基于nRF24L01的無線溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟亞男 黃迎旭 趙凱 王德平

摘 要：【目的】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，溫度檢測系統(tǒng)在日常生產(chǎn)和生活中變得越來越重要。為準(zhǔn)確檢測溫度及實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警功能，本研究設(shè)計(jì)一種基于nRF24L01無線傳輸模塊的溫度檢測報(bào)警系統(tǒng)。【方法】系統(tǒng)通過無線傳輸方式來實(shí)現(xiàn)溫度檢測和報(bào)警功能，整個(gè)測溫報(bào)警系統(tǒng)由主機(jī)和從機(jī)兩部分組成。主機(jī)和從機(jī)均采用STC89C52RC單片機(jī)，從機(jī)將DS18B20溫度傳感器檢測到的溫度數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送給主機(jī)。當(dāng)檢測到的溫度超過設(shè)定值時(shí)，主機(jī)部分的單片機(jī)就會(huì)及時(shí)報(bào)警。【結(jié)果】在單片機(jī)電路板上連接好各個(gè)模塊的接線，燒錄完程序后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地檢測溫度，當(dāng)檢測到的溫度超過設(shè)定值時(shí)可迅速報(bào)警。【結(jié)論】系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：nRF24L01；單片機(jī)；DS18B20；報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）09-0006-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.09.001

Abstract： [Purposes] With the development of social economy， temperature detection system is becoming more and more important in daily production and life. In order to accurately detect the temperature and realize the rapid alarm function， this study designs a temperature detection and alarm system based on nRF24L01 wireless transmission module. [Methods] The system realizes the temperature detection and alarm function through wireless transmission. The whole temperature measurement alarm system consists of two parts ： the host and the slave，which both adopt STC89 C52 RC single chip microcomputer. The slave sends the temperature data detected by DS18 B20 temperature sensor to the host through wireless transmission. When the detected temperature exceeds the set value， the microcontroller of the host part will alarm in time. [Findings] The wiring of each module was connected on the circuit board of the single-chip microcomputer. After downloading the program， the system will be tested and could detect the temperature quickly and accurately. When the detected temperature exceeded the set value， it could quickly alarm. [Conclusions] The system has the advantages of simple hardware structure， low power consumption and low cost， and has good application value in home， agriculture， industry and other fields.

Keywords： nRF24L01; microcontroller; DS18B20; alarm

0 引言

無論是在日常生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度都是一個(gè)重要的物理參數(shù)，很多場景都要用到溫度檢測。例如，在溫室大棚、智能家居、鍋爐設(shè)備中，需要快速、精準(zhǔn)地檢測溫度，并能及時(shí)調(diào)整控制，保證現(xiàn)場安全。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，人們對(duì)溫度檢測的精準(zhǔn)性及控制要求在不斷提高。在一些糧倉或農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場所，溫度的重要性不言而喻，有些場景要單點(diǎn)測溫，有些場景則要多點(diǎn)測溫，來保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，避免因溫度異常而發(fā)生事故，造成不可估量的損失［1］。此前，無論是測量單點(diǎn)溫度還是多點(diǎn)溫度，大多采用直接布線的方式，使線路不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜且維護(hù)困難，線路一旦老化，不僅報(bào)警失靈，還會(huì)引發(fā)一系列安全事故。因此，需要一種體型小巧方便、布線簡單、性價(jià)比高、測量精度高、能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常變化并發(fā)出警報(bào)的測溫儀器。針對(duì)現(xiàn)場環(huán)境需求，本研究設(shè)計(jì)出一種基于無線傳輸方式的溫度報(bào)警系統(tǒng)，以STC89C52RC單片機(jī)為該系統(tǒng)的主控器件。nRF24L01無線通信模塊既可單點(diǎn)傳輸，也可多點(diǎn)傳輸，選擇DS18B20溫度傳感器來測量環(huán)境溫度。采用不同封裝結(jié)構(gòu)，DS18B20可應(yīng)用到不同場景中，能有效解決傳統(tǒng)有線通信布線復(fù)雜的問題。該測溫系統(tǒng)可應(yīng)用到蔬菜大棚、糧倉儲(chǔ)存、火災(zāi)報(bào)警、工業(yè)生產(chǎn)線等場景中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分為主機(jī)和從機(jī)兩部分。主機(jī)和從機(jī)都是由單片機(jī)控制的，二者均采用nRF24L01無線通信方式。從機(jī)部分監(jiān)測點(diǎn)用DS18B20溫度傳感器來采集現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，將其傳輸至對(duì)應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的STC89C52RC單片機(jī)中，通過nRF24L01無線通信模塊將采集到的溫度數(shù)據(jù)無線傳送至主機(jī)，主機(jī)將接收到的各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)溫度顯示在LCD顯示屏上。當(dāng)從機(jī)部分從某個(gè)監(jiān)控點(diǎn)采集到的溫度超過設(shè)定溫度值上限時(shí)，主機(jī)部分的STC89C52RC單片機(jī)在顯示出監(jiān)測點(diǎn)溫度的同時(shí)，能啟動(dòng)報(bào)警模塊，發(fā)出報(bào)警信號(hào)［2］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)模塊的主要組成部分，一般由復(fù)位電路和晶振電路組成。本研究使用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)芯片，其最大特點(diǎn)是接口設(shè)計(jì)靈活，與無線傳輸模塊電路、報(bào)警模塊電路等外接電路連接十分方便。STC89C52RC單片機(jī)的工作電源電壓為2.7～6.0 V，共有五個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，正常工作模式下的功耗為4～7 mA，一般的USB供電口就能滿足供電要求，也可通過變壓、整流等設(shè)計(jì)所需的電路接口或使用干電池來供電。因此，電源電路可根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。STC89C52RC單片機(jī)的性能高、造價(jià)低廉、功耗低，共有40個(gè)引腳，各個(gè)端口的引腳接線連接十分便利。STC89C52RC的封裝方式有多種，本研究采用PDIP封裝方式。PDIP封裝方式下的單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件連接電路如圖2所示。

2.2 溫度檢測模塊

溫度傳感器是一種重要傳感器，常用于糧倉儲(chǔ)存測溫、電信機(jī)房測溫、鍋爐測溫等領(lǐng)域，是一種非常重要的傳感器類型。以往大多數(shù)場合使用的是模擬溫度傳感器，常用的模擬溫度傳感器有熱敏電阻，工作時(shí)電阻值會(huì)隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化。模擬溫度傳感器先采集電阻兩端電壓，再將其轉(zhuǎn)換為當(dāng)前環(huán)境溫度。隨著科技發(fā)展，數(shù)字化溫度傳感器也投入使用，其外形小巧、接口簡單，可應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)的不同領(lǐng)域［3］。

本研究選用DS18B20傳感器來檢測溫度。DS18B20是一種使用單總線協(xié)議的數(shù)字化溫度傳感器，可將溫度數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)方式傳遞給單片機(jī)，不用設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，使整體設(shè)計(jì)更為簡便。STC89C52RC單片機(jī)與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸常用的串行總線有I2C、SPI和SCI。DS18B20溫度傳感器采用的單總線與上述三種總線不同，其單條信號(hào)線不僅能傳輸時(shí)鐘，也能雙向傳輸數(shù)據(jù)，線路變得更簡單，方便線路的擴(kuò)展和維護(hù)。該系統(tǒng)中的DS18B20溫度傳感器選擇三腳直插式的封裝方式，通過一個(gè)I/O引腳接口就能與單片機(jī)進(jìn)行通信。此外，DS18B20測量精度很高，可有效測量的溫度范圍為-55～+128 ℃，內(nèi)部電路集成有A/D轉(zhuǎn)換器，使電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡單，還可減少溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換造成的精度損失。由圖2可知，DS18B20外部引出的三根引腳分別是GND、DQ、VCC，為保證正常使用，電源引腳還要接一個(gè)上拉電阻。DS18B20不僅抗干擾能力強(qiáng)，且體積小巧、封裝形式多樣，通過DQ引腳就能與單片機(jī)進(jìn)行通信，接線十分方便。如果現(xiàn)場需要測試多個(gè)采集點(diǎn)溫度，可將DS18B20所有的I/O接口連接在一起，使用多個(gè)從機(jī)和監(jiān)測點(diǎn)來完成多點(diǎn)溫度檢測。

2.3 通信模塊

nRF24L01是系統(tǒng)所使用的無線通信器件，也是本研究設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)。隨著單片機(jī)開發(fā)及各種數(shù)據(jù)通信方式發(fā)展，傳統(tǒng)的有線測溫方式將逐漸退出市場，取而代之的是通過單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場溫度。

目前，國內(nèi)單點(diǎn)測溫和多點(diǎn)測溫大多使用的是有線通信方式，有線通信不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用高昂，應(yīng)用場景有限。在一些特殊場合中，要用到無線方式傳輸溫度數(shù)據(jù)［4］。nRF24L01接口電路如圖3所示，nRF24L01的5個(gè)數(shù)據(jù)通信傳輸引腳均連接單片機(jī)的P1口；4號(hào)CE引腳為使能端口引腳，連接P13，通過引腳來選擇發(fā)送或接收狀態(tài)；6號(hào)SCK引腳為時(shí)鐘信號(hào)引腳；8號(hào)MISO引腳為“主入從出”引腳，也就是控制端輸入、接收端輸出引腳；3號(hào)SCN引腳為接收端選擇引腳，Not為低電平有效；5號(hào)MOSI為“主出從入”引腳，即控制端輸出、接收端輸入引腳；7號(hào)IRQ引腳為中斷引腳，與單片機(jī)的P33相連，也是低電平有效。假設(shè)無線通信模塊接收到有效數(shù)據(jù)、到達(dá)最多重發(fā)次數(shù)或數(shù)據(jù)發(fā)送完成，會(huì)使中斷引腳變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C(jī)將進(jìn)入中斷，根據(jù)此時(shí)寄存器狀態(tài)來進(jìn)行處理。nRF24L01芯片工作頻段為2.4～2.5 GHz 的ISM頻段，采用全雙工通信方式，無論是發(fā)射數(shù)據(jù)模式還是接收數(shù)據(jù)模式，消耗的功率都比較低，符合節(jié)能要求。nRF24L01共有6個(gè)數(shù)據(jù)通道和126個(gè)通信通道，在Keil軟件中，通過C51語言來設(shè)置工作頻率、通信地址，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信和調(diào)頻的功能要求。整個(gè)通信模塊分為兩個(gè)部分，從機(jī)為發(fā)送信號(hào)部分，主機(jī)為接收信號(hào)部分。在程序初始化后，從機(jī)讀取DS18B20溫度傳感器內(nèi)部含有溫度信息的數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接收到溫度數(shù)據(jù)后，在液晶屏上顯示的同時(shí)，判斷其是否超過設(shè)定值，若是超過設(shè)定值則報(bào)警，否則繼續(xù)接收讀取從機(jī)傳送來的溫度數(shù)據(jù)。

2.4 顯示模塊

LCD1602液晶顯示屏作為顯示模塊，能滿足基本的溫度顯示要求。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16引腳接口，在STC89C52單片機(jī)控制板上部已標(biāo)記好LCD1602的電路連接線位置，16位引腳口排列成一排，LCD1602液晶顯示屏與STC89C52單片機(jī)可使用杜邦線進(jìn)行連接，十分方便［5］。LCD1602芯片引腳電路如圖4所示。顯示模塊可將測量到的溫度信息及時(shí)顯示出來。在軟件編譯中，需要提前定義好寄存器選擇（RS）、讀/寫信號(hào)線（RW）、使能端（E）端口參數(shù)，DB0～DB7為8位雙向數(shù)據(jù)線。顯示模塊作為子程序，主程序在需要顯示時(shí)調(diào)用顯示子程序即可，保證即使顯示部分電路出現(xiàn)故障或顯示屏損壞，系統(tǒng)仍能正常實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，保障現(xiàn)場安全。

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊是用來產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，預(yù)防危險(xiǎn)事故的發(fā)生。蜂鳴器作為報(bào)警模塊，其工作原理比較簡單，兩塊金屬片通電后，其中一塊金屬片帶有正電荷，另外一塊金屬片帶有負(fù)電荷，二者因相互吸引而發(fā)生碰撞、震動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音［6］。若是將蜂鳴器直接連接單片機(jī)上，蜂鳴器產(chǎn)生的聲音較小。由圖2可知，可通過三極管來增大蜂鳴器的報(bào)警音量。當(dāng)檢測到的溫度值超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)控制P2.3引腳產(chǎn)生低電平信號(hào)，同時(shí)PNP三極管的發(fā)射結(jié)電流導(dǎo)通，此時(shí)放大電流流過集電極，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，引起相關(guān)工作人員注意。在單片機(jī)不需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)或按下復(fù)位鍵重啟時(shí)，P2.3引腳就會(huì)變?yōu)楦唠娖剑l(fā)射結(jié)和基極也就沒有電流流過，無電流經(jīng)過時(shí)報(bào)警器不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)能安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。使用Keil軟件進(jìn)行C51語言編程，最終在主函數(shù)中調(diào)用各個(gè)子函數(shù)程序來實(shí)現(xiàn)整體報(bào)警功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)現(xiàn)場要求來選擇單路溫度采集或多路溫度采集。在多路溫度采集過程中，要設(shè)置不同通信頻道來區(qū)分不同的采集點(diǎn)溫度。軟件系統(tǒng)的整體流程如圖5所示。先對(duì)從機(jī)和主機(jī)進(jìn)行程序初始化，從機(jī)將無線模塊設(shè)置成發(fā)送模式，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。主機(jī)將無線模塊設(shè)置成接收模式，對(duì)接收到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析，若是超過設(shè)定的溫度值，就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警模塊程序。

4 結(jié)語

本研究以無線傳輸作為主要研究對(duì)象，將溫度

度檢測、報(bào)警、顯示等功能模塊組合在一起，設(shè)計(jì)出無線溫度報(bào)警系統(tǒng)。選擇STC89C52RC作為該系統(tǒng)的主控制器，使用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)、LCD1602液晶顯示溫度數(shù)據(jù)，一旦超過溫度設(shè)定值，蜂鳴器便會(huì)及時(shí)報(bào)警［7］。無線溫度報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)克服有線報(bào)警系統(tǒng)建造復(fù)雜、易損壞、造價(jià)高昂等缺點(diǎn)，可簡化布局，性價(jià)比也高。無線溫度報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧、布局靈活，可安裝在很多地方，且功能擴(kuò)展較為方便，適用于多種測溫場景，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值非常好。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉婷婷，王悠，李琦琦.基于單片機(jī)的煙草干燥溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022（9）：85-86，90.

［2］楊宇.基于單片機(jī)和DS18B20的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.有色金屬設(shè)計(jì)，2022（2）： 66-69.

［3］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2018.

［4］楊智霞.基于單片機(jī)的無線多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.無線互聯(lián)科技，2022（16）： 86-88.

［5］吳坤，何英昊.基于DS18B20的簡易溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)［J］.電子制作，2019（1）：83-84，61.

［6］喬學(xué)增.基于單片機(jī)簡易溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022（5）：51-54，114.

［7］張陽熠，程家勤，謝國雄，等.基于恩智浦MCU的溫度/濕度控制器設(shè)計(jì)［J］.新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022（9）：34-36，53.