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(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

一種短距離無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷，賈應(yīng)煒

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，操作人員無法在現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備是否運(yùn)行正常，需要將待測數(shù)據(jù)采集送到監(jiān)控操控室[1]；同時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于運(yùn)動狀態(tài)、布線根本無法操作，此時(shí)需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集[2]。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防和機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了NRF24L01射頻芯片，使用溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20實(shí)時(shí)采集溫度，由STC89C52單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)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(diào)制器等功能于一體，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中，通信頻道與輸出功率可編程來設(shè)置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA；接收時(shí)，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(jié)能設(shè)計(jì)更方便[5]。nRF24L01通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電4種工作狀態(tài)。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(shí)鐘MOSI4SPI輸入MISO5SPI輸出IRQ6中斷輸出VDD7電源端GND8電源地

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片采用單片機(jī)STC89C52，無線通信模塊采用nRF24L01，溫度采集采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。發(fā)送端由溫度傳感器、STC89C52單片機(jī)和nRF24L01無線射頻模塊組成；接收端由STC89C52單片機(jī)、nRF24L01無線射頻模塊、LCD1602顯示模塊和串口組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由若干傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)送微處理器，經(jīng)處理后由無線模塊nRF24L01發(fā)射；路由節(jié)點(diǎn)中的無線模塊nRF24L01接收到數(shù)據(jù)送微處理器，再由LCD1602顯示并經(jīng)MAX232送PC機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)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(nèi)置8 KB的可編程Flash 存儲器[6]，使得STC89C52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。由STC89C52構(gòu)成的控制模塊最小系統(tǒng)如圖2所示，主要包括晶振電路和復(fù)位電路。

a.晶振電路。晶振電路由2個(gè)22pF電容和1個(gè)12MHz晶體振蕩器構(gòu)成，接入單片機(jī)的X1，X2引腳。

b.復(fù)位電路。單片復(fù)位端低電平有效。

圖2 STC89C52構(gòu)成的控制模塊

2.2 無線發(fā)射、接收電路設(shè)計(jì)

nRF24L01芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流為10.5 mA，接收時(shí)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(jī)連接時(shí)的電路如圖3所示。

圖3 nRF24L01與單片機(jī)接口電路

2.3 溫度傳感器DS18B20

DS18B20單線數(shù)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 ℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾性[8]。圖4為DS18B20硬件連接電路。 DS18B20在系統(tǒng)中與發(fā)送端單片機(jī)的P3.3連接。

圖4 DS18B20硬件電路

2.4 系統(tǒng)顯示模塊

系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示模塊來顯示溫度，P0由上拉電阻提高驅(qū)動能力，作為數(shù)據(jù)輸出并作為LCD的驅(qū)動，P2口的P2.7作為液晶顯示模塊的使能信號E，數(shù)據(jù)/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(tǒng)與PC機(jī)通信

系統(tǒng)采用MAX232來完成TTL- EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路[9]，驅(qū)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(jī)和單片機(jī)串口通信接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)發(fā)送端采用DS18B20溫度傳感器采集溫度，經(jīng)STC89C52收集處理數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示，再由nRF24L01模塊發(fā)送到接收端。其中，包括DS18B20和nRF24L01模塊的初始化配置。圖7為發(fā)送端程序流程。

圖7 發(fā)送端程序流程

3.2 接收端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收端采用nRF24L01無線模塊接收發(fā)送端傳來的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)STC89C52在LCD1602液晶顯示器上顯示。最后單片機(jī)把數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸給PC機(jī)。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(tǒng)測試

4.1 誤碼率測試

誤碼率是表征通信線路接收質(zhì)量以及可靠性指標(biāo)的主要參數(shù)。誤碼率測試方法為:每0.2s發(fā)送端發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包，接收端用“誤碼計(jì)數(shù)器”來統(tǒng)計(jì)丟失和發(fā)錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀數(shù)量。在室內(nèi)環(huán)境中，當(dāng)發(fā)送速率為2Mb/s、數(shù)據(jù)幀長度為20Bit、輸出功率為0dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率測試結(jié)果如表2所示。由表2知，通信距離在35 m內(nèi)，系統(tǒng)誤碼率很低，可以正常通信，大于35 m時(shí)，誤碼率很高，不能正常通信。

表2 數(shù)據(jù)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(tǒng)為了測試方便，溫度采集點(diǎn)選擇了5個(gè)節(jié)點(diǎn)采集，采用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與設(shè)計(jì)裝置對同一點(diǎn)溫度進(jìn)行6次實(shí)測取平均，得標(biāo)準(zhǔn)值、測量值、誤差及誤差率如表3所示。由表3可看出，系統(tǒng)的溫度測量比較穩(wěn)定，溫度值最大絕對誤差為0.5 ℃。

表3 不同節(jié)點(diǎn)測量結(jié)果及誤差 ℃

5 結(jié)束語

系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，nRF24L01為無線模塊，構(gòu)成星形無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有傳輸體積小、速率高、成本低、功耗低、軟件設(shè)計(jì)簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。隨著無線通信的應(yīng)用領(lǐng)的發(fā)展，人們需求的不斷提高，無線通信技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間。無線通信技術(shù)已在家庭智能化、電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備控制、工業(yè)控制和農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，30(1):27-36.

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Design of a Short Distance Wireless Temperature Acquisition System

ZHANGYan，JIAYingwei

(Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)

針對在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)采集點(diǎn)距離遠(yuǎn)、監(jiān)測環(huán)境范圍大、布線不便等場合，設(shè)計(jì)了一種以nRF24L01作為無線傳輸模塊，單片機(jī)STC89C52為控制核心，DS18B20為溫度采集模塊的無線溫度采集系統(tǒng)。DS18B20檢測的溫度由單片機(jī)STC89C52處理，通過無線通信協(xié)議，經(jīng)nRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸送給協(xié)調(diào)器，再經(jīng)LCD1602顯示并同時(shí)送PC機(jī)。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)在室內(nèi)傳輸距離可達(dá)35 m，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求,可應(yīng)用于各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

單片機(jī)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?yàn)殡姎庾詣踊?/p>