一種短距離無線溫度采集系統設計

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(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

一種短距離無線溫度采集系統設計

張艷，賈應煒

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在工業現場，由于生產環境惡劣，操作人員無法在現場監控設備是否運行正常，需要將待測數據采集送到監控操控室[1]；同時當數據采集點處于運動狀態、布線根本無法操作，此時需要利用無線傳輸的方式進行數據采集[2]。無線數據采集系統已經被成功應用于工農業生產、環境監測、軍事國防和機器人控制等許多重要領域[3-4]。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都需通過無線方案來解決。系統的設計采用了NRF24L01射頻芯片，使用溫度轉換芯片DS18B20實時采集溫度，由STC89C52單片機控制實現短距離無線數據通信。并通過nRF24L01將采集的溫度無線傳送給接收部分，然后在LCD1602上顯示。

1 nRF24L01無線模塊

nRF24L01是一款新型射頻無線模塊，工作頻段為2.4～2.5 GHz ISM。集頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器和調制器等功能于一體，并融合了增強型ShockBurst技術，其中，通信頻道與輸出功率可編程來設置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發射時，工作電流也只有9 mA；接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(空閑模式和掉電模式)使節能設計更方便[5]。nRF24L01通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發射、接收、空閑及掉電4種工作狀態。nRF24L01模塊部分端口功能如表1所示。

表1 nRF24L01模塊部分端口功能

管腳管腳號功能CE1工作模式選擇CSN2SPI片選使能端SCK3SPI時鐘MOSI4SPI輸入MISO5SPI輸出IRQ6中斷輸出VDD7電源端GND8電源地

2 系統設計

系統主控芯片采用單片機STC89C52，無線通信模塊采用nRF24L01，溫度采集采用數字溫度傳感器DS18B20。發送端由溫度傳感器、STC89C52單片機和nRF24L01無線射頻模塊組成；接收端由STC89C52單片機、nRF24L01無線射頻模塊、LCD1602顯示模塊和串口組成。系統結構如圖1所示。系統由若干傳感器節點和路由節點構成，傳感器節點采集數據送微處理器，經處理后由無線模塊nRF24L01發射；路由節點中的無線模塊nRF24L01接收到數據送微處理器，再由LCD1602顯示并經MAX232送PC機。

圖1 系統結構

2.1 單片機STC89C52控制模塊

STC89C52是一種低功耗的芯片，擁有靈巧高性能CMOS八位微控制器，內置8 KB的可編程Flash 存儲器[6]，使得STC89C52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。由STC89C52構成的控制模塊最小系統如圖2所示，主要包括晶振電路和復位電路。

a.晶振電路。晶振電路由2個22pF電容和1個12MHz晶體振蕩器構成，接入單片機的X1，X2引腳。

b.復位電路。單片復位端低電平有效。

圖2 STC89C52構成的控制模塊

2.2 無線發射、接收電路設計

nRF24L01芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發射時，工作電流為10.5 mA，接收時的工作電流為18 mA，多種工作模式，使得其能耗極低[7]。nRF24L01與單片機連接時的電路如圖3所示。

圖3 nRF24L01與單片機接口電路

2.3 溫度傳感器DS18B20

DS18B20單線數字溫度傳感器體積更小、適用電壓寬，支持“一線總線”接口的溫度傳感器。DS18B20測量溫度范圍為-55～+125 ℃，精度為±0.5 ℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，提高了系統的抗干擾性[8]。圖4為DS18B20硬件連接電路。 DS18B20在系統中與發送端單片機的P3.3連接。

圖4 DS18B20硬件電路

2.4 系統顯示模塊

系統采用LCD1602液晶顯示模塊來顯示溫度，P0由上拉電阻提高驅動能力，作為數據輸出并作為LCD的驅動，P2口的P2.7作為液晶顯示模塊的使能信號E，數據/命令選擇RS，配置為R/W。具體電路如圖5所示。

圖5 LCD1602液晶接口電路

2.5 系統與PC機通信

系統采用MAX232來完成TTL- EIA雙向電平轉換。MAX232內部有電壓倍增電路和轉換電路[9]，驅動電源為+5 V，其與STC89C52最簡單的方式連接如圖6所示。MAX232的T1IN引腳與STC89C52的串行輸入口線P3.1TXD相連，R1OUT引腳與STC89C52的串行輸入口線P3.0RXD相連，MAX232的T1OUT、R1IN分別于與RS232的2，3引腳相連。MAX232電源引腳必須接0.1μF 電容。

圖6 PC機和單片機串口通信接口

3 系統軟件設計

3.1 發送端軟件設計

系統發送端采用DS18B20溫度傳感器采集溫度，經STC89C52收集處理數據，溫度數據數碼管顯示，再由nRF24L01模塊發送到接收端。其中，包括DS18B20和nRF24L01模塊的初始化配置。圖7為發送端程序流程。

圖7 發送端程序流程

3.2 接收端軟件設計

系統接收端采用nRF24L01無線模塊接收發送端傳來的溫度數據，經單片機STC89C52在LCD1602液晶顯示器上顯示。最后單片機把數據經串口傳輸給PC機。其中，包括nRF24L01模塊和LCD1602液晶顯示器的初始化。圖8為接收端程序流程。

圖8 接收端程序流程

4 系統測試

4.1 誤碼率測試

誤碼率是表征通信線路接收質量以及可靠性指標的主要參數。誤碼率測試方法為:每0.2s發送端發出一個數據包，接收端用“誤碼計數器”來統計丟失和發錯的數據幀數量。在室內環境中，當發送速率為2Mb/s、數據幀長度為20Bit、輸出功率為0dB時，系統誤碼率測試結果如表2所示。由表2知，通信距離在35 m內，系統誤碼率很低，可以正常通信，大于35 m時，誤碼率很高，不能正常通信。

表2 數據傳輸距離和誤碼率

傳輸距離/m誤碼率/%傳輸距離/m誤碼率/%10 06250 7550 10301 12100 123512 50200 254056 36

4.2 溫度測量

系統為了測試方便，溫度采集點選擇了5個節點采集，采用標準溫度計與設計裝置對同一點溫度進行6次實測取平均，得標準值、測量值、誤差及誤差率如表3所示。由表3可看出，系統的溫度測量比較穩定，溫度值最大絕對誤差為0.5 ℃。

表3 不同節點測量結果及誤差 ℃

5 結束語

系統以單片機STC89C52為核心，nRF24L01為無線模塊，構成星形無線網絡數據采集系統，具有傳輸體積小、速率高、成本低、功耗低、軟件設計簡單以及通信穩定可靠等特點。隨著無線通信的應用領的發展，人們需求的不斷提高，無線通信技術有著廣闊的發展空間。無線通信技術已在家庭智能化、電子設備、醫療設備控制、工業控制和農業自動化等領域獲得廣泛的應用[10]。

[1] 李成法，陳貴海，葉 懋，等．一種基于非均勻分簇的無線傳感器網絡路由協議[J].計算機學報，2007，30(1):27-36.

[2] 劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸 [J].應用科技，2008，35(3)：55-58.

[3] 陸欣云，陳 巍，張 娟.基于FPGA的LED點陣系統控制器的設計與分析[J].南京工程學院學報：自然科學版，2011，9(3):40-44.

[4] 劉寶元，張玉虹，姜 旭，等.基于單片機的溫濕度監控系統設計[J].應用天地，2009，28(12):77-80，83.

[5] 程 雪，王 彬，賈北平.基于無線通信的多點溫濕度采集系統的設計[J].農機化研究，2009(8):191-192，201.

[6] 王玉琳，陳甦欣.三相反應式步進電機的高性能驅動電源[J].儀表技術與傳感器，2006(2)：47-48.

[7] 吳 濤，胡春懷，秦 銳，等.智能溫室無線傳感網絡節點設計[J].機械與電子，2012(10)：46-48.

[8] 王 茜，閻 嘯，秦開宇.M-SK突發通信測試中DFT內插載波盲估計算法研究[J].儀器儀表學報，2011，32(2):457-462.

[9] 王 茜，閻 嘯，秦開宇.寬帶OQPSK信號實時多域測試定時同步技術研究[J].電子測量與儀器學報，2009，23(10): 48- 54.

[10] 何成平，龔益民，林偉.基于無線傳感網絡的設施農業智能監控系統[J].安徽農業科學，2010，38(8):4370-4372.

Design of a Short Distance Wireless Temperature Acquisition System

ZHANGYan，JIAYingwei

(Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)

針對在工農業生產中數據采集點距離遠、監測環境范圍大、布線不便等場合，設計了一種以nRF24L01作為無線傳輸模塊，單片機STC89C52為控制核心，DS18B20為溫度采集模塊的無線溫度采集系統。DS18B20檢測的溫度由單片機STC89C52處理，通過無線通信協議，經nRF24L01無線模塊實現無線數據傳輸送給協調器，再經LCD1602顯示并同時送PC機。實驗測試表明，系統在室內傳輸距離可達35 m，滿足設計預期要求,可應用于各類工農業生產中無線數據采集系統中。

單片機STC89C52；無線模塊nRF24L01；DS18B20；LCD1602顯示

In the industrial and agricultural production data acquisition point distance，environment monitoring range，wiring inconvenience and other occasions，a nRF24L01wireless transmission module design，STC89C52microcontroller as control core，wireless temperature acquisition system DS18B20for the temperature acquisition module. DS18B20detection of temperature by the single chip STC89C52processing，via wireless communication protocol，through the nRF24L01wireless module to realize wireless data transmission to the coordinator，then displayed by the LCD1602and sent to PC. Tests showed that，in the indoor transmission distance can reach 35 meters，the system meets the design requirement. Can be applied to various types of industrial and agricultural production data collection and wireless system.

MCU STC89C52；wireless module nRF24L01；DS18B20；LCD1602display

2014-06-05

TP274

A

1001-2257(2014)09-0052-04

張艷(1979-)，女，陜西咸陽人，碩士研究生，講師，研究方向為電氣自動化。