基于太陽能的節能溫度測試系統設計

【摘要】太陽能電源無線測溫系統是一種集溫度信號采集、大容量存儲、射頻發送、LCD動態顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統。針對發電廠、孤島、鉆井施工等許多不宜進行有線測溫和功率受限的場合。本文設計了一款基于太陽能的無線測溫系統系統，具有功耗低，結構簡單，適應性強等特點。

【關鍵詞】溫度測試;單片機;太陽能

1.引言

溫度是工業，化工，航天等行業生產過程中最基本的環境因素，因此安全，快捷地取得溫度就顯得尤為重要，隨著技術的不斷發展，目前涌現出了各種各樣的溫度采集設備。這些設備大部分工作于復雜艱苦的環境中，目前大部分的測溫系統仍然是基于電能的有線測溫系統，然而在復雜的工業環境中，有線測溫系統收到了很大的限制，使用nRF2401單片射頻收發芯片制作無線通信模塊，可以適應多種無線通信場合，具有能耗少，設計方便的優點。溫度測試系統的電源設計非常重要，由于傳統的基于電池的溫度測試系統電池壽命較短，為日后的使用和維護帶來了隱患，因此，本文選擇在耗電量較小的溫度檢測設備中，使用新型的綠色可再生能源太陽能作為電源[1]。

2.溫度測試系統結構及其原理

本文設計的無線測溫系統由5個部分組成：無限收發模塊，溫度傳感器模塊，溫度顯示模塊，太陽能電源模塊和無線收發模塊[2]。具體如圖1顯示：

圖1 無線測溫系統

圖1所示的單片機控制系統由微型控制器AT89S52設計實現，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程，Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案[3]。

無線收發模塊由NRF24L01芯片設計而成，nRF24L01是一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本無線收發器。該器件工作于2.4GHz全球開放ISM頻段，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合增強型ShockBurst技術，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。通過NRF24L01設計溫測系統無線裝置，具有功耗小，功能完善，價格低廉等優勢[2]。

目前市場上的溫度傳感器種類繁多，由64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器組成的DS18B20是一種新型的“一線器件”[4]。它的體積小，使用時消耗能量比較低，適用范圍廣泛，特性非常契合本文設計溫度測試系統的需求，與單片機相連時，只需連接單片機的一個I/O接口，并外接一個4.7K的上拉電阻即可使用，設計簡單快捷。

上述三個模塊相互結合，并外接太陽能電源，使用液晶顯示器顯示溫度即可，溫度測試系統全局設計具體如圖2所示。

圖2 溫度測試系統具體設計

3.系統硬件設計

基于太陽能電源的無線測溫系統的硬件系統結主要包括發送端和接收端，在發送端：系統采用溫度傳感器DS18B20采集溫度，采集到的溫度經單片機處理后由無線收發模塊NRF24L01發射。在接收端：由無線收發模塊NRF24L01接收來自發送端的數據，該數據經單片機讀取后做后續處理。

3.1 電源模塊設計

（1）發射機電源模塊：采用太陽能電池和蓄電池相互結合供電，如圖3所示：

圖3 發射機電源模塊

（2）接收端電源模塊：采用USB供電，供電電路比較簡單，如圖4所示。

圖4 接收機電源模塊

3.2 無線測溫接收模塊的設計

nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引腳則可接STC12LE5408的任意端口，但需在編程時注意，這里接至P1端口，如圖5所示：

圖5 無線測溫接收模塊

3.3 溫度傳感器DS18B20的設計

DSl8B20是DALLAS公司生產的單總線數字1-Wire溫度傳感器，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供單片機處理，采用1-Wire接口。DSl8B20的數據端DQ可通過4.7kΩ的上拉電阻接STC12LE5408。電路如圖6所示：

圖6 溫度傳感器DS18B20

4.軟件系統設計

4.1 發射電路軟件的設計

數據采集發送部分上電后首先配置nRF24L01的相關寄存器[5].使其工作在發射狀態，然后復位DSl8B20，向DSl8B20發送溫度轉換命令，讀取已轉換的溫度值，然后由nRF24L01發送.發送流程圖如圖7所示。

圖7 數據發射電路

這里需注意DS18B20是單總線器件.其硬件接口比較簡單，這是以相對復雜的軟件編程為代價的。DS18B20與單片機的接口協議也是通過嚴格的時序來實現的。雖然增加軟件開銷，但由于STC12LE5408運行速度快，可以滿足系統要求。另外，對DS18B20操作的程序必須按照初始化，ROM操作命令，存儲器操作命令，執行/數據的先后順序進行。如果總線上只掛1個DS18B20，初始化后可執行跳過ROM命令，再發送溫度轉換命令。溫度轉換完成后，將溫度值暫存在發送緩沖區tx_buf中，然后通過nRF24L01發送。

4.2 接收電路軟件的設計

nRF24L01在數據接收顯示中為接收狀態，當nRF24L01模塊配置為接收模式后，當接收到數據中斷時，從接收FIFO讀取數據。然后將其存儲到接收緩沖區rX_bur中。其接收流程圖如圖8所示。

圖8 數據接收電路

5.實驗結果

本系統基于單片機，利用NRF24L01的特點實現了無線測溫功能，具有結構簡單，使用方便，新能源電源等優點，由于同時使用太陽能和蓄電池電源，太陽能電源吸收的能量儲備在蓄電池中，從而使得電池使用時間大大增強，具體使用中，溫度測量基本符合要求，表1是溫度測量對比結果

表1 溫度測量圖

DS18B20溫度傳感器 標準數字溫度計

24.1℃ 24.2℃

25.2℃ 25.2℃

27.4℃ 27.5℃

33.0℃ 33.0℃

當建筑物很多的時候，收發電路均放置在地面時，能夠達到的最佳通信距離為40～70m;在實驗中發現，當有人員走動或其他信號出現的時候，通信的距離會變得不穩定，這是由于天線是一個輻射器件，在其附近的物質或尺寸的任何改變都會影響天線的性能，包括輻射增益分布、天線阻抗和調諧等等。表2是無線測定無線收發模塊的傳輸距離。

表2 傳輸距離（無天線）

環境 傳輸距離（m）

無障礙物 38

在走廊 46

6.結論

本文實現了基于太陽能的溫度測試系統，具有結構簡單，成本低，易于操作，測量精確，適應性強等優點。可以在不同的環境測量溫度，該測量系統性能穩定，使用時間長，適應大部分的測量場合，使用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]何朝陽，戴君，吳立琴.基于STC12C5410AD太陽能路燈控制器設計[J].國外電子元器件，2007（3）：27-30

[2]王振，胡清，黃杰.基于nRF24L01的無線溫度采集系統設計[J].廣東工業大學.

[3]張毅剛，彭喜元，鵬宇.單片機原理及應用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]劉衛民.集成溫度傳感器DS1820原理及應用[J].黑龍江科技信息，2008（21）：52.

[5]李蒙，毛建東.單片機原理及應用[M].北京：中國輕工業出版社，128-135.

作者簡介：郭曉莉（1963—），河北高陽人，太原理工大學信息工程學院講師，主要研究方向：有線電視網絡，單片機。