溫度無線傳感技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

范平平

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 天津 300380）

1 無線溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多點(diǎn)無線溫度測量系統(tǒng)以AT89S52為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，應(yīng)用傳感技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集和短距離無線傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由三大部分構(gòu)成：第一部分為系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集部分，多片單總線溫度傳感器DS18B20組成溫度采集網(wǎng)絡(luò)，完成多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集；第二部分為溫度數(shù)據(jù)的處理與顯示部分，完成溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和在數(shù)碼管上的顯示；第三部分為系統(tǒng)的發(fā)射端，由芯片CD40106輔助TX315A完成數(shù)據(jù)無線的發(fā)射功能。該溫度測量系統(tǒng)電路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，搭建方便，易于擴(kuò)展，實(shí)際發(fā)射距離約50m，因此本系統(tǒng)適用于在短距離對多種環(huán)境溫度的監(jiān)測，有廣闊的應(yīng)用前景［1］。

2 系統(tǒng)的硬件電路的搭建

由于斯邁特計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的單片機(jī)在線系統(tǒng)AY-MPU89S52E設(shè)置有專門的DS18B20芯片引腳插孔，所以可將DS18B20通過插座直接插在插孔上。為使DS18B20在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲器操作時(shí)，給I/O線提供一個(gè)強(qiáng)上拉。用MOSFET把I/O線直接拉到電源上就可以實(shí)現(xiàn)。所以在DS18B20的VCC與DQ引腳之間焊接一個(gè)4.7KΩ的電阻；因?yàn)镈Q引腳對應(yīng)著P1.0，所以將P1.0對應(yīng)的跳線器置于下方。隨后完成了TX315A的連接，為了防止元器件連接到擴(kuò)展板時(shí)電壓有所衰減，導(dǎo)致給發(fā)射器提供的電壓不足，引入了CD40106BE芯片，該芯片為CMOS電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，主要用于信號電路的整形。整個(gè)電路集成了6個(gè)施密特觸發(fā)器，每個(gè)施密特觸發(fā)器為反相輸出結(jié)構(gòu)，本電路用其中兩個(gè)施密特觸發(fā)器構(gòu)成同相電路，用以提高單片機(jī)串行接口的信號輸出能力。本集成電路芯片共有14個(gè)引腳，引腳1與P3.1相連（P3.1位串行通信信號輸出端），引腳2與引腳3相連，引腳4與TX315A信號輸入端相連，引腳5，7，9，11，13都與GND相連。TX315A的引腳1與VCC相連，引腳2與GND相連，引腳3與CD40106BE芯片的引腳4相連。

3 匯編程序設(shè)計(jì)

硬件電路搭建完成后，進(jìn)行了匯編程序的編寫。為了組裝調(diào)試方便，將一個(gè)全部的匯編程序分成4部分：①DS18B20的溫度讀取模塊；②溫度轉(zhuǎn)換處理模塊；③溫度在數(shù)碼管上的顯示模塊；④單片機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信模塊。下面分別就這4個(gè)模塊進(jìn)行簡要的敘述。

3.1 DS18B20的溫度讀取模塊

此模塊由4個(gè)函數(shù)構(gòu)成：①讀取溫度的主函數(shù)GET_TEMP；②初始化DS18B20的子函數(shù)INT；③向DS18B20寫操作命令的子函數(shù)WRITE；④從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)的子函數(shù)READ。

3.2 溫度轉(zhuǎn)換模塊

DS18B20測得的溫度在存儲區(qū)是以補(bǔ)碼的形式存儲的，因此要將其在數(shù)碼管上顯示需要進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換［2］。

溫度數(shù)據(jù)占用兩個(gè)字節(jié)LSB與MSB，其中MSB的高5位為符號位，后三位與LSB的8位二進(jìn)制組成溫度數(shù)值部分，LSB的高四位與MSB的低三位組成溫度的整數(shù)部分，LSB的低四位為溫度的小數(shù)部分，為方便顯示，將精度定為小數(shù)點(diǎn)后一位。

3.3 溫度顯示模塊

將要顯示的內(nèi)容存儲在6個(gè)存儲單元中，將字位碼送到P2口，字型碼送到P0口，數(shù)碼管從左向右依次顯示，延時(shí)程序?yàn)?ms，根據(jù)視覺停留的原理，看上去像是6個(gè)數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。

3.4 單片機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信模塊

串行通信采用程序查詢方式處理。作為發(fā)送方A，首先要發(fā)送出接收起始識別標(biāo)記，便于接收方B判別從哪一字節(jié)開始接收，為了避免差錯(cuò)的產(chǎn)生，所選的起始標(biāo)記不可以是0與21之間的任何十進(jìn)制整數(shù)，因此選定為（99）D。之后將處理好的數(shù)據(jù)按字節(jié)依次發(fā)送給接收方B，最后一個(gè)字節(jié)發(fā)送A的地址，再由接收方B做出識別。

4 系統(tǒng)總體調(diào)試

此次無線溫度傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)開始時(shí)由于對TX315A的特性不是十分明確，所以最初采用有線串行通信的形式進(jìn)行調(diào)試，將單片機(jī)在線系統(tǒng)A與單片機(jī)在線系統(tǒng)B用導(dǎo)線分別將它們串行接口的2、3、5引腳與3、2、5引腳相連，擴(kuò)展時(shí)只需將CD40106與TX315A焊接在單片機(jī)上，整個(gè)程序并不需要改動，但要注意將P3.1的跳線器置于下方。

由于有多個(gè)發(fā)射器將溫度發(fā)送給接收方，為了避免碰撞產(chǎn)生，采用時(shí)分復(fù)用作為通信協(xié)議，使單位時(shí)間片的長度略大于整個(gè)程序執(zhí)行一次的長度，每一時(shí)間片內(nèi)只有一個(gè)發(fā)送方進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，其他發(fā)送方設(shè)置時(shí)鐘執(zhí)行空操作，時(shí)鐘設(shè)置的時(shí)長為：（發(fā)送方個(gè)數(shù)-1）×?xí)r間片長度，所有發(fā)送方輪流發(fā)送數(shù)據(jù)。為了使接收方能順利顯示，發(fā)送數(shù)據(jù)與地址前首先發(fā)送識別標(biāo)志（99）D，然后發(fā)送地址，以便接收方完成地址的識別與顯示，最后發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。因?yàn)橹挥?個(gè)數(shù)碼管，接收方既要顯示數(shù)據(jù)還要顯示地址，所以將溫度的精度設(shè)置在小數(shù)點(diǎn)后1位。為使TX315A接入整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，提供給發(fā)射器的電壓不會有所衰減，接入CD40106芯片。

5 總結(jié)

本文所研究的多點(diǎn)無線溫度測量系統(tǒng)是短距離無線通信技術(shù)在溫度測量方面的一個(gè)具體應(yīng)用。系統(tǒng)以AT89S52為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，應(yīng)用傳感技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集和短距離無線傳輸［3］。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由三大部分構(gòu)成：第一部分為系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集部分，多片單總線溫度傳感器DS18B20組成溫度采集網(wǎng)絡(luò)，完成多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送；第二部分為溫度數(shù)據(jù)的處理與顯示部分，完成溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和在數(shù)碼管上的顯示；第三部分為系統(tǒng)的發(fā)射端，由芯片CD40106輔助TX351A完成數(shù)據(jù)無線的發(fā)射功能。該溫度測量系統(tǒng)電路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，搭建方便，易于擴(kuò)展，因此本系統(tǒng)適用于在短距離對多種環(huán)境溫度的監(jiān)測。

可以將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多點(diǎn)無線溫度傳感器，從而組成分布式無線測溫系統(tǒng)，根據(jù)MCS-51系列單片機(jī)的主從式多機(jī)通信結(jié)構(gòu)，最多可以構(gòu)成具有254個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)的無線測溫系統(tǒng)，節(jié)約了系統(tǒng)布線成本，測溫點(diǎn)布置、移動方便，適用于各種場合，有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］吳紹華，周宏輝.基于無源無線傳感技術(shù)的高壓設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)分析［J］.機(jī)電信息，2012（6）：74-77.

［2］朱麗麗，王長友.基于AVR單片機(jī)與溫度傳感器DS18B20的多點(diǎn)溫度測量［J］.電工電氣，2010（12）：52-56.

［3］許文斌，曾全勝.基于單片機(jī)AT89C52的數(shù)字化溫度測量儀［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010（5）：12-14.