溫度數據采集與無線傳輸系統設計

何為　沈王姚　楊紫含　徐建

【摘 要】該系統采用C51單片機為核心并且利用了4個DS18B20溫度傳感器，2個液晶顯示器1602，以及nRF905的無線收發模塊成功的完成了對溫度數據的采集、顯示和傳輸以及接受并顯示，并且增加了溫度報警功能。我們經過了長期的研究并制定了合理的方案之后對系統進行了設計，具體是電源電路的設計，芯片的選擇與應用，程序代碼的編寫以及各個模塊功能的實現，并且根據系統的特點，將系統分為采集發送模塊和接受顯示模塊。在系統設計完成后在實驗室進行了多次的調試和測試。測試結果表明：系統軟、硬件符合設計要求，可以投入使用。

【關鍵字】溫度；數據采集；無線傳輸；LCD；單片機

0 引言

本系統以STC單片機作為主控芯片，采用數字式溫度傳感器DS18B20，并利用其特有的單總線特性組成傳感器網絡，應用液晶LCD1602作為人機交互界面，在充分綜合分析藍牙、GPRS、GSM等無線數據傳輸方式的基礎上，針對有線的數據采集方式應用受到限制的場合，結合實際，并考慮到做成實物調試和開發難易程度等可行性問題上，確立了無線射頻收發一體芯片的解決方案，即利用基于nRF905芯片的無線收發模塊完成數據的接收與發送，再應用傳感技術，實現多點溫度數據采集。系統還預設溫度自動報警功能，能對溫度的實時監控起到預警作用。整個系統分為：（1）溫度數據采集和發送模塊；（2）溫度數據接收及顯示模塊兩部分；該系統的設計意義深遠，不僅在于能將數據采集與無線傳輸相結合，充分發揮了無線傳輸的優勢，而且能有比較廣泛的應用。

1 溫度數據采集與無線傳輸系統設計的總體設計

整個系統由溫度數據采集顯示和發送程序和溫度數據接收及顯示程序兩部分組成；

a溫度數據采集顯示與發送模塊是由溫度傳感器網絡DS18B20網絡、液晶屏LCD1602、nRF905無線收發模塊和主控芯片STC89C52RC組成；

b溫度數據接收及顯示模塊則是由基于nRF905的無線收發模塊和主控芯片STC89C52RC、液晶屏LCD1602構成。

2 溫度數據采集與無線傳輸硬件系統設計的硬件設計

2.1 系統電源電路

該模塊將市電經過變壓器變壓后，轉化為18V的交流電壓，利用LM7805轉壓芯片將18V的交流電轉化為5V直流電，為單片機等提供電源。LM317H將18V交流電轉化為3.3V直流電，以供無線射頻芯片使用。

2.2 單片機最小系統

單片機采用內時鐘方式，利用芯片內部振蕩電路，在引腳上外接定時元件，內部振蕩器便能產生自激蕩。定時元件采用的是12MHz的晶振和30pF的兩個電容組成的并聯諧振電路。

2.3 溫度數據采集

本系統為多點溫度采集，DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。現場溫度直接以“單總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。DS18B20采用外部供電方式，只需要用一個接口引腳就可以驅動多路DS18B20，本系統設計之初只采用4個溫度傳感器，如圖2所示。單片機通過讀取各個DS18B20的序列號，分別獲取溫度數據。

2.4 溫度數據顯示電路

LCD1602的引腳1接地，引腳2接5V電源，引腳3接電位器來調節顯示器的對比度，引腳4～14接單片機，引腳15接10K電阻來設置顯示器的亮度。

2.5 數據收發電路

VCC接3.3V電壓；μCLK為輸出時鐘，本系統中無需使用，懸空；CD為輸出，單片機不對其進行控制，懸空：GND接地；其它引腳和單片機相連，由單片機控制其發送數據或接收數據。

2.6 無線模塊芯片nRF905

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射芯片，工作電壓為1.9-3.6V，32引腳QFN封裝，工作于433/868/915MHz三個ISM頻道，其由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調節器組成。ShockBurst工作模式能夠自動產生前導碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進行編程配置，電流消耗很低，在發射功率為+10dBm時，發射電流為30mA，接收電流為12.5mA。進入Powerdown模式可以很容易實現節電。圖3為基于nRF905的無線收發模塊電路圖：

3 溫度數據采集與無線傳輸硬件系統的軟件設計

系統采用C語言進行軟件設計，編程和調試環境為Keil 4，系統的軟件部分發送端、接收端主流程圖如圖4、圖5所示。

4 系統的整體性能調試

4.1 硬件性能的測試

按照本文的軟硬件最初設計思想，在連接好硬件實物之后，我們直接對整體實物進行測試，通過對代碼的精心改寫，使得最終的測試結果達到了滿意的效果：發送端的液晶屏能夠實時顯示溫度的變化，接收端的液晶屏溫度數值的顯示也能隨著發送端的變化而變化。

4.2 無線傳輸距離的測試

傳輸距離的測試分室外和室內兩種環境下進行。其中室外環境的測試在操場上進行，經測試在兩節點相距70米左右時仍然能進行正常通信，但是在通信距離超過150米左右時發生通信中斷的現象。室內環境測試，由于障礙物的存在，節點通信的距離下降十分明顯，在不需要穿墻時的通信距離在65米左右，穿兩堵墻時的通信距離在50米左右。

5 結束語

本系統以C51單片機為主控芯片，通過DS18B20溫度傳感器采集溫度數據，并利用nRF905無線傳輸模塊和液晶屏1602進行數據的無線收發和顯示。通過對軟件代碼的精心修改使得最終的系統調試獲得滿意的結果，達到了最終的設計目的。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]