基于單片機的無線多點溫度監控系統設計

楊智霞

(巴音郭楞職業技術學院，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841002)

0 引言

在人們生活與生產過程中，溫度、電壓、壓力等均是比較常用的被控參數，其中溫度控制尤為關鍵，是日常生活與生產中的主要參數。人們對溫度檢測和控制要求在不斷提高，運用單片機監控溫度不但控制便捷、操作靈活，而且非常簡單，可以提升被控溫度技術指標，進而提升產品質量與數量。因此，單片機對溫度的控制問題在生產過程中常常會遇到。單片機包含了各種元器件，如ROM，CPU，RAM等，僅需要外加電源與晶振就能夠合理控制數字信息，在生產控制中運用甚廣[1]。但是，當前諸多溫度檢測均是有線的，不能滿足實際相關需求，即使是無線檢測也多為單路的，且大部分只限于檢測，尚未實現監控。所以，基于單片機的無線多點溫度監控系統的設計是很有必要的。

1 基于單片機的溫度監控系統

隨著社會的持續發展，溫度測量和控制變得愈加重要。溫度普遍作用于生產過程與科學實驗中，是非常重要的物理參數。生產過程中要全面提升生產效率，就需要對生產工藝中的溫度和速度等重要參數加以嚴格把控，其中溫度控制在實踐生產過程中占比較大[2]。精準測量與嚴格把控溫度是實現高產優質和低消耗生產的主要條件。在生產過程中，為了確保生產安全穩定運行，提升控制精度，需要使用微電子技術，其作用在于有效改善勞動條件，避免能源浪費，節省資源，預防生產與設備發生事故，從而獲得更加優質的技術指標與更高的經濟效益。以單片機嚴格控制溫度，除了具備控制便捷性和靈活性的優點外，還能全面提升被控溫度技術指標。

現代工藝大多需要對實時溫度加以監測與控制，同時對精度的要求也在不斷提升。溫度控制系統得到了國內外相關業界人士的較多關注，獲得了非常廣泛的運用，其發展速度愈漸加快，也取得了非常好的成果。隨著單片微處理器的性能逐漸完善與提升、價格的持續下降，讓單片微處理器的性價比優勢變得越來越明顯。如何將單片微處理器合理運用于溫度自動控制方面，是現代生產廠商所關注的問題。

現如今，發達國家的自動化水平持續提升，裝備健全且完整的檢測儀表與計算機控制系統，計算機控制系統使用集散系統以及分布式系統，大多數配置了最新控制算法，可以取得非常好的工藝性能指標。伴隨大規模集成電路技術的發展，單片微型計算機隨之出現，由于這種計算機體積不大，具有非常強大的功能，在電子儀表中運用甚廣，出現在各大領域中，比如節能裝置和機器人、家用電器和工業制造等，讓產品越來越智能化和信息化，除了能完善產品功能外，還大大減少了成本，提高了產品質量，優化了產品設計。設計和制作基于單片機的溫度控制系統，可以嚴格控制溫度，使溫度能夠在一定范圍內通過人工進行設置，同時可以在溫度變化過程中達到自動控制。若測量值超過溫度設置范圍，通過單片機發射控制信號，以驅動電路暫停加熱器工作。

2 基于單片機的無線多點溫度監控系統總體設計

本系統總體設計運用NRF24L01芯片，連接單片機檢測和控制短距離溫度，達到無線傳遞數據和通信的目的[3]。發送主要為單片機，通過溫度傳感器檢測到數據傳輸到單片機，單片機經過仔細處理后，運用NRF24L01將溫度數據信息傳遞出去；接收主要為單片機，無線模塊收到的數據信息需直接傳遞到單片機加以處理，單片機控制LCD1602液晶顯示屏呈現此時的溫度，在溫度超出上下限值時，單片機對蜂鳴器加以控制，繼而報警，與此同時二極管發光提示。

3 無線多點溫度監控系統硬件方面的設計

3.1 電路模塊

單片機最小系統和信號指示燈、溫度采集DS18B20和無線發射NRF24L01構成從機。開通電源后，若電路并未發生任務失誤，此時電源指示燈會亮，經程序處理溫度傳感器進行溫度收集，并將溫度收集數據信息轉變為數字信號，運用DS18B20輸出引腳傳輸到單片機，由單片機加以處理完成后，將其及時傳遞到無線發射NRF24L01。單片機最小系統和無線接收、報警和液晶顯示等模塊構成主機。開通電源后，無線接收到從機傳遞的信號時，由主機的單片機處理完成后，以指令形式把數據信息及時傳遞至LCD1602顯示。隨后，在程序中與按鍵設置的溫度閾值加以比較，高出設定值，會及時報警，同時二極管發光。

3.2 顯示模塊

顯示模塊使用的是LCD1602，主機中設有4個按鍵，能實時切換從機溫度，還能在任何時間進行溫度上下限值的設定，并顯示于顯示屏上，便于隨時觀察和控制。LCD1602首個引腳為電源地，下一個引腳接+5 V電源，第3個引腳為液晶顯示對比度調節，第4個引腳為寄存器選擇端，第5個引腳為讀寫控制端，第,6個為使能端，第7到第14個為8位數據線，第15個到第16個為背光板電源及其電源地。

3.3 單獨傳感器

單片機能通過協議和溫度傳感器進行通信，以此讀取溫度。其硬件電路十分簡單，但是軟件則十分復雜。DS18B20能將溫度值轉變為數字值，DATA輸出引腳能提供一定數值，經其所輸出的值準確判斷出現下的溫度，P27為DS18B20發送給單片機的數據端口，以GND接地，VCC接+5 V電源。

3.4 主機報警電路

單片機的無線多點溫度監控系統核心功能是及時監督和控制無線多點溫度，若溫度發生異常時，主機應立即報警，本設計使用的是聲光報警電路。蜂鳴器用途甚廣，例如用于毒氣檢測，毒氣高出標準濃度，單片機會立即開啟蜂鳴器報警。本次聲光報警電路同樣運用了蜂鳴器，在溫度高出設計溫度范圍時，蜂鳴器可以立即報警。報警電路設計運用三極管加以驅動，在P26端低電平時，三極管發射極電壓超出基極電壓，三極管在導通的情況下，蜂鳴器支路電路導通，蜂鳴器及時報警，同時二極管也導通發光，此時聲光報警器操作結束。

3.5 按鍵電路模塊

大多數電路都會使用按鍵電路，根據按鍵類型的差異性，按鍵功能是不同的，本次按鍵設計主要是溫度上下限值和確定鍵設定。其他型號按鍵多用于復位鍵，不僅能保護電路，而且在電路板未曾使用時能在任何時間關閉。一般情況下，其中的接觸銅片是斷開的，各按鍵占用1個I/O線，與單片機引腳銜接，閉合過程中會出現高低電平脈沖輸送到CPU處理，從而進行狀態判斷[4]。

3.6 無線傳輸

通常在2個NRF24L01的通信過程中，其中任意一個芯片都能設定成接收端與發射端，欲使2個芯片順利通信，必須充分滿足以下條件，即2個芯片的頻道和地址、傳輸接收的字節數需要相同，否則無法構建起良好的通信。

4 無線多點溫度監控系統軟件方面的設計

4.1 整體程序

程序設計存在一定的困難，還是設計的難點部分，其中LCD1602液晶顯示屏和無線傳輸等的程序設計為關鍵所在。程序設計首先是初始化多種功能函數；其次判斷鍵盤掃描狀態，判斷按鍵按下，則實施對應的按鍵功能，并進行無線數據讀取，判斷按鍵尚未按下，則直接進行無線數據信息讀取；最后判斷溫度值有無超出上下限值，超出限值，則實施報警功能，并顯示于LCD1602液晶顯示屏上，否則只進行顯示。

4.2 子程序

(1)發射。發射程序設計為：初始化DC18B20，從DS18B20內讀取涵蓋了溫度數據信息的字節，經過轉換函數將讀到的溫度數值轉換為十進制以便于采用，將溫度數值整數位放置于定義了的數組內，運用NRF24L01將溫度發射出。發射部分的流程為：開始、初始化DS18D20、從DS18B20讀取溫度、轉換溫度成十進制、把溫度寫入發射數組、數據發射、延時等。

(2)接收。接收程序設計思路為：初始化NRF24L01，步入大循環準確判斷狀態寄存器是否存在接收中斷的情況，若接收中斷，則從FIFO-Buffer讀取二進制數據，并把二進制數據轉換成十進制，于液晶顯示屏中全面顯示。接收部分的整體流程為：開始、初始化、判斷接收中斷、從RX-FIFO Buffer讀數據、讀取無線數據、轉換為十進制、LCD1602顯示/返回。

5 性能測試

單片機為溫度監控系統的核心構成部分，可以確保無線多點溫度監控系統的精準度、實時性及可靠性，為驗證設計的無線多點溫度監控系統是有效的，運用C51編程，在確保溫度監控系統順利工作的前提下，溫度監控系統能夠顯示監測點溫度值，如：測量溫度為29.01 ℃，實際溫度是29.03 ℃，測量溫度和實際溫度相差-0.02 ℃；測量溫度是23.15 ℃，實際溫度23.23 ℃，測量溫度和實際溫度誤差為-0.08 ℃；測量溫度為22.41 ℃，實際溫度為22.35 ℃，兩者之間的誤差是+0.06 ℃。

6 安裝和調試

安裝后的整個電路會變得非常復雜，必須分模塊加以調試，調試過程中遇到各種問題，如第一次通電后毫無反應，經反復嘗試和實驗，發現電路中的不良問題。具體如下：

(1)第一次通電前，由于接線人員因操作出錯接反傳感器，造成傳感器發熱，通過檢查及時修正錯誤，在查看傳感器完整與否后，嚴格根據準確的連接方式重新連接。

(2)通電以后，顯示器顯示為非數字，伴有很多亂碼，造成了實驗的停止，通過分析亂碼形態，同時仔細觀察并加以測試，了解到譯碼芯片和數碼管沒有準確連接，修正后就及時恢復了正常。

(3)調試過程中，可能出現顯示器顯示溫度超過實際溫度，檢查發現是錯誤地把A/D個位與小數點位連接在了顯示器中，重連后恢復正常。

(4)數次通電后計數均是從4進行的，長時間記到0方能進入循環，中間花費的時間過長，進行通電復位處理，讓計數從1開始。

(5)電路焊接環節中，將板子上的叉指結構當成公共電源，可以縮減焊線的使用，從而有效提升復雜數字電路系統的利用率。

(6)完成硬件設計后，需要進行相應的調試。檢測硬件部分是否存在虛焊、焊接錯誤等問題，單片機是否處在正常運行狀態，硬件是否達到設計初期預想的功能。發現問題，及時處理。硬件部分存在差錯，必須及時完善，在開展二次設計過程中，制作結束以后再次進行檢驗，保證硬件部分不會出現不良問題，保證設計規劃的可行。系統總計可以進行3次修復，首次需要消除+5 V穩壓二極管，第二次需要修改連接的電路。

(7)完成單片機程序編寫工作后，需要對單片機溫度采集代碼、發送端NRF24L01芯片與接收端和數碼管動態掃描顯示檢測，有利于健全單片機程序部分設計，經過系統調試，可以保證單片機程序正常運行。

(8)系統軟件調試，需要在完成程序編寫工作后，選擇人工檢查方式錄入單片機，能夠大大降低錯誤產生的概率。使用C語言，很大概率會出現語法錯誤，要使用其他檢測方法，針對漏寫分號等錯誤，實時消除。

7 系統設計應注意的問題

基于單片機設計無線多點溫度監控系統，設計人員需注意以下幾個方面的問題。

第一，在溫度監控系統設計環節中，應根據實際需求進行溫度控制，合理設定上下限值；挑選單片機芯片時，應深入調查市場中存在的芯片種類，選擇性價比高的芯片，為無線多點溫度監控系統設計打下扎實的基礎。

第二，在無線多點溫度監控系統設計過程中，應綜合理論知識與實踐經驗，合理優化無線多點溫度監控系統方案。

第三，在實驗環節，應仔細對待所有細節問題，防止實驗過程中發生各種問題，提高設計人員與實驗驗證的效率。

第四，在設計過程中，設計工作人員應首先采用計算機進行仿真驗證，在仿真驗證通過后，方可進行下一步實驗驗證。調試工作應避免全部依賴于計算機仿真驗證結果，計算機驗證是在比較理性的情況下進行的，僅可以作為參考，而調試結果仍須以實踐為核心。

8 結語

本文將溫度作為主要研究對象，用各種功能模塊的組合設計了無線多點溫度監控系統，涵蓋了溫度檢測、傳輸、按鍵、報警等一系列模塊。在電源接通時，通過選擇鍵控制顯示溫度，設置鍵設定上下限溫度，溫度超出上下限時，單片機自行開啟報警。實驗表示，溫度監控系統性能安全穩定，精準度較好，可以實現無線多點監控目標溫度，具有很好的實用性，且具備一定的推廣應用價值。但仍存在著缺陷與不足，需研究人員進一步探索與改進，從而推動無線多點溫度監控系統的可持續發展。