關(guān)于轉(zhuǎn)播臺機房“溫度采集”的無線通信程序設計

【摘要】溫度對于發(fā)射臺機房來說，至關(guān)重要;下面簡單介紹一種對機房內(nèi)的溫度進行采集并無線傳輸?shù)南到y(tǒng)，本系統(tǒng)最大的特點就是信息的無線傳輸，省去了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，簡化了系統(tǒng)的安裝。選擇合適的無線模塊直接關(guān)系到信號傳輸?shù)挠行约跋到y(tǒng)的可靠性。本課題設計的是一套無線多溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要用于對環(huán)境溫度的采集與監(jiān)控，系統(tǒng)采用基于無線網(wǎng)絡的設計思想和溫度采集技術(shù)。無線傳輸避免了遠距離布線所帶來的施工困難，成本高的缺點。本設計用AT89C52單片機和無線收發(fā)射模塊NRF24L01為主要硬件，設計了包括溫度采集，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，它實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)控并傳輸數(shù)據(jù)給單片機，溫度上下限通過程序進行設置。本設計是以Atmel公司的AT89C52單片機作為控制核心，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)點通過單總線與單片機相連。控制器通過溫度傳感器實時檢測節(jié)點的溫度變化，并在LCD1602上循環(huán)顯示節(jié)點溫度的變化。通過串口將檢測到的溫度信息回饋到上位機（PC機），從而遠程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的檢測。

【關(guān)鍵詞】溫度傳感器;顯示程序設計;無線收發(fā)模塊

無線溫度采集系統(tǒng)可被廣泛應用于溫度測量或相應的可轉(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、服務業(yè)、安全監(jiān)控等工程中，例如：城市路燈故障檢測和供電線路防盜監(jiān)視、城市居民小區(qū)供熱檢測、大型倉庫溫度檢測、工業(yè)生產(chǎn)測控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度測控、環(huán)保工程、故障監(jiān)控工程等。設計目標：

（1）能通過DS18B20實現(xiàn)對當前環(huán)境溫度的檢測實時傳送給LCD1602循環(huán)顯示;

（2）設置高溫上限和低溫下限，當前溫度超過高溫上限，警報器響、直流電機轉(zhuǎn)動，低于溫度下限，led燈亮，溫度恢復正常范圍，現(xiàn)象消除;

（3）通過無線模塊NRF24L01傳送當前溫度值給接收單片機，通過LCD1602顯示并通過串口傳送給上位機（PC），以實現(xiàn)實時監(jiān)測。

在本設計中主要模塊是溫度傳感器，顯示模塊以及無線傳輸模塊，所以選擇好這三個模塊是做好本設計的前提條件。

1.溫度傳感器模塊的選擇與論證

作為測量數(shù)據(jù)的直接來源，溫度傳感器的測量精度和工作穩(wěn)定性直接影響到后續(xù)電路工作的精確性，可以說溫度傳感器是本設計的重中之重。整個系統(tǒng)的測量算法，無線數(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計成功與否的關(guān)鍵。

方案一：

采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。

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，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計算機，這樣就使得測溫裝置的結(jié)構(gòu)復雜化。

方案三：

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

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

方案對比及選擇結(jié)果：方案一的設計成本低，但是其測量精度不夠，方案二電路設計復雜，而方案三只需要一根傳輸線，大大簡化了設計復雜度。所以本設計的溫度傳感器設計方案采用方案三。

1.1 顯示模塊的選擇與論證

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

方案一：

使用發(fā)光二極管顯示器（簡稱LED），它配置靈活，使用方便，價格低廉，但顯示內(nèi)容有限，線路連接復雜，要有驅(qū)動電路。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，且能顯示圖形、字母等，接口簡單，可以直接與單片機進行連接，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)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

因為1602識別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如“A”。

方案對比及選擇結(jié)果：方案二雖然編程復雜些，但是顯示精度高可以達到0.0625度，且本設計顯示信息較多，方案一顯示簡單，不能滿足設計要求，所以本設計采用方案二。

1.2 無線通信模塊的選擇與論證

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

方案一：

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

表1 PTR2000工作模式設置

PTR2000利用串口進行數(shù)據(jù)傳輸，而單片機和PC機均帶有串口，因此，可利用PTR2000作為單片機和PC機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線接口。

方案二：

NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型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)議的設置可以通過SPI接口進行設置。

極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm是電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機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)

方案對比及結(jié)果選擇：PTR2000控制簡單，利用串口進行數(shù)據(jù)傳輸，NRF24L01控制復雜，需要自己焊接電源電路，但是PTR2000成本太高，故本設計選擇方案二。

2.溫度傳感器DS18B20程序設計

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

圖2 DS18B20的復位時序

圖3所示為DS18B20的讀寫時序：

圖3 DS18B20的讀寫時序

圖4所示為DS18B20程序流程圖：

圖4 DS18B20程序流程圖

3.LCD1602顯示程序設計

LCD1602的控制命令較多，要想使其正確的顯示，就要對它的讀寫時序詳細分析，按照其讀寫時序來進行讀寫。在本設計中，我們只需要對LCD1602進行寫操作，使其顯示我們設定的內(nèi)容，所以我們暫時不考慮它的讀操作。圖5所示為LCD1602寫操作時序及參考時間：

圖5 LCD1602寫操作時序及參考時間

4.無線收發(fā)模塊NRF24L01程序設計

無線傳輸模塊NRF24L01控制指令沒有LCD1602多，但是它與單片機通信采用的是SPI總線方式，但是本設計中的單片機沒有SPI總線，所以要用通用I/O端口來模擬SPI總線時序，操作時序及參考時間如圖6-9所示：

圖6 SPI讀操作

圖7 SPI寫操作

圖8 操作時序圖

圖9 SPI參考時間

圖10所示為NRF24L01發(fā)送與接收程序流程圖。

5.系統(tǒng)調(diào)試與性能測試

5.1 測試環(huán)境及工具

測試溫度：0～100攝氏度。

測試儀器及軟件：數(shù)字萬用表，溫度計0～100攝氏度，串口調(diào)試助手，protues仿真軟件。

測試方法：目測。

5.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試

使系統(tǒng)運行，觀察系統(tǒng)硬件電路是否正常工作（包括單片機系統(tǒng)，鍵盤電路，顯示電路，溫度測試電路，喇叭及直流電機電路，無線模塊電路等）。

采用溫度傳感器和溫度計同時測量溫度變化情況，目測顯示電路是否正常。并記錄各點溫度值，與實際溫度值比較，得出系統(tǒng)的溫度指標。

5.3 系統(tǒng)軟件調(diào)試

在keil51 uvison4中進行編譯，如沒有錯誤，下載到單片機中觀察現(xiàn)象，如沒有和設想的現(xiàn)象一致，通過硬件的現(xiàn)象來分析具體出錯的原因，返回keil51中繼續(xù)調(diào)試，直至成功，還可以在protues中進行仿真，直觀的觀看結(jié)果。

5.4 系統(tǒng)性能測試

通過DS18B20測試當前的溫度，能通過LCD1602顯示電路實時顯示;

可以通過鍵盤來設置高溫上限和低溫下限，超過高溫上限后喇叭以兩種頻率發(fā)聲，同時直流電機轉(zhuǎn)動，低于低溫下限后，led燈亮（模擬加熱），溫度恢復正常范圍后，現(xiàn)象消除;能通過無線模塊NRF24L01進行數(shù)據(jù)傳輸與接收，能在LCD1602顯示電路中顯示，并能通過串口傳送溫度數(shù)據(jù)給上位機（PC）。

參考文獻

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作者簡介：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，從事廣播電視發(fā)射轉(zhuǎn)播方面的工作。