【文章內容簡介】 測量幾十個點以上。本文設計多點無線溫度采集系統。 本設計是以凌陽公司的 SPCE061A 單片機作為控制核心，以 DS18B20 為采集終端的溫度采集與控制系統。設定與鍵盤和顯示部 分相連的單片機為主機，每個溫度傳感器對應一個單獨的單片機，設為從機。主機與從機之間通過無線模塊建立通信?？刂破魍ㄟ^溫度傳感器實時檢測各節(jié)點的溫度變化，并在 LED 上顯示各點溫度的變化，并實現溫度超過限定值報警的功能。 因為對環(huán)境進行溫度檢測、數字顯示、及實時控制，對于提高生產效率和產品質量、節(jié)約能源等都有重要的作用，并且溫度參數對工業(yè)生產的十分重要，所以溫度測量系統的精確度和智能化一直受到企業(yè)的重視。所以學習并研究溫度測量及相關知識可做為一個較為實用的課題的方向，能獲得較實用的知識和方法。因此溫度測控技術是一 個很實用、也很重要的技術，值得去研究掌握。它應用的領域也相當廣泛，可以應用到消防電氣的非破壞性溫度檢測，電力、電訊設備的過熱故障預知檢測，空調系統的溫度檢測，各類運輸工具之組件的過熱檢測，保全與監(jiān)視系統之應用，醫(yī)療與健診的溫度測試，化 湖南商學院畢業(yè)設計 第 3 頁 共 56 頁 工、機械等設備溫度過熱檢測。因此前景是相當的可觀。 發(fā)展趨勢 溫度是一個 十分 重要的物理量，因為它直接影響烘烤、燃燒、煅燒、蒸餾、結晶 、空氣流動 、溫度漂移 等 各種化學過程 和 物理 過程。溫度控制失誤就可能引起產品產量 低下， 產品質量 不過關甚至導致 生產安全 以及威脅人們生活安全 等一系列問題。 從而溫度的檢測是必不可少的一個課題，而如何讓它在社會生活中發(fā)展得越來越完善，為人們的生產生活帶來更多更大的方便就需要我們當代青年來不斷的探求和摸索。 溫度采集控制系統在科學研究 、 工 農 業(yè)生產 以及 人們的生活領域中，得到了廣泛應用。在工 農 業(yè)生產過程中，很多時候都需要對溫度進行 非常 嚴格的 檢測和控制 ，以使得生產能夠順利的進行， 讓 產品的質量得到充分的保證。使用 無線 溫度 采集 系統可以對生產環(huán)境的溫度進行 及時而方便的察覺，從而做出反應。實際生活生產當中，人們經常將此設計應用在智能控制中，從而 保證生產的自動化、智 能化能夠順利 而 安全進行，從而提高生產效率。 在過去的一段時間，觸摸開關風靡一時。觸摸開關正是通過溫度信號的檢測來控制開關的狀態(tài)。只是一般的居民地區(qū)沒有必要用到無線傳輸，這樣也不劃算。但是在工農業(yè)中的應用還是特別多的，而且越來越先進，功能越來越強大，測溫范圍也越來越大，最重要的是大都趨向于無人全自動機械化，大大節(jié)約了人力成本，而且安全性與保證性也更大了。 現在推出了新型環(huán)保家居的設想，雖然在社會上并沒有完全普及，但是這個想法將會是人們未來生活的預景。全智能的環(huán)保家居系統當中也很大程度上需要溫度檢測系統來完成部 分功能，然后對溫度數據做出反應，比如說智能打開窗戶或者空調，當沒有人在系統中出現的關閉所有應該關閉的電源來節(jié)約能源，以達到環(huán)保的效果。 總之溫度是與我們人類生活各個方面密切相關的一個方面，本設計方案旨在用合適的方法更加精準地采集溫度數據，并實現無線傳輸。突出在無線這一方面。所以此設計的應用面十分廣，應用前景也是無可計量的。 湖南商學院畢業(yè)設計 第 4 頁 共 56 頁 2 總體方案設計 溫度檢測系統有許多共同的特點：環(huán)境復雜、測量點多、布線分散、現場離監(jiān)控地點很遠等等。如果使用一般溫度傳感器采集溫度數據，就必須設計信號 A/D 轉換 電路、調理電路 以 及 對應 的接口電 路，才能將傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號，再將數字信號送到單片機去處理。這樣，由于外圍電路過多會使整個檢測系統穩(wěn)定性不高，系統收集最終數據偏差較大；又由于檢測環(huán)境的復雜、測量點又多、信號傳輸距離較遠及各種其他干擾的影響，隨著時間的推移，檢測系統的穩(wěn)定性和可靠性逐日下降 。 所以溫度采集系統的設計的關鍵在于下面三部分：主控單元的設計和溫度傳感器的選擇以及無線模塊的選擇。 系統方案比較與選擇 為了更好的實現系統的可靠性與高性價比，我針對以上這些模塊分別提出幾種方案以供選擇。 控制器模塊比較與論證 單片機是本系統的控制核心，其性能的優(yōu)劣將從根本上影響整個系統的性能。針對本系統，特提出以下 二 種方案以供選擇 方案一：采用 AT89S52 八位單片機。 AT89S52 單片機的軟件編程自由度比較大，可通過編程實現各種算法以及邏輯控制。并且體積較小，引腳不多，方便安裝使用?？梢詥为殞底譁囟葌鞲衅?DS18B20 進行控制，另外 AT89S52 在工農業(yè)控制上也有著比較廣泛的應用，編程技術和外圍電路的配合使用都相當成熟。但是使用 51 或者 52 單片機該系統的外圍電路較多，實際操作比較麻煩，一次只能處理 八位數據，計算比較繁瑣。 方案二：使用 SPCE061A 凌陽 16 位 單片機。 SPCE061A 是凌陽科技經典的一款 16位的具有語音處理結構的微控制器。 SPCE061A 采用 SOC 架構，其內核是凌陽科技公司自主研究開發(fā)的 μ’nSP 架構內核，該芯片自帶硬件乘法器，可以實現乘法，內積等各種復雜的運算。它運算能力強，處理速度快，單周期最高能達到 49MHz 內置的專用MIC 接口和雙路 10bitDAC，使得它非常適合開發(fā)語音電子產品。凌陽單片機 SPCE061A內嵌 32k字 Flash程序存儲器和 2 路 16位定時器、 8 通道 10bitADC、 UART 接口、 2K的 SRAM、看門狗、電壓檢測以及時基輸出等模塊。豐富的外部資源和優(yōu)秀的檢測機制 湖南商學院畢業(yè)設計 第 5 頁 共 56 頁 使芯片性能穩(wěn)定、功能豐富，可作為通用的微控制器，廣泛而深入地應用于智能家電、工業(yè)控制、家居安防等多領域。在 溫度數據采集上，利用 IO 口連接數字 溫度傳感器DS18B20 的數據引腳，顯示上用 HD7279 控制鍵盤和顯示，單片機控制喇叭可實現語音報警。 溫度傳感器模塊比較與論證 溫度傳感器用來進行溫度采集，我們把采集到的數據送到單片機上，單片機處理后把數據通過一個無線模塊發(fā)送到另一個無線模塊。所以在 這個系統中溫度傳感器的作用是至關重要的。我們需要做到數據采集的準確，并且能夠保持系統的穩(wěn)定。有以下幾個方案可以供選擇： 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 ， 必須經過 A/D 轉換后才能送給 單片 機 ， 這樣就使得測溫裝置的結構較復雜 。 另外 ， 這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器 ， 不能進行多點測量 。 即使能實現 ， 也要用到復雜的算法，一 定程度上也增加了軟件實現的難度。 方案三：采用 DS18B20 來 測量 待測電的 溫度， 數字溫度傳感器 DS18B20 輸出 的 信號全數字化。 方便 單片機處理及控制，省去傳統的測溫 系統 的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性 都很 穩(wěn)定，它能 作為 工業(yè)測溫元件 。 此元件線性度好 ， 在 0℃ 到 100℃ 時，最大線形偏差小于 1℃ 。 DS18B20 的最大特點 是 單總線的數據傳輸，由數字溫度計DS18B20 和微控制器 SPCE061A 構成的溫度 采集系統， 它 可以 直接輸出溫度的數字信號 ，而且直接顯示在數碼管上 。 因此該溫度采集 系統的結構就比較簡單 ， 體積 也較小。 無線模塊的比較與論證 無線傳輸模塊主要是用于主機和從機之間的數據傳輸，主機先發(fā)送信號給從機，從機接收到主機發(fā)送的信號后給主機發(fā)送溫度數據。 方案一：采用紅外收發(fā)芯片 NB914 NB9149。 NB9148 是通用紅外遙控發(fā)射器集成芯片，該器件與 NB9149 配合使用可完成 10 個功能控制。 NB9148 采用 CMOS 工藝制造，功耗極低，工作電壓可在 ， NB9148 的集成度高，工作時所需外圍元件少，其振蕩電路只需外接 LC 或陶瓷震蕩器即可起振，并支持多鍵組合。此外 湖南商學院畢業(yè)設計 第 6 頁 共 56 頁 NB9148 的位碼可 與其他模式相兼容。 方案二：采用 nRF2401 無線模塊。無線芯片 nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM 頻段，芯片內嵌晶體振蕩器、地址解碼器、時鐘處理器、調制器、低噪聲放大器、 GFSK 濾波器、功率放大器和頻率合成器等功能模塊，通信頻道和輸出功率可通過程序進行調配。芯片能耗相當低，以 5dBm的功率發(fā)射的時侯，工作的電流只有 ，接收的時侯工作電流只有 18mA。該無線模塊有多種低功率工作模式，設計節(jié)能而且使用更為方便。無線芯片 nRF2401 內置了相當多的功能模塊，外圍電路需 要得很少，因此使用起來相當方便。 鍵盤顯示模塊 的比較與論證 鍵盤和顯示是整個系統人機交互的橋梁。選擇好的鍵盤顯示模塊能夠更簡單、更方便、更直觀的實現人機交互。 方案一：單片機控制鍵盤 、 液晶顯示屏 （ LCD） 顯示溫度數據。液晶顯示屏（ LCD）具有顯示清晰、輕薄短小、無輻射危險、低耗電量，影像穩(wěn)定不閃爍以及平面直角顯示等優(yōu)點，可視面積較大，畫面效果較好，分辨率較高，抗干擾能力較強等特點。但由于只顯示溫度數據，信息量比較少，但是液晶工作量較大，控制器的資源占用較多，使得系統效率變低，而且使用液晶顯示器 的成本偏高。 方案二：使用單片機控制鍵盤和傳統的數碼管顯示。數碼管具有：低能耗、低損耗、低壓，對外界環(huán)境要求低，易于維護，同時其精度比較高，稱量快，精確可靠，操作簡單。數碼管是采用 BCD 編碼顯示數字，編程容易，資源占用較少。 方案三： HD7279A 控制鍵盤與 LED 顯示。 HD7279A 是一 個 具 有 串行接口的智能顯示與鍵盤驅動芯片。它可以同時驅動 8 位共陰數碼管，還能同時連接多達 64 鍵的鍵盤矩陣，單片就可完成 LED 數據顯示和鍵盤驅動的全部功能。 HD7279A 內置譯碼器，可直接接受 BCD 碼以及 16 進制碼，并同時具備 2 種譯碼方式，此外還它還具有多種控制指令 ，如左移、右移、消隱、段尋址和閃爍等。 HD7279A 具有片選信號，可非常方便地實現多位 LED 顯示和鍵盤驅動。 電源模塊比較與論證 方案一：采用穩(wěn)壓源提供正負 5V的 電壓。穩(wěn)壓源可以提供多種不同的電壓，為單 湖南商學院畢業(yè)設計 第 7 頁 共 56 頁 片機、信號處理電路供電。 方案二：采用 4 節(jié)五號電池串聯給整個系統供電。但經過實驗驗證，當電池為直流電機供電時，單片機、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。 方案三：采用 12V 蓄電池變壓后為系統供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，并且 移動方便，成本低。采用此種供電方式后，單片機和各部分電路工作穩(wěn)定，易于安裝，能夠滿足系統的要求。 方案四：采用穩(wěn)壓電源 12V 經過濾波穩(wěn)壓為 5V 后 給系統供電，同時使用 12V 蓄電池變壓 為 5V后為系統 提供 備用電源 。 系統最終方案 經過反復比較與論證，最終確定了如下方案： （ 1） 采用單凌陽單片機 SPCE061A 作為控制核心； 由于系統要求精度高且性價比高，經綜合考慮后選用凌陽 16 位單片機 SPCE061A實現本系統。凌陽 SPCE061A 單片機算術運算功能強，軟件編程靈活，自由空間大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯 控制，并且由于其功耗低，體積小，技術成熟和成本低的優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。相比之下 51 單片機就遜色很多， 51 單片機不僅內部資源很少，而且它的內部寄存器只能處理 8 位數據，所以具有很大的局限性和不穩(wěn)定性。且在學校有凌陽開發(fā)板可供使用，大大方便了我的設計。 （ 2） 采用 數字溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度數據； 采用溫度 溫度傳感器 DS18B20 測量溫度，體現 了 系統芯片化這個 發(fā)展 趨勢。部分外圍 電路的集成，使總體電路更 加 簡潔，搭建電路 以及 焊接電路時 更加方便快捷 。集成塊 能 有效 的 避免外界干擾，提高 系統 的精確度 ， 所以集成芯 片的 普及使用時 電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一 數字 溫度芯片 DS18B20，也是順應 系統芯片化的 趨勢。 （ 3） 采用與凌陽配套的低功耗芯片 nRF2401 做無線傳輸； 采用與凌陽單片機配套的 nRF2401 模塊來搭建系統，使用起來更加方便，各方面性能都比較優(yōu)秀。而主機和從機之間進行無線通信時，信號傳輸的可靠性及元器件的低功耗非常重要，所以無線傳輸模塊采用方案二。 （ 4） 采用 HD7279 鍵盤顯示芯片控制鍵盤和 LED 顯示； 由于控制器模塊選擇的是 16 位的凌陽單片機，所以選擇方案三可以使系統更加穩(wěn) 湖南商學院畢業(yè)設計 第 8 頁 共 56 頁 定，并且選擇方案三線路跟外圍電路 都