劉力郡 / 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于Wi-Fi無(wú)線傳輸?shù)臏囟葴y(cè)量系統(tǒng)

劉力郡 / 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)上溫度測(cè)量的要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量、無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi的溫度測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)硬件電路、軟件算法，利用單片機(jī)STC89C52進(jìn)行控制，溫度傳感器DS18B20進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度采集，控制合理誤差，工作穩(wěn)定。

Wi-Fi；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；DS18B20；溫度測(cè)量

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的基本參數(shù)，在材料成型、化工生產(chǎn)、試驗(yàn)工藝、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等方面，均與溫度調(diào)控有著十分密切的聯(lián)系。作為被控參數(shù)，需要根據(jù)其場(chǎng)所的不同、溫度范圍與準(zhǔn)確度的要求不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其完成有效的控制[1]。因此，溫度測(cè)量技術(shù)在工業(yè)各領(lǐng)域中，對(duì)溫度控制的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)。

使用Wi-Fi能實(shí)現(xiàn)20～300 m的通信距離，可達(dá)到11～54 Mbps的傳輸速度，安全性能高，功耗較低的優(yōu)勢(shì)。本文以STC89C52單片機(jī)為控制核心，以數(shù)字溫度傳感器DS18B20為測(cè)溫元件，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊FX-DS540-APDL2-U，設(shè)計(jì)一種溫度測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)臏囟葴y(cè)量功能[2]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，結(jié)合溫度測(cè)量電路，由溫度接收與處理、溫度采集與發(fā)射兩大部分組成，形成工業(yè)無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

利用Wi-Fi作為無(wú)線傳輸形式，通過(guò)其無(wú)線收發(fā)的方式將溫度接收與處理、溫度采集與發(fā)射聯(lián)系在一起，由前者下達(dá)啟動(dòng)測(cè)溫命令，后者在接收到無(wú)線信號(hào)后將測(cè)量的結(jié)果發(fā)回，最終由液晶模塊以數(shù)字的形式將處理后的測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Wi-Fi的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)提供了多種組網(wǎng)方式，有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單AP、無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線中繼器等模式。一般考慮在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)線溫度控制網(wǎng)絡(luò)需要具有一定的靈活性及擴(kuò)展性，可結(jié)合單AP與無(wú)線中繼器模式進(jìn)行組網(wǎng)，構(gòu)建起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自上而下為：管理層、傳輸層、控制層的Wi-Fi無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 溫度控制回路

在溫度控制回路中，由控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、濾波器、加熱元件以及溫度對(duì)象等組成。溫度控制回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器接收到經(jīng)濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理完成的溫度信號(hào)，根據(jù)算法進(jìn)行處理，并發(fā)出控制指令，控制指令經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊處理，以輸出電壓的形式控制加熱元件，從而達(dá)到調(diào)節(jié)對(duì)象溫度的目的。

工控機(jī)分布在管理層，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度對(duì)象的溫度變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Wi-Fi傳輸模塊位于傳輸層，用于實(shí)現(xiàn)管理層與控制層之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?？刂茖佑煽刂破?、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、濾波器、溫度傳感器、加熱元件及被控溫度對(duì)象組成。

圖2 溫度控制回路結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)硬件電路

2.3.1 STC89C52最小系統(tǒng)電路

主控制器采用單片機(jī)STC89C52,具有指令執(zhí)行速度快、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，內(nèi)部8 K的程序存儲(chǔ)空間，芯片集成32個(gè)輸入輸出引腳，時(shí)鐘電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和地址選擇電路共同組成最小系統(tǒng)[3]。其最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 STC89C52最小系統(tǒng)電路

2.3.2 溫度采集電路

溫度采集由數(shù)字溫度傳感器DS18B20完成，其工作電壓在3.3～5 V的范圍內(nèi)，可監(jiān)控-55～125 ℃范圍內(nèi)的溫度變化，誤差不大于±0.5 ℃。DS18B20的單總線數(shù)據(jù)輸出端由單片機(jī)STC89C52的P1.6引腳接出，其1、3腳各接電源及系統(tǒng)接地[4]。溫度采集電路，如圖4所示。

圖4 溫度采集電路

2.3.3 液晶顯示電路

液晶顯示可采用圖形液晶顯示模塊GSM12864，它是一種低功耗、點(diǎn)陣式LCD模塊，可與主控制器直接相連，其工作原理如圖5所示。單片機(jī)STC89C52的P0接口可與液晶模塊的數(shù)據(jù)總線DB0～DB7相連；P2的0、1、3、5、6引腳與液晶模塊的/CSD、/CSA、E、R/W、D/I引腳相連[5]。

圖5 液晶模塊工作原理

3 系統(tǒng)軟件分析

溫度接收與處理部分系統(tǒng)初始化過(guò)程中，使得系統(tǒng)上電后各部件處于待機(jī)狀態(tài)，通過(guò)按鍵方式啟動(dòng)發(fā)送測(cè)溫命令，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)控制P1.1引腳開(kāi)啟接收器，等待收到溫度值后，單片機(jī)通過(guò)延時(shí)，使得無(wú)線收發(fā)模塊的發(fā)射器件處于低功耗狀態(tài)。每接收到1個(gè)數(shù)據(jù)就進(jìn)行顯示，測(cè)量完成后置使系統(tǒng)復(fù)位到原始狀態(tài)，等待下次測(cè)量。

溫度采集與發(fā)射部分系統(tǒng)初始化過(guò)程中，使得系統(tǒng)上電后接收器件處于工作狀態(tài)，發(fā)射器件處于低功耗狀態(tài)以及溫度傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)。待接收到測(cè)溫命令后，單片機(jī)通過(guò)控制P1.1 接口使得處于低功耗狀態(tài)。同時(shí)開(kāi)啟溫度傳感器以及通過(guò)延時(shí)啟動(dòng)，待測(cè)量完成后，使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)[6]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用三點(diǎn)監(jiān)測(cè)，使用三個(gè)溫度傳感器對(duì)工業(yè)環(huán)境室內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，分早、中、晚三個(gè)時(shí)間段與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，盡量減少實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，保證其準(zhǔn)確性。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

由此可知，通過(guò)該系統(tǒng)的溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)得數(shù)值保持一致，能夠達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量溫度的目的，有實(shí)際的使用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的測(cè)溫系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)設(shè)備完成連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，也可以擴(kuò)展溫度控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)測(cè)溫而且實(shí)現(xiàn)控溫的要求，系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，布局形式靈活，功能擴(kuò)展方便的特點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]熊強(qiáng)強(qiáng)，裴慧琴，奚建平，等.一種智能多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2017，36（5）：55-58.

[2]李長(zhǎng)才，肖金球，張少華.基于nRF24L01的無(wú)線多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2016，39（6）：94-97.

[3]馬臣崗，孟立凡.基于單總線式無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（3）：32-37.

[4]徐正平，許永森，孫超.多通道并行溫度采集系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014，37（12）：93-98.

[5]余瑾，姚燕.基于DS18B20測(cè)溫的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2009，25（3）：105-107.

[6]蔣萍花，張楠.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（6）：139-142.

A design of temperature measurement system based on Wi-Fi wireless transmission

Liu Lijun
（Xi’an Railway Vocational & Technical Institute）

In order to adapt to the measurement of the temperature of the requirements of industrial production, remote measurement, wireless data transmission, a design of temperature measurement system based on Wi-Fi, which is controlled by single chip STC89C52, temperature sensor DS18B20 were measured, and the temperature of liquid crystal display.Through the design of its hardware circuit and software algorithm,the experimental results show that the system can achieve accurate temperature acquisition. It is reasonable to control, stable to work.

Wi-Fi;wireless data transmission; DS18B20; temperature monitoring