關(guān)于轉(zhuǎn)播臺(tái)機(jī)房“溫度采集”的無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

【摘要】溫度對(duì)于發(fā)射臺(tái)機(jī)房來(lái)說(shuō)，至關(guān)重要;下面簡(jiǎn)單介紹一種對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的溫度進(jìn)行采集并無(wú)線傳輸?shù)南到y(tǒng)，本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是信息的無(wú)線傳輸，省去了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝。選擇合適的無(wú)線模塊直接關(guān)系到信號(hào)傳輸?shù)挠行约跋到y(tǒng)的可靠性。本課題設(shè)計(jì)的是一套無(wú)線多溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要用于對(duì)環(huán)境溫度的采集與監(jiān)控，系統(tǒng)采用基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想和溫度采集技術(shù)。無(wú)線傳輸避免了遠(yuǎn)距離布線所帶來(lái)的施工困難，成本高的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)用AT89C52單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)射模塊NRF24L01為主要硬件，設(shè)計(jì)了包括溫度采集，溫度顯示，系統(tǒng)控制，串口通信等外圍電路。溫度傳感器使用DS18B20，它實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控并傳輸數(shù)據(jù)給單片機(jī)，溫度上下限通過(guò)程序進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)是以Atmel公司的AT89C52單片機(jī)作為控制核心，提出以DS18B20的單總線分布式溫度采集與控制系統(tǒng)，溫度傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)單總線與單片機(jī)相連。控制器通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化，并在LCD1602上循環(huán)顯示節(jié)點(diǎn)溫度的變化。通過(guò)串口將檢測(cè)到的溫度信息回饋到上位機(jī)（PC機(jī)），從而遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】溫度傳感器;顯示程序設(shè)計(jì);無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線溫度采集系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量或相應(yīng)的可轉(zhuǎn)換為溫度量或供電故障監(jiān)控的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、服務(wù)業(yè)、安全監(jiān)控等工程中，例如：城市路燈故障檢測(cè)和供電線路防盜監(jiān)視、城市居民小區(qū)供熱檢測(cè)、大型倉(cāng)庫(kù)溫度檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)測(cè)控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度測(cè)控、環(huán)保工程、故障監(jiān)控工程等。設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）能通過(guò)DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫度的檢測(cè)實(shí)時(shí)傳送給LCD1602循環(huán)顯示;

（2）設(shè)置高溫上限和低溫下限，當(dāng)前溫度超過(guò)高溫上限，警報(bào)器響、直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，低于溫度下限，led燈亮，溫度恢復(fù)正常范圍，現(xiàn)象消除;

（3）通過(guò)無(wú)線模塊NRF24L01傳送當(dāng)前溫度值給接收單片機(jī)，通過(guò)LCD1602顯示并通過(guò)串口傳送給上位機(jī)（PC），以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在本設(shè)計(jì)中主要模塊是溫度傳感器，顯示模塊以及無(wú)線傳輸模塊，所以選擇好這三個(gè)模塊是做好本設(shè)計(jì)的前提條件。

1.溫度傳感器模塊的選擇與論證

作為測(cè)量數(shù)據(jù)的直接來(lái)源，溫度傳感器的測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性直接影響到后續(xù)電路工作的精確性，可以說(shuō)溫度傳感器是本設(shè)計(jì)的重中之重。整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量算法，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議都與溫度傳感器息息相關(guān)，選擇合理的溫度傳感器將是本設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

方案一：

采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè)1攝氏度的信號(hào)是不適用的。

方案二：

采用單片模擬量的溫度傳感器，比如AD590，LM35等。但這些芯片輸出的都是模擬信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī)，這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

方案三：

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線性度較好。在0～100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89C52構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。這樣，測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單。

采用溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個(gè)趨勢(shì)，部分功能電路的集成，使總體電路更簡(jiǎn)潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測(cè)量電路的精確度，所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢(shì)。本方案應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢(shì)。

方案對(duì)比及選擇結(jié)果：方案一的設(shè)計(jì)成本低，但是其測(cè)量精度不夠，方案二電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，而方案三只需要一根傳輸線，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。所以本設(shè)計(jì)的溫度傳感器設(shè)計(jì)方案采用方案三。

1.1 顯示模塊的選擇與論證

作為人機(jī)界面的一部分，顯示模塊主要功能是對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。顯示模塊的顯示能力也影響到溫度測(cè)量的精度。

方案一：

使用發(fā)光二極管顯示器（簡(jiǎn)稱LED），它配置靈活，使用方便，價(jià)格低廉，但顯示內(nèi)容有限，線路連接復(fù)雜，要有驅(qū)動(dòng)電路。不但顯示內(nèi)容單一，而且使用功耗高。

方案二：

使用液晶顯示器（LCD），它的功耗低，體積小，美觀，方便，使用壽命長(zhǎng)，且能顯示圖形、字母等，接口簡(jiǎn)單，可以直接與單片機(jī)進(jìn)行連接，但成本較高，占用系統(tǒng)資源較大。LCD1602液晶原理圖如圖1所示。

圖1 液晶顯示模塊

1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。

因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如“A”。

方案對(duì)比及選擇結(jié)果：方案二雖然編程復(fù)雜些，但是顯示精度高可以達(dá)到0.0625度，且本設(shè)計(jì)顯示信息較多，方案一顯示簡(jiǎn)單，不能滿足設(shè)計(jì)要求，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。

1.2 無(wú)線通信模塊的選擇與論證

本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是信息的無(wú)線傳輸，省去了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝。選擇合適的無(wú)線模塊直接關(guān)系到信號(hào)傳輸?shù)挠行约跋到y(tǒng)的可靠性。

方案一：

PTR2000是基于nRF401器件的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用低發(fā)射頻率、高靈敏度設(shè)計(jì)。該器件使用433 MHz頻段，是真正的單片UHF無(wú)線收發(fā)一體器件，其工作模式包括工作頻道的設(shè)置和發(fā)送、接收、待機(jī)狀態(tài)，由TXEN、CS、PWM 3個(gè)引腳共同決定，其工作模式設(shè)置如表1所示。

表1 PTR2000工作模式設(shè)置

PTR2000利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而單片機(jī)和PC機(jī)均帶有串口，因此，可利用PTR2000作為單片機(jī)和PC機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線接口。

方案二：

NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。

極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm是電流消耗為9mA，接收模式時(shí)為12.3mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。表2所示為NRF24L01快速參考參數(shù)。

表2 NRF24LO1快速參考參數(shù)

方案對(duì)比及結(jié)果選擇：PTR2000控制簡(jiǎn)單，利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，NRF24L01控制復(fù)雜，需要自己焊接電源電路，但是PTR2000成本太高，故本設(shè)計(jì)選擇方案二。

2.溫度傳感器DS18B20程序設(shè)計(jì)

DS18B20采用單總線的通信方式，硬件結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，但是相應(yīng)的它的軟件開發(fā)部分就十分繁瑣，想讓其正常工作，必須要嚴(yán)格按照其時(shí)序圖來(lái)編寫程序。圖2所示為DS18B20的復(fù)位時(shí)序圖：

圖2 DS18B20的復(fù)位時(shí)序

圖3所示為DS18B20的讀寫時(shí)序：

圖3 DS18B20的讀寫時(shí)序

圖4所示為DS18B20程序流程圖：

圖4 DS18B20程序流程圖

3.LCD1602顯示程序設(shè)計(jì)

LCD1602的控制命令較多，要想使其正確的顯示，就要對(duì)它的讀寫時(shí)序詳細(xì)分析，按照其讀寫時(shí)序來(lái)進(jìn)行讀寫。在本設(shè)計(jì)中，我們只需要對(duì)LCD1602進(jìn)行寫操作，使其顯示我們?cè)O(shè)定的內(nèi)容，所以我們暫時(shí)不考慮它的讀操作。圖5所示為L(zhǎng)CD1602寫操作時(shí)序及參考時(shí)間：

圖5 LCD1602寫操作時(shí)序及參考時(shí)間

4.無(wú)線收發(fā)模塊NRF24L01程序設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸模塊NRF24L01控制指令沒(méi)有LCD1602多，但是它與單片機(jī)通信采用的是SPI總線方式，但是本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)沒(méi)有SPI總線，所以要用通用I/O端口來(lái)模擬SPI總線時(shí)序，操作時(shí)序及參考時(shí)間如圖6-9所示：

圖6 SPI讀操作

圖7 SPI寫操作

圖8 操作時(shí)序圖

圖9 SPI參考時(shí)間

圖10所示為NRF24L01發(fā)送與接收程序流程圖。

5.系統(tǒng)調(diào)試與性能測(cè)試

5.1 測(cè)試環(huán)境及工具

測(cè)試溫度：0～100攝氏度。

測(cè)試儀器及軟件：數(shù)字萬(wàn)用表，溫度計(jì)0～100攝氏度，串口調(diào)試助手，protues仿真軟件。

測(cè)試方法：目測(cè)。

5.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試

使系統(tǒng)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)硬件電路是否正常工作（包括單片機(jī)系統(tǒng)，鍵盤電路，顯示電路，溫度測(cè)試電路，喇叭及直流電機(jī)電路，無(wú)線模塊電路等）。

采用溫度傳感器和溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量溫度變化情況，目測(cè)顯示電路是否正常。并記錄各點(diǎn)溫度值，與實(shí)際溫度值比較，得出系統(tǒng)的溫度指標(biāo)。

5.3 系統(tǒng)軟件調(diào)試

在keil51 uvison4中進(jìn)行編譯，如沒(méi)有錯(cuò)誤，下載到單片機(jī)中觀察現(xiàn)象，如沒(méi)有和設(shè)想的現(xiàn)象一致，通過(guò)硬件的現(xiàn)象來(lái)分析具體出錯(cuò)的原因，返回keil51中繼續(xù)調(diào)試，直至成功，還可以在protues中進(jìn)行仿真，直觀的觀看結(jié)果。

5.4 系統(tǒng)性能測(cè)試

通過(guò)DS18B20測(cè)試當(dāng)前的溫度，能通過(guò)LCD1602顯示電路實(shí)時(shí)顯示;

可以通過(guò)鍵盤來(lái)設(shè)置高溫上限和低溫下限，超過(guò)高溫上限后喇叭以兩種頻率發(fā)聲，同時(shí)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，低于低溫下限后，led燈亮（模擬加熱），溫度恢復(fù)正常范圍后，現(xiàn)象消除;能通過(guò)無(wú)線模塊NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與接收，能在LCD1602顯示電路中顯示，并能通過(guò)串口傳送溫度數(shù)據(jù)給上位機(jī)（PC）。

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作者簡(jiǎn)介：魏志東（1979—），男，山東臨沂人，工程師，現(xiàn)供職于山東省新聞出版廣電局大澤山轉(zhuǎn)播臺(tái)，從事廣播電視發(fā)射轉(zhuǎn)播方面的工作。