【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉到y(tǒng)。無(wú)線傳輸模塊為nRF24L01，體積小，速率高。傳感器采用單總線的高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，使多點(diǎn)溫度測(cè)量電路變得簡(jiǎn)單、可靠。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機(jī)電一體化、智能家居等諸多領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】多通道;無(wú)線傳輸;數(shù)據(jù)采集;單片機(jī)

引言

溫度采集系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量或相應(yīng)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(wù)業(yè)、安全監(jiān)控等工程中[1]。但在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)傳輸容易受到傳輸介質(zhì)的限制，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉到y(tǒng)，對(duì)工業(yè)控制、儀器儀表、機(jī)電一體化、智能家居等諸多領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1.設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，采集機(jī)與主控機(jī)，一臺(tái)主控機(jī)可搭載多臺(tái)采集機(jī)。采集機(jī)采用51單片機(jī)作為主控器，一方面通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，另一方面通過(guò)無(wú)線傳輸模塊與主控機(jī)交換數(shù)據(jù)。主控機(jī)同樣采用51單片機(jī)作為主控制器，其主要功能是向采集機(jī)發(fā)送命令，接收采集機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并重新組幀成上傳到PC機(jī)。

圖1 多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)采集機(jī)原理圖

根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇合適的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊相當(dāng)重要。本系統(tǒng)選用的無(wú)線傳輸模塊為nRF24L01，在目前較為流行的無(wú)線通信芯片中，無(wú)論從使用的方便性、傳輸速度還是輸出等各個(gè)方面考慮，nRF24L01都是一種較為理想的選擇[2]。

在溫度傳感器方面，采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它是Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，其分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路 [3]。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括主控機(jī)和采集機(jī)兩部分，兩部分的重點(diǎn)都是如何實(shí)現(xiàn)基于nRF24L01模塊的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。采集機(jī)主要由主控制器、溫度傳感器、無(wú)線傳輸模塊組成，其硬件電路原理圖如圖2所示。

圖3 多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)主控機(jī)原理圖

圖4 多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)主控機(jī)流程圖（a）

和采集機(jī)流程圖（b）

主控機(jī)主要由主控制器、無(wú)線傳輸模塊和串口通信模塊組成。主控制器主要負(fù)責(zé)向采集機(jī)發(fā)送命令，并接收溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)。PC機(jī)的串口支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，而單片機(jī)支持TTL電平，因此，它們之間的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。選用美信公司的芯片MAX232來(lái)完成RS-232和TTL電平的轉(zhuǎn)換，硬件原理圖見(jiàn)圖3所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件包括采集機(jī)和主控機(jī)兩部分。由于本系統(tǒng)包括多個(gè)采集機(jī)，它們都要向主控機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此必須嚴(yán)格控制每臺(tái)采集機(jī)向主控機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，避免數(shù)據(jù)的混亂。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)包括N臺(tái)采集機(jī)，則由主控機(jī)循環(huán)發(fā)出命令，命令幀格式：“主控機(jī)編號(hào)（1-N）+發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求”，循環(huán)次數(shù)為N。接收工作則全部通過(guò)中斷函數(shù)處理，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采集機(jī)初始化后處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到主機(jī)發(fā)出的命令且命令中包含的編號(hào)信息與本機(jī)一致時(shí)，采集機(jī)置發(fā)送狀態(tài)，向主控機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。圖4給出了多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)主控機(jī)與采集機(jī)工作流程圖。

圖5 多路無(wú)線溫度采集系統(tǒng)PC機(jī)顯示界面

4.測(cè)試結(jié)果

圖5為環(huán)境溫度25℃，四路采集機(jī)所采集的溫度信息在PC機(jī)顯示的結(jié)果。

5.結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于無(wú)線傳輸?shù)亩嗦窚囟炔杉到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案，解決了在眾多領(lǐng)域中數(shù)據(jù)傳輸受到傳輸介質(zhì)限制的問(wèn)題。通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)可靠性與功耗平衡。低功耗、實(shí)時(shí)性、多通道的無(wú)線溫度檢測(cè)是該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)控制、儀器儀表、機(jī)電一體化、智能家居等諸多領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]雷線，何小陽(yáng)，蘇生輝.基于ZigBee的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（2）： 43-46.

[2]楊旭，李德敏，張謙益.基于nRF24L01的一種無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2011，44（7）：57-62.

[3]易麗華，黃俊.基于AT89C51單片機(jī)與DS18B20的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].電子與封裝，2009，9（5）：39-43.

作者簡(jiǎn)介：潘巖（1989—），男，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化管理。

通訊作者：魏呈霖（1989—），男，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士研究生。