檢測(cè)狀態(tài)。

5）接收到指令，是確認(rèn)模塊處于工作狀態(tài)，打開(kāi)指示燈，使模塊轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)

注：故障處理

溫度采集模塊可能一直接收不到指令，超過(guò)一定時(shí)間，模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)，使電流消耗減少。

模塊處于發(fā)送時(shí)，通過(guò)返回來(lái)的指令，判斷到數(shù)據(jù)沒(méi)有接收到，設(shè)定一定的次數(shù)，停止溫度的發(fā)送，讓無(wú)線(xiàn)模塊自動(dòng)轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)。

四、測(cè)試及結(jié)論

（一）測(cè)試結(jié)果

根據(jù)工作原理我們對(duì)成品進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，打開(kāi)開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板顯示當(dāng)前時(shí)間，按下測(cè)試鍵，控制系統(tǒng)就向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射測(cè)試信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)收到信號(hào)后，開(kāi)始進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化完畢以后然后發(fā)送紅溫度給控制系統(tǒng)。如此反復(fù)循環(huán)，不斷發(fā)送命令和測(cè)試溫度。

（二）測(cè)試結(jié)論

無(wú)線(xiàn)溫控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的穩(wěn)定控制，測(cè)溫范圍為0.0到99.9度，不僅使測(cè)量結(jié)果比普通溫度計(jì)精確2-5倍，還對(duì)功能進(jìn)行了擴(kuò)展與創(chuàng)新；而且功能上分別設(shè)置了預(yù)置固定溫度報(bào)警、手動(dòng)設(shè)置溫度報(bào)警功能和智能自動(dòng)調(diào)控溫度等，并且通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制在屏幕上和電腦上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。實(shí)現(xiàn)了溫度的準(zhǔn)確報(bào)警、實(shí)時(shí)溫度顯示及溫度的智能控制等。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到了硬件與軟件的相互補(bǔ)充，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)小巧美觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]張永瑞，劉振起，楊林耀，顧玉昆.電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994：82-88.

[2]孫肖子，張企民.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001：22-72.

[3]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社，1999：245-362.

[4]譚浩強(qiáng)，張基溫.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：高等教育出版社，2006：306-307.

[5]戴佳，戴衛(wèi)恒，劉博文.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例演講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：71-99.

[6]高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：283-288.

[7]劉南平.現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)與制作技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：230-232.

[8]吳戈，李玉峰.案例學(xué)單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2008：73-117.

作者簡(jiǎn)介：張楠（1981.06-），男，天津人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，理學(xué)碩士，主要從事凝聚態(tài)物理、微電子研究。