基于單片機的移動無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

吳文珍，安學(xué)海

( 東北石油大學(xué) 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

隨著嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多性能高，功耗低，可擴展性好的嵌入式芯片以及由這些芯片開發(fā)的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)[1]、醫(yī)療儀器[2]、智慧農(nóng)業(yè)[3]、氣象水利監(jiān)測[4]等各個領(lǐng)域，并且運行穩(wěn)定、表現(xiàn)優(yōu)異、提高了工作效率、節(jié)省了大量的人力和物力。

溫度，這一物理量，在生活、生產(chǎn)中已經(jīng)成為很重要的指標(biāo)。近到我們的體溫，我們生活環(huán)境的溫度，遠(yuǎn)到氣象預(yù)報溫度數(shù)據(jù)的獲取，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度的監(jiān)控，無時無刻不需要溫度信息的獲取，并且對歷史溫度信息的分析有助于更好的生產(chǎn)生活。

基于以上原因，本文的目的是設(shè)計一款監(jiān)測環(huán)境溫度在-55～125 ℃、測量誤差不高于±1 ℃、移動監(jiān)控、模塊化、可存儲檢測信息用于后期分析的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度傳感器，LCD1602作為顯示模塊，LED和喇叭作為聲光告警模塊，電磁繼電器作為溫度控制模塊，鍵盤用于設(shè)置溫度限值和啟停溫度控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)硬件使用宏晶公司生產(chǎn)的STC90C516RD+40I單片機作為主控制器,DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器作為溫度采集設(shè)備、LCD1602作為顯示模塊、紅色綠色LED燈和喇叭作為聲光告警模塊、電磁繼電器作為溫度控制模塊、矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備。下位機系統(tǒng)軟件設(shè)計使用Keil集成開發(fā)環(huán)境，上位機溫度監(jiān)測軟件采用Visual Studio編寫。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

系統(tǒng)通過單片機實時檢測數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集的溫度信息，使用LCD1602顯示，并將獲得的溫度信息與設(shè)置的溫度限值相比較。當(dāng)溫度低于下限時，系統(tǒng)進行聲光告警，綠色LED燈亮，同時啟動溫度控制電路升溫；當(dāng)溫度高于上限時，系統(tǒng)進行聲光告警，紅色LED燈亮，同時啟動溫度控制電路降溫。通信模塊使用通用異步串行口(UART)，用于與手機、電腦等上位機通信、系統(tǒng)軟件的下載和系統(tǒng)的調(diào)試和升級。監(jiān)測系統(tǒng)中的單片機系統(tǒng)與手機、電腦等上位機終端通信可以采用有線和無線兩種方式，但以無線通信為主。有線通信采用USB轉(zhuǎn)UART芯片，通過USB線進行通信，適合在系統(tǒng)測試和升級時使用。無線通信又包含短距離通信和長距離通信，短距離采用匯承公司的HC-05藍(lán)牙串口模塊通信和HC-25 WIFI模塊，局域網(wǎng)透傳或作為服務(wù)器由上位機設(shè)備直接連接進行透傳；長距離需要云平臺支持，采用億佰特公司的E34-2G4D20D串口模塊進行通信。系統(tǒng)通信方式和模塊可根據(jù)用戶實際需求選擇。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 溫度采集電路設(shè)計

溫度采集電路的主要器件為溫度傳感器，如今溫度傳感器各式各樣，主要有四種類型：熱電偶式溫度傳感器、熱敏電阻式溫度傳感器、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出[5]和數(shù)字輸出兩種類型。熱電偶式溫度傳感器，雖然有結(jié)實、無需供電、溫度范圍寬、適應(yīng)各種大氣環(huán)境的優(yōu)點，但是測量的溫度和收到的電壓是非線性關(guān)系，導(dǎo)致操作和使用比較麻煩；熱敏電阻式溫度傳感器，雖然體積小、測溫速度快、靈敏度高，但是比較脆弱，大電流會產(chǎn)生自熱，如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導(dǎo)致永久性損壞；電阻溫度檢測器，雖然有溫度范圍寬、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好、精度高的優(yōu)點，但是內(nèi)部含有玻璃、陶瓷等脆弱物質(zhì)，溫度測量電路復(fù)雜，并且成本和IC溫度傳感器相比非常高；IC溫度傳感器具有精確度高、溫度和輸出線性關(guān)系好、敏感度好、電路簡單、功耗小、價格低等特點。綜合來看，IC溫度傳感器比較適合作為系統(tǒng)的測溫元件，由于單片機屬于數(shù)字處理器，所以選擇IC數(shù)字輸出的溫度傳感器。

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器。其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高、負(fù)壓不會燒毀的特點。獨特的單線接口方式，僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊且接線方便，封裝后可應(yīng)用于多種場合。DS18B20測溫范圍為-55～125 ℃，精度在±0.5 ℃，工作電源3.0～5.5 V/DC (可用數(shù)據(jù)線寄生電源)，使用中不需要任何外圍元件，通過指令獲取測量結(jié)果，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量串行傳送。DS18B20內(nèi)置了專門用于存儲高低溫報警觸發(fā)值TH和TL的非易失性電可擦除EEPROM，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，上電復(fù)位時數(shù)據(jù)從EEPROM載入到中間結(jié)果暫存器，確保報警門限數(shù)據(jù)的完整性和安全性[6]。此傳感器還支持多點組網(wǎng)功能，可以多個DS18B20連接在一條數(shù)據(jù)線上，實現(xiàn)多點測溫。基于以上特性本系統(tǒng)采用DS18B20單總線溫度傳感器測溫。

DS18B20采用寄生電源時，需要單片機I/O口既要供電又要傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致讀取溫度時間慢、電源電壓不穩(wěn)定，所以在本系統(tǒng)中采用外部電源供電方式，電路原理圖如圖2所示，DQ數(shù)據(jù)線和單片機P2.0引腳相連，單總線要求接小于5 kΩ的電阻，系統(tǒng)中使用4.7 kΩ電阻[7]。

圖2 DS18B20電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of DS18B20 circuit

2.2 溫度顯示電路設(shè)計

系統(tǒng)采用LCD1602顯示溫度和告警信息。LCD1602需要5 V外接電源供電，單片機P0口的P00～P07接LCD的數(shù)據(jù)引腳DB0～DB7，P25引腳接LCD的寄存器選擇引腳RS，P26引腳接LCD的讀寫操作選擇引腳R/W，P27引腳接LCD的使能信號引腳E。單片機通過向LCD讀寫命令和數(shù)據(jù)實現(xiàn)LCD的顯示功能。顯示電路原理圖如圖3所示。

圖3 顯示電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of display circuit

2.3 溫度控制電路設(shè)計

溫度控制電路包括升溫和降溫兩個部分，主要由ULN2003芯片驅(qū)動兩個電磁繼電器啟動溫控設(shè)備工作。由于升溫電路和降溫電路原理相同，本文以降溫電路為例說明，降溫設(shè)備使用帶有扇葉的直流電機M模擬。降溫電路如圖4所示，單片機P2.1引腳與ULN2003芯片in1引腳相連，ULN2003芯片out1引腳連接繼電器J1 ,當(dāng)溫度超過溫度上限時，單片機P2.1引腳輸出高電平，通過電磁繼電器啟動直流電機工作，帶動風(fēng)扇工作，從而達(dá)到降溫的目的。升溫電路由單片機P2.2引腳與ULN2003芯片in2引腳相連，ULN2003芯片out2引腳連接繼電器J2構(gòu)成。

圖4 降溫電路和喇叭電路Fig.4 Cooling circuit and speaker circuit

2.4 通信模塊電路設(shè)計

為了滿足不同工作環(huán)境的需求，本系統(tǒng)的通信模塊利用單片機串口通信，采用有線通信和無線通信兩種接口方式，由用戶根據(jù)實際需要選擇合適的通信接口，并使用對應(yīng)的通信模塊。本系統(tǒng)以無線通信為主，通信雙方必須使用相同的模塊來保障正常通信，無線通信示意圖如圖5所示。

圖5 無線通信示意圖Fig.5 Wireless communication diagram

有線通信接口采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340[8]。此芯片性價比非常高，通信誤碼率小，并且PC機等設(shè)備一般都有USB接口，適合在系統(tǒng)安裝和調(diào)試時使用，也可使用USB進行短距離有線通信。對強電磁干擾等不適合無線通信的環(huán)境下可連接USB轉(zhuǎn)RS485等模塊使用，進行長距離有線傳輸。

無線通信接口是將UART信號線、電源線、地線以及相應(yīng)的控制線引出，并以排座的形式連接無線模塊，目的是讓用戶便捷地安裝和更換通信模塊。無線通信接口可連接藍(lán)牙模塊HC-05、WIFI模塊HC-25、無線射頻模塊E34-2G4D20D之中任意一種模塊。系統(tǒng)通信模塊電路圖如圖6所示。

圖6 通信模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of communication module

HC-05模塊是全雙工藍(lán)牙串口模塊，適合于室內(nèi)、車內(nèi)等短距離測溫環(huán)境，可和手機、電腦等含有藍(lán)牙的設(shè)備通信。藍(lán)牙由于其功耗低、智能設(shè)備普及率高的特點，非常適合短距離測溫環(huán)境，測溫成本也會降低很多。

HC-25模塊是WIFI串口模塊，適合于智能家居、智慧溫室等智能場景下使用，支持和電腦、手機的通信。在智能場景下的網(wǎng)絡(luò)支持較好，可通過路由器和云平臺進行局域網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)測。HC-25作為服務(wù)器也可以和手機、電腦等含WIFI的上位機設(shè)備進行直接連接通信，可一個模塊連接多個設(shè)備，但通信距離不能超過80 m，可應(yīng)用在較近距離的通信場景中。

E34-2G4D20D模塊為無線射頻通信模塊，通信距離2 km，2.4 G跳頻傳輸，支持全雙工和半雙工通信。但該模塊成本高，沒有設(shè)備可以直接收到它的信號，需要使用另一個同型號模塊才可以通信，還需要把模塊接口轉(zhuǎn)換為USB接口才可以和含有USB或OTG的設(shè)備進行通信，適合在2 km以內(nèi)且無網(wǎng)絡(luò)的測溫環(huán)境下使用，可應(yīng)用在野外作業(yè)中。此模塊在本系統(tǒng)中為全雙工通信模式，通信雙方的模塊設(shè)置其M0、M1引腳分別為高電平和低電平即可。

2.5 聲光告警及輸入電路設(shè)計

聲光告警采用LED燈和喇叭完成。系統(tǒng)使用紅色和綠色LED燈各一個，采用共陽極連接，使用P3.6、P3.7分別連接兩個LED的陰極。喇叭由芯片ULN2003驅(qū)動，喇叭電路如圖4所示。

輸入設(shè)備采用矩陣鍵盤，與單片機P1口連接，主要用于設(shè)置溫度的上下限，也可作為升溫設(shè)備、降溫設(shè)備和照明燈帶等其他設(shè)備的直接開關(guān)功能鍵；矩陣鍵盤采用行列反轉(zhuǎn)方式掃描，其掃描速度快，可減少其他程序的等待時間。

采用ULN2003驅(qū)動可以增加系統(tǒng)驅(qū)動能力和模塊化程度，本系統(tǒng)預(yù)留一個繼電器J3和一個LED燈帶基座，可根據(jù)用戶要求連接其他設(shè)備和照明設(shè)備，由按鍵控制開啟和關(guān)閉。

3 下位機系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的編程思想，系統(tǒng)程序主要由初始化模塊、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、溫度控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成。系統(tǒng)中采用看門狗，使系統(tǒng)在干擾過后自動復(fù)位重啟，防止系統(tǒng)死機。軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)流程Fig.7 Process of software system

初始化模塊用于對定時器、串口、溫度傳感器、顯示模塊、看門狗、中斷的初始化。溫度采集模塊用于獲取溫度傳感器采集的溫度。溫度顯示模塊用于在LCD1602上顯示溫度信息和告警信息。溫度控制模塊由溫度控制繼電器接通。通信模塊用于溫度監(jiān)測系統(tǒng)的上位機和下位機的通信：下位機向上位機發(fā)送溫度信息，上位機可通過六字節(jié)的ASCII碼遠(yuǎn)程設(shè)置下位機的溫度限值，其中前三字節(jié)為溫度下限，后三字節(jié)為溫度上限，支持-55～125 ℃之間的整數(shù)溫度值的設(shè)置。

4 上位機溫度監(jiān)測軟件設(shè)計

本系統(tǒng)上位機(PC機)溫度監(jiān)測軟件，使用C#語言編寫，串口通信使用C#中SerialPort串口類實現(xiàn)，信息存儲使用Access數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)顯示使用C#中DateGridView控件和chart控件實現(xiàn)，導(dǎo)出文件使用C#中 system.IO實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。本軟件實現(xiàn)如下功能：接收實時溫度、設(shè)置溫度上下限并發(fā)送給下位機、溫度超限監(jiān)測及警報、溫度定時存儲、溫度數(shù)據(jù)查看和走勢圖、過期歷史溫度數(shù)據(jù)刪除、歷史溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

根據(jù)下位機發(fā)送來的溫度數(shù)值及格式，以及獲取的時間格式可知，數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)為時間和溫度字段：時間為主鍵，存儲年月日時分秒；溫度數(shù)據(jù)需要存儲到小數(shù)點后三位。由于系統(tǒng)為單點測溫系統(tǒng)，所以不需要其他表和字段[9]。溫度存儲表見表1。

表1 溫度存儲表Tab.1 Temperature storage Table

本軟件串口通信參數(shù)的設(shè)置由用戶來完成，僅需要設(shè)置端口號即可。軟件顯示當(dāng)前時間和當(dāng)前溫度，并使用醒目字體、字號和字體顏色顯示提示信息。軟件設(shè)置溫度區(qū)間時，溫度區(qū)間數(shù)據(jù)在軟件中保存并與接收到的溫度數(shù)據(jù)比較，顯示提示信息，與此同時，溫度限值信息經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給單片機。

溫度數(shù)據(jù)的存儲和實時查詢使用C#中timer定時器控件實現(xiàn)，根據(jù)實際情況可更改定時器的定時時間來保存和讀取數(shù)據(jù)。軟件通過獲取的時間和溫度數(shù)據(jù)，在定時器事件觸發(fā)時，自動進行保存操作，存儲到Access數(shù)據(jù)庫溫度存儲表中。實時查詢可自動刷新顯示前一天至當(dāng)前時間24 h的歷史溫度數(shù)據(jù)。在查詢、刪除和導(dǎo)出數(shù)據(jù)時，通過使用兩個C#中提供的DataTimePicker控件選擇開始和結(jié)束時間，根據(jù)控件中獲得的時間數(shù)據(jù)，在Accesss數(shù)據(jù)庫中獲取這個時間段的數(shù)據(jù)，然后進行查詢、刪除和導(dǎo)出操作。查詢數(shù)據(jù)通過DateGridView控件和chart控件顯示：DateGridView控件顯示具體的時間和溫度；chart控件通過折線圖顯示溫度的走勢，橫軸為時間，縱軸為溫度，并可以放大選區(qū)內(nèi)的曲線，獲得短時間內(nèi)詳細(xì)的數(shù)據(jù)走勢。導(dǎo)出文件利用IO流的方式導(dǎo)出，其優(yōu)點在于可以進行大量數(shù)據(jù)導(dǎo)出，其導(dǎo)出文件格式為CVS，導(dǎo)出文件名默認(rèn)為導(dǎo)出時間，可使用office Excel和WPS表格軟件打開，導(dǎo)出的溫度數(shù)據(jù)文件為后期的數(shù)據(jù)分析提供方便，可為數(shù)據(jù)分析軟件提供原始數(shù)據(jù)[10]。

上位機的溫度監(jiān)測軟件有兩個界面，如圖8所示。圖8(a)是軟件的初始界面，界面由串口設(shè)置、時間和溫度顯示、溫度區(qū)間設(shè)置、提示四個功能部分組成，其中溫度區(qū)間設(shè)置可以遠(yuǎn)程控制下位機的溫度限值，設(shè)置溫度有小數(shù)時，軟件四舍五入處理為整數(shù)，并組合成指令發(fā)送給下位機；點擊初始界面的查看溫度數(shù)據(jù)按鈕進入圖8(b)所示的界面，該界面用于歷史溫度記錄的顯示、導(dǎo)出和刪除功能，由時間選擇、功能按鈕、數(shù)據(jù)表和折線圖四部分組成，可以直觀展示數(shù)據(jù)及走勢。監(jiān)測人員可以同時查看兩個界面的數(shù)據(jù)。

(a)初始界面

(b)歷史溫度數(shù)據(jù)界面 圖8 上位機溫度監(jiān)測軟件界面Fig.8 Temperature monitoring software interface of upper computer

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于STC90C516RD+單片機、單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LCD1602顯示模塊和串口通信的移動無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。上位機利用C#程序語言的優(yōu)勢，使用戶界面更直觀、操作更簡單。無線模塊的多種選擇使溫度監(jiān)測系統(tǒng)更加適合多場景作業(yè)，例如遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測、移動溫度監(jiān)測和野外溫度監(jiān)測等。實驗表明，系統(tǒng)具有工作可靠、測溫精度高、可擴展性好、可模塊組裝、免布線、便攜、可移動測溫等特點，滿足大多數(shù)環(huán)境溫度監(jiān)測的需要。