基于无线传输的多点温度采集系统设计与实验

摘要：文中设计了一种基于无线传输的多点温度采集系统，通过温度传感器采集温度信号，使用无线传感器通讯，结合单片机来处理并通过上位机进行显示，实现了温度采集、多点测量和上位机实时检测的功能。该检测系统使用简单、方便，对于提高工业自动化水平和环境温度测量具有重大意义。
关键词：温度采集；单片机；无线传输；上位机

    随着计算机技术的快速发展，数据采集与监控系统在工业生产中迅速的得到应用，温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。对于一些特殊环境领域的温度检测人体不能直接接触，只能借助于现代化手段来实现，在过去的工业中一般都是通过人工穿着特质的衣服来实现测量，但传统的测量方法存在工程量大、不方便、并且对测量人员还会产生危害，所以现代工业越来越需要一种更加方便、实用、准确的温度检测方法。针对现代工业的这些问题本实验组设计出了符合工业化要求的无线温度测量系统。

1 总体方案设计
    本无线多点温度采集系统主要由单片机最小系统电路、温度检测电路、无线收发模块电路、温度显示电路、串口通讯电路等组成。系统框图如图1所示。图中的主机单片机控制模块为系统的处理核心部件，处理从无线模块接收到的温度数据。每个从机系统都带有温度采集模块，使用单总线式温度传感器DS18B20采集环境温度，通过单片机将采集到的温度数据经过无线模块时时传送到主机，主机单片机通过串口通信把接收到的温度数据传送至上位机上，最后通过上位机软件在上位机上实现温度的检测。

2 硬件系统设计
2．1 控制器模块设计
    单片机控制器主要用于温度数据的采集、传输以及接收，将接收到的数据通过上位机软件在上位机上显示。对于控制器的选择采用STC8 9C52，该单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。相对于FPGA来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
2．2 温度采集模块设计
    本次设计采用的是Dallas公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其温度测量范围为-55～+125℃。每个从机设有一个温度传感器，环境温度通过温度传感器DS18B20采集到从机单片机中进行处理。从机单独供电，这样设计稳定性好，抗干扰能力强。温度传感器电路连接图如图2所示。

2．3 无线收发模块设计
    NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。本设计系统把从温度传感器采集得到的数据经过无线模块NRF24L01传输到主机中。无线传输可以工作在一些高危领域，避免了有限传输的局限性，本设计能进行连续的数据传输，无线模块NRF24L01的传输精度高，性能稳定，成本低。其电路连接图如图3所示。

2．4 显示模块设计
    本设计方案采用128x64LCD液晶显示器和上位机共同显示，液晶显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较为简单，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。上位机显示直观，有利于现代化管理。
2．5 串口通信电路设计
    系统要把测量到的温度送到上位机上显示出来，就需要通过电脑与单片机之间的串口通信，单片机的工作电压是5 V，电脑串口的工作电压是12 V，需要通过电平转换芯片进行正常通信。串口通信电路的核心器件采用TI公司的一款兼容RS-232标准的电平转换芯片MAX232，MAX232与RS232间的串口通信电路如图4所示。

3 软件设计
    为了使控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效地实现实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。软件设计包括主机系统设计与从机系统设计，主机系统设计包括无线接收模块设计、液晶显示模块设计、串口通信模块设计。主要作用是收集无线接收到的温度数据，使用液晶显示同时通过串口通信传输至上位机。从机系统设计包括温度采集模块设计、无线传输模块设计。主要作用是使用温度传感器采集温度，转化成数字信号通过无线模块传输至主机。主程序流程图如图5所示。

4 实验结果及分析
    为了验证系统的工作性能，将该系统用于农场小棚温度的无线测量，在试验中，分别对农场小棚的4个角落使用无线采集与玻璃温度计进行温度测量，其结果如表1所示。

    从实际测量数据可以看出，本系统在实际测量中准确度很高，并且在无线传输过程中很稳定，系统运行可靠，能及时、准确、快速的测量温度。

5 结论
    1)本系统采用的软件算法还有待进一步优化，进而提高精确度，实现误差补偿；
    2)文中设计的基于无线传输的多路温度采集检测系统，其结构简单、使用方便、性能稳定。因为使用的是无线传输，所以可以在一些人为不能直接接触的地方进行测量，而多点的温度采集方法更有利与组建起温度采集网，在工业上具有一定的应用价值。