利用單片機(jī)遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)

隨著信息科學(xué)與微電子技術(shù)的發(fā)展，溫度的監(jiān)控可以利用現(xiàn)代技術(shù)使其實(shí)現(xiàn)自動化和智能化。多路無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)就是朝著這一目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本次設(shè)計(jì)要求利用單片機(jī)及無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫控范圍調(diào)節(jié)及其超溫范圍報(bào)警。

1技術(shù)要點(diǎn)

由于本系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，對溫度的采集控制是實(shí)時(shí)的，所以溫度采集的時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)發(fā)送接收的時(shí)間差，單片機(jī)與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳送速度以及上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)的分析處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過對溫度傳感器，無線模塊的優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)通過高速USB接口進(jìn)行通信及對上位機(jī)代碼的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，同時(shí)還要考慮的是溫度傳感器的各個(gè)參數(shù)，無線模塊的參數(shù)，以及硬件電路的優(yōu)化搭建問題。

2硬件及軟件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能夠最優(yōu)化的工作，系統(tǒng)的硬件器件選擇將是十分重要的問題。

（1）溫度傳感器的選用

系統(tǒng)是做溫度監(jiān)控的，首要的工作就是如何選取溫度傳感器，正確的選擇溫度傳感器對系統(tǒng)的性能和價(jià)格有著重大的影響。就溫度傳感器的溫度測量范圍、精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度。等幾個(gè)因素的比較分析，本系統(tǒng)選用的是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器。選用該傳感器的原因有：①DS18B20與微處理器僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊，簡化連接難度;②無需其他的AD轉(zhuǎn)化器件，降低成本，也減少了硬件制板的費(fèi)用;③可供使用電壓范圍大：3.0V到5.5V都可以使用，器件的功耗較低;④測溫分辨率高，最高可達(dá)0.125度，便于溫度精確控制;⑤支持多點(diǎn)測試，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在一根線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。

（2）無線模塊的選用

本系統(tǒng)是多點(diǎn)監(jiān)控，同時(shí)他的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線傳輸?shù)?，所以無線傳輸模塊的需要支持多點(diǎn)的數(shù)據(jù)的傳送。考慮穩(wěn)定性，傳輸數(shù)據(jù)的速度，錯(cuò)誤率等方面，本系統(tǒng)選用的是NRF905無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，選擇該模塊的原因有：①433MHZ開放ISM頻段免許可證使用，無需額外申請頻段;②傳輸速率高，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)50KB，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要;③自帶有CRC糾錯(cuò)功能，抗干擾能力強(qiáng)。所需電壓僅3.3V，功耗低;④125個(gè)頻道，支持多點(diǎn)通信，滿足系統(tǒng)多點(diǎn)監(jiān)控的需要。

（3）主控芯片選用

ATmega16是ATMEL公司推出的一款基于AVRRISC構(gòu)架的低功耗CMOS的8位單片機(jī)。ATmega16在16MHz時(shí)有16MIPS的運(yùn)算速度，具有兩周期硬件乘法器，從而使得設(shè)計(jì)人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡，且非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器資源較大能滿足程序代碼設(shè)計(jì)需要。外設(shè)資源豐富：2個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;一個(gè)獨(dú)立預(yù)分頻器和比較/捕捉功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;支持4路PWM輸出、8路10位ADC。支持TWI接口、USART、SPI接口多機(jī)通信滿足擴(kuò)展功能的需要。

（4）其他外圍器件

USB與PC機(jī)通信中USB控制芯片PDUSBD12，顯示模塊1602，報(bào)警蜂鳴器等。

2.1系統(tǒng)的硬件連接方法

硬件方面主要由兩部分組成，溫度采集發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接受分析控制部分。

2.1.1溫度采集發(fā)送部分

主要的連接器件有NRF905無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，DS18B20溫度傳感器采集模塊，1602顯示模塊，報(bào)警模塊，及溫度異常處理模塊。其連接方法如圖1所示。主控芯片M16通過SPI總線協(xié)議向無線模塊發(fā)送配置信息，使其工作初始化。溫度傳感器與M16的連接使用的是單總線協(xié)議，來采集溫度。顯示芯片1602來顯示采集到得溫度，同時(shí)使用蜂鳴器作為報(bào)警裝置，當(dāng)溫度有異常時(shí)單片機(jī)會控制加熱設(shè)備或降溫設(shè)備來對異常進(jìn)行處理。

2.1.2數(shù)據(jù)接收分析控制部分

主要的連接器件有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，USB傳送模塊，和PC機(jī)構(gòu)成。其電路連接如圖2所示。同樣主控芯片M16通過SPI總線協(xié)議向無線模塊發(fā)送配置信息，使其工作初始化。接收到溫度后通過PDUSBD12芯片利用USB協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，可以直接在VC界面上顯示。PC機(jī)可以自動分析數(shù)據(jù)是否存在異常，當(dāng)存在異常時(shí)，PC發(fā)送控制信號來遠(yuǎn)程控制加熱或降溫設(shè)備對異常進(jìn)行處理，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，這樣可以將危險(xiǎn)降到最低，實(shí)現(xiàn)自動化與智能化。

圖1數(shù)據(jù)采集與發(fā)送圖2數(shù)據(jù)接收與分析

2.2軟件程序的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)由兩個(gè)模塊構(gòu)成，所以軟件程序的設(shè)計(jì)也分為溫度采集發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)接受分析控制模塊程序設(shè)計(jì)。

2.2.1溫度采集發(fā)送模塊

主要需要設(shè)計(jì)的程序有NRF905的內(nèi)部寄存器配置，溫度傳感器溫度采集程序，液晶顯示模塊程序，報(bào)警系統(tǒng)程序。程序流程圖如圖3：

圖3主程序流程圖

2.2.2數(shù)據(jù)接受分析控制模塊

主要需要設(shè)計(jì)的程序有NRF905的內(nèi)部寄存器配置，USB模塊的驅(qū)動編寫，上位機(jī)程序的建立，由于篇幅有限，源代碼及流程圖不再給出。

3系統(tǒng)的工作流程

本系統(tǒng)主要由兩個(gè)模塊組成，溫度采集發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊。

3.1數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊

該模塊的主要功能是采集溫度和發(fā)送數(shù)據(jù)。主控單片機(jī)發(fā)出命令開始有DS18B20進(jìn)行溫度采集，溫度傳感器將采集到的溫度傳回主控芯片，在1602上進(jìn)行顯示，然后主控芯片通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳送給無線發(fā)送模塊NRF905，由無線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時(shí)主控芯片會檢測溫度是否異常，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí)會發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)啟動異常處理模塊。

具體工作流程如圖4：

圖4采集發(fā)送模塊工作流程

3.2數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊

該模塊的主要功能是接收和處理數(shù)據(jù)，由單片機(jī)控制無線模塊接收數(shù)據(jù)，同時(shí)控制USB模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上去，PC機(jī)接收到溫度后會對溫度進(jìn)行分析處理，當(dāng)溫度由異常時(shí)，會發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)通過將控制指令發(fā)送至單片機(jī)，通過無線模塊來遠(yuǎn)程控制異常處理模塊執(zhí)行工作，從而實(shí)現(xiàn)異常自動處理和雙報(bào)警，從而最大限度的確保被監(jiān)控地的預(yù)警和安全。具體工作流程如圖5：

圖5接受監(jiān)控模塊工作流程

4結(jié)語

對本系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離具體溫度測試有，經(jīng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)實(shí)地溫度采集與上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)完全吻合，且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。同時(shí)可以通過PC機(jī)對單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，性能穩(wěn)定。