基于單片機的移動無線溫度監控系統設計

吳文珍，安學海

( 東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

隨著嵌入式和物聯網的發展，出現了很多性能高，功耗低，可擴展性好的嵌入式芯片以及由這些芯片開發的系統。這些系統已經被應用在工業生產[1]、醫療儀器[2]、智慧農業[3]、氣象水利監測[4]等各個領域，并且運行穩定、表現優異、提高了工作效率、節省了大量的人力和物力。

溫度，這一物理量，在生活、生產中已經成為很重要的指標。近到我們的體溫，我們生活環境的溫度，遠到氣象預報溫度數據的獲取，工農業生產溫度的監控，無時無刻不需要溫度信息的獲取，并且對歷史溫度信息的分析有助于更好的生產生活。

基于以上原因，本文的目的是設計一款監測環境溫度在-55～125 ℃、測量誤差不高于±1 ℃、移動監控、模塊化、可存儲檢測信息用于后期分析的溫度監控系統，該系統采用DS18B20作為溫度傳感器，LCD1602作為顯示模塊，LED和喇叭作為聲光告警模塊，電磁繼電器作為溫度控制模塊，鍵盤用于設置溫度限值和啟停溫度控制設備。

1 系統總體設計

系統硬件總體結構如圖1所示。本系統硬件使用宏晶公司生產的STC90C516RD+40I單片機作為主控制器,DALLAS公司生產的DS18B20單總線數字溫度傳感器作為溫度采集設備、LCD1602作為顯示模塊、紅色綠色LED燈和喇叭作為聲光告警模塊、電磁繼電器作為溫度控制模塊、矩陣鍵盤作為輸入設備。下位機系統軟件設計使用Keil集成開發環境，上位機溫度監測軟件采用Visual Studio編寫。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall structure of the system

系統通過單片機實時檢測數字溫度傳感器DS18B20采集的溫度信息，使用LCD1602顯示，并將獲得的溫度信息與設置的溫度限值相比較。當溫度低于下限時，系統進行聲光告警，綠色LED燈亮，同時啟動溫度控制電路升溫；當溫度高于上限時，系統進行聲光告警，紅色LED燈亮，同時啟動溫度控制電路降溫。通信模塊使用通用異步串行口(UART)，用于與手機、電腦等上位機通信、系統軟件的下載和系統的調試和升級。監測系統中的單片機系統與手機、電腦等上位機終端通信可以采用有線和無線兩種方式，但以無線通信為主。有線通信采用USB轉UART芯片，通過USB線進行通信，適合在系統測試和升級時使用。無線通信又包含短距離通信和長距離通信，短距離采用匯承公司的HC-05藍牙串口模塊通信和HC-25 WIFI模塊，局域網透傳或作為服務器由上位機設備直接連接進行透傳；長距離需要云平臺支持，采用億佰特公司的E34-2G4D20D串口模塊進行通信。系統通信方式和模塊可根據用戶實際需求選擇。

2 硬件電路設計

2.1 溫度采集電路設計

溫度采集電路的主要器件為溫度傳感器，如今溫度傳感器各式各樣，主要有四種類型：熱電偶式溫度傳感器、熱敏電阻式溫度傳感器、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出[5]和數字輸出兩種類型。熱電偶式溫度傳感器，雖然有結實、無需供電、溫度范圍寬、適應各種大氣環境的優點，但是測量的溫度和收到的電壓是非線性關系，導致操作和使用比較麻煩；熱敏電阻式溫度傳感器，雖然體積小、測溫速度快、靈敏度高，但是比較脆弱，大電流會產生自熱，如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導致永久性損壞；電阻溫度檢測器，雖然有溫度范圍寬、重現性和穩定性好、精度高的優點，但是內部含有玻璃、陶瓷等脆弱物質，溫度測量電路復雜，并且成本和IC溫度傳感器相比非常高；IC溫度傳感器具有精確度高、溫度和輸出線性關系好、敏感度好、電路簡單、功耗小、價格低等特點。綜合來看，IC溫度傳感器比較適合作為系統的測溫元件，由于單片機屬于數字處理器，所以選擇IC數字輸出的溫度傳感器。

DS18B20是常用的數字溫度傳感器。其輸出的是數字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高、負壓不會燒毀的特點。獨特的單線接口方式，僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊且接線方便，封裝后可應用于多種場合。DS18B20測溫范圍為-55～125 ℃，精度在±0.5 ℃，工作電源3.0～5.5 V/DC (可用數據線寄生電源)，使用中不需要任何外圍元件，通過指令獲取測量結果，測量結果以9～12位數字量串行傳送。DS18B20內置了專門用于存儲高低溫報警觸發值TH和TL的非易失性電可擦除EEPROM，掉電后數據不丟失，上電復位時數據從EEPROM載入到中間結果暫存器，確保報警門限數據的完整性和安全性[6]。此傳感器還支持多點組網功能，可以多個DS18B20連接在一條數據線上，實現多點測溫。基于以上特性本系統采用DS18B20單總線溫度傳感器測溫。

DS18B20采用寄生電源時，需要單片機I/O口既要供電又要傳輸數據，導致讀取溫度時間慢、電源電壓不穩定，所以在本系統中采用外部電源供電方式，電路原理圖如圖2所示，DQ數據線和單片機P2.0引腳相連，單總線要求接小于5 kΩ的電阻，系統中使用4.7 kΩ電阻[7]。

圖2 DS18B20電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of DS18B20 circuit

2.2 溫度顯示電路設計

系統采用LCD1602顯示溫度和告警信息。LCD1602需要5 V外接電源供電，單片機P0口的P00～P07接LCD的數據引腳DB0～DB7，P25引腳接LCD的寄存器選擇引腳RS，P26引腳接LCD的讀寫操作選擇引腳R/W，P27引腳接LCD的使能信號引腳E。單片機通過向LCD讀寫命令和數據實現LCD的顯示功能。顯示電路原理圖如圖3所示。

圖3 顯示電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of display circuit

2.3 溫度控制電路設計

溫度控制電路包括升溫和降溫兩個部分，主要由ULN2003芯片驅動兩個電磁繼電器啟動溫控設備工作。由于升溫電路和降溫電路原理相同，本文以降溫電路為例說明，降溫設備使用帶有扇葉的直流電機M模擬。降溫電路如圖4所示，單片機P2.1引腳與ULN2003芯片in1引腳相連，ULN2003芯片out1引腳連接繼電器J1 ,當溫度超過溫度上限時，單片機P2.1引腳輸出高電平，通過電磁繼電器啟動直流電機工作，帶動風扇工作，從而達到降溫的目的。升溫電路由單片機P2.2引腳與ULN2003芯片in2引腳相連，ULN2003芯片out2引腳連接繼電器J2構成。

圖4 降溫電路和喇叭電路Fig.4 Cooling circuit and speaker circuit

2.4 通信模塊電路設計

為了滿足不同工作環境的需求，本系統的通信模塊利用單片機串口通信，采用有線通信和無線通信兩種接口方式，由用戶根據實際需要選擇合適的通信接口，并使用對應的通信模塊。本系統以無線通信為主，通信雙方必須使用相同的模塊來保障正常通信，無線通信示意圖如圖5所示。

圖5 無線通信示意圖Fig.5 Wireless communication diagram

有線通信接口采用USB轉串口芯片CH340[8]。此芯片性價比非常高，通信誤碼率小，并且PC機等設備一般都有USB接口，適合在系統安裝和調試時使用，也可使用USB進行短距離有線通信。對強電磁干擾等不適合無線通信的環境下可連接USB轉RS485等模塊使用，進行長距離有線傳輸。

無線通信接口是將UART信號線、電源線、地線以及相應的控制線引出，并以排座的形式連接無線模塊，目的是讓用戶便捷地安裝和更換通信模塊。無線通信接口可連接藍牙模塊HC-05、WIFI模塊HC-25、無線射頻模塊E34-2G4D20D之中任意一種模塊。系統通信模塊電路圖如圖6所示。

圖6 通信模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of communication module

HC-05模塊是全雙工藍牙串口模塊，適合于室內、車內等短距離測溫環境，可和手機、電腦等含有藍牙的設備通信。藍牙由于其功耗低、智能設備普及率高的特點，非常適合短距離測溫環境，測溫成本也會降低很多。

HC-25模塊是WIFI串口模塊，適合于智能家居、智慧溫室等智能場景下使用，支持和電腦、手機的通信。在智能場景下的網絡支持較好，可通過路由器和云平臺進行局域網環境監測和遠程監測。HC-25作為服務器也可以和手機、電腦等含WIFI的上位機設備進行直接連接通信，可一個模塊連接多個設備，但通信距離不能超過80 m，可應用在較近距離的通信場景中。

E34-2G4D20D模塊為無線射頻通信模塊，通信距離2 km，2.4 G跳頻傳輸，支持全雙工和半雙工通信。但該模塊成本高，沒有設備可以直接收到它的信號，需要使用另一個同型號模塊才可以通信，還需要把模塊接口轉換為USB接口才可以和含有USB或OTG的設備進行通信，適合在2 km以內且無網絡的測溫環境下使用，可應用在野外作業中。此模塊在本系統中為全雙工通信模式，通信雙方的模塊設置其M0、M1引腳分別為高電平和低電平即可。

2.5 聲光告警及輸入電路設計

聲光告警采用LED燈和喇叭完成。系統使用紅色和綠色LED燈各一個，采用共陽極連接，使用P3.6、P3.7分別連接兩個LED的陰極。喇叭由芯片ULN2003驅動，喇叭電路如圖4所示。

輸入設備采用矩陣鍵盤，與單片機P1口連接，主要用于設置溫度的上下限，也可作為升溫設備、降溫設備和照明燈帶等其他設備的直接開關功能鍵；矩陣鍵盤采用行列反轉方式掃描，其掃描速度快，可減少其他程序的等待時間。

采用ULN2003驅動可以增加系統驅動能力和模塊化程度，本系統預留一個繼電器J3和一個LED燈帶基座，可根據用戶要求連接其他設備和照明設備，由按鍵控制開啟和關閉。

3 下位機系統軟件設計

系統的軟件設計采用模塊化設計的編程思想，系統程序主要由初始化模塊、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、溫度控制模塊和數據通信模塊組成。系統中采用看門狗，使系統在干擾過后自動復位重啟，防止系統死機。軟件系統流程如圖7所示。

圖7 軟件系統流程Fig.7 Process of software system

初始化模塊用于對定時器、串口、溫度傳感器、顯示模塊、看門狗、中斷的初始化。溫度采集模塊用于獲取溫度傳感器采集的溫度。溫度顯示模塊用于在LCD1602上顯示溫度信息和告警信息。溫度控制模塊由溫度控制繼電器接通。通信模塊用于溫度監測系統的上位機和下位機的通信：下位機向上位機發送溫度信息，上位機可通過六字節的ASCII碼遠程設置下位機的溫度限值，其中前三字節為溫度下限，后三字節為溫度上限，支持-55～125 ℃之間的整數溫度值的設置。

4 上位機溫度監測軟件設計

本系統上位機(PC機)溫度監測軟件，使用C#語言編寫，串口通信使用C#中SerialPort串口類實現，信息存儲使用Access數據庫，數據顯示使用C#中DateGridView控件和chart控件實現，導出文件使用C#中 system.IO實現大量數據的導出。本軟件實現如下功能：接收實時溫度、設置溫度上下限并發送給下位機、溫度超限監測及警報、溫度定時存儲、溫度數據查看和走勢圖、過期歷史溫度數據刪除、歷史溫度數據導出。

根據下位機發送來的溫度數值及格式，以及獲取的時間格式可知，數據庫表的結構為時間和溫度字段：時間為主鍵，存儲年月日時分秒；溫度數據需要存儲到小數點后三位。由于系統為單點測溫系統，所以不需要其他表和字段[9]。溫度存儲表見表1。

表1 溫度存儲表Tab.1 Temperature storage Table

本軟件串口通信參數的設置由用戶來完成，僅需要設置端口號即可。軟件顯示當前時間和當前溫度，并使用醒目字體、字號和字體顏色顯示提示信息。軟件設置溫度區間時，溫度區間數據在軟件中保存并與接收到的溫度數據比較，顯示提示信息，與此同時，溫度限值信息經過處理，轉換成單片機可識別的數據，然后發送給單片機。

溫度數據的存儲和實時查詢使用C#中timer定時器控件實現，根據實際情況可更改定時器的定時時間來保存和讀取數據。軟件通過獲取的時間和溫度數據，在定時器事件觸發時，自動進行保存操作，存儲到Access數據庫溫度存儲表中。實時查詢可自動刷新顯示前一天至當前時間24 h的歷史溫度數據。在查詢、刪除和導出數據時，通過使用兩個C#中提供的DataTimePicker控件選擇開始和結束時間，根據控件中獲得的時間數據，在Accesss數據庫中獲取這個時間段的數據，然后進行查詢、刪除和導出操作。查詢數據通過DateGridView控件和chart控件顯示：DateGridView控件顯示具體的時間和溫度；chart控件通過折線圖顯示溫度的走勢，橫軸為時間，縱軸為溫度，并可以放大選區內的曲線，獲得短時間內詳細的數據走勢。導出文件利用IO流的方式導出，其優點在于可以進行大量數據導出，其導出文件格式為CVS，導出文件名默認為導出時間，可使用office Excel和WPS表格軟件打開，導出的溫度數據文件為后期的數據分析提供方便，可為數據分析軟件提供原始數據[10]。

上位機的溫度監測軟件有兩個界面，如圖8所示。圖8(a)是軟件的初始界面，界面由串口設置、時間和溫度顯示、溫度區間設置、提示四個功能部分組成，其中溫度區間設置可以遠程控制下位機的溫度限值，設置溫度有小數時，軟件四舍五入處理為整數，并組合成指令發送給下位機；點擊初始界面的查看溫度數據按鈕進入圖8(b)所示的界面，該界面用于歷史溫度記錄的顯示、導出和刪除功能，由時間選擇、功能按鈕、數據表和折線圖四部分組成，可以直觀展示數據及走勢。監測人員可以同時查看兩個界面的數據。

(a)初始界面

(b)歷史溫度數據界面 圖8 上位機溫度監測軟件界面Fig.8 Temperature monitoring software interface of upper computer

5 結束語

本文設計了一套基于STC90C516RD+單片機、單總線數字溫度傳感器DS18B20、LCD1602顯示模塊和串口通信的移動無線溫度監測系統。上位機利用C#程序語言的優勢，使用戶界面更直觀、操作更簡單。無線模塊的多種選擇使溫度監測系統更加適合多場景作業，例如遠程溫度監測、移動溫度監測和野外溫度監測等。實驗表明，系統具有工作可靠、測溫精度高、可擴展性好、可模塊組裝、免布線、便攜、可移動測溫等特點，滿足大多數環境溫度監測的需要。