【導讀】傳統(tǒng)的多點溫度測量存在著連線復雜、對測量環(huán)境要求高的缺點。優(yōu)點，在需要多點溫度測量的場合具有廣泛的應用價值。本系統(tǒng)采用了STC12C5A60S2單片機作為核心控制芯片、DS18B20. 數(shù)字溫度傳感器和NRF24L01無線通訊模塊。論文完成了方案論證、硬件電路設計和。傳感器電路設計、顯示電路設計。軟件設計包括主程序、無線發(fā)送與接收等程序的解析。實驗表明滿足設計要求，具有一定。的實用和推廣價值。本系統(tǒng)通過實物實驗達到了課題的各項要求，證明了本溫度采集系統(tǒng)真實、可靠。

　　

【正文】 DS18B20 進行操作，需要用較為復雜的程序完成。編制程序時必須嚴格按芯片數(shù)據(jù)手冊提供的有關(guān)操作順序進行，讀、寫時間片程序要嚴格按要求編寫。尤其在使用 DS18B20 的高測溫分辨力時，對時序及電氣特性參數(shù)要求更高 ； （ 2） 有多個測溫點時，應考慮系統(tǒng)能實現(xiàn)傳感器出錯自動指示，進行自動DS18B20 序列號和自動排序，以減少調(diào)試和維護工作量 ； （ 3） 實際應用時，要注意單線的驅(qū)動能力，不能掛接過多的 DS18B20，同時還應注意最遠接線距離。另 外還應根據(jù)實際情況選擇其接線拓撲結(jié)構(gòu) [4]。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 20 4 軟件設計 整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了 [7]。 本系 統(tǒng)中無線溫度傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、 單片機 、顯示器和溫度傳感器組成，收發(fā)器與 單片機 間 之 用串行口通信。整個系統(tǒng)的各個部分都是服務于無線 溫度 傳輸這個目的。所以，在整個系統(tǒng)的軟件設計中，無線數(shù)據(jù)的傳輸 功能的設計 是最為重要的。這里使用 C 語言編寫單片機控制程序?？刂葡到y(tǒng) CPU 采用 STC12C5A60S2 單片機，NRF24L01 芯片 的接 收 和 發(fā) 射 模式由程序控制，當系統(tǒng)上電 時， 主機和從機上的收 /發(fā)程序自動運行。主機上 NRF24L01 芯片保持 接收 狀態(tài)，其余的 從機上 NRF24L01始終處于 發(fā)送 狀態(tài)。 主程序調(diào)用了 4 個子程序， 分別是液晶顯示程序、溫度測試程序、中斷控制程序、從機與主機無線通訊程序。 溫度測試程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進行處理，進行判斷和顯示。 LCD 顯示程序：向液晶顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。 中斷控制程序：實現(xiàn)循環(huán)顯示功能。 無線通訊程序：實現(xiàn)從機與主機通訊， 命令從機 將溫度數(shù)據(jù)傳送給主機 。 主程序設計 將各個功能程序以子程序的形式寫好，當寫主程序的時候，只需要調(diào)用子程序，然后在寄存器的分配上作一下調(diào)整，消除寄存器沖突和 I/O 沖突即可。程序應該盡可能多的使用調(diào)用指令代替跳轉(zhuǎn)指令。因為跳轉(zhuǎn)指令使得程序 難以看懂各程序段之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。而調(diào)用指令則不同，調(diào)用指令使得程序結(jié)構(gòu)清晰，無論是修改還是維護都比較方便。將功能程序段寫成子程序的形式，除了方便調(diào)用之外，還有一個好處那就是以后寫程序的時候如果要用到，就可以直接調(diào)用這個單元功能模塊 [8]。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 21 開 始采 集 1 號 機 溫 度是 否 完 成是 否 完 成采 集 2 號 機 溫 度采 集 3 號 機 溫 度是 否 完 成分 別 發(fā) 送 出 去是 否 發(fā) 射 完溫 度 數(shù) 據(jù)主 機 控 制 芯 片S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2N R F 2 4 L 0 1無 線 發(fā) 射N R F 2 4 L 0 1無 線 接 收主 機 控 制 芯 片S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2從 機 溫 度匯 總 顯 示2.4G本 機 溫 度 顯 示 本 機 溫 度 顯 示系統(tǒng) 程序 總 流程圖如圖 所示 。 圖 系統(tǒng) 程序 總流程圖 系統(tǒng) 無線發(fā)送與接收程序流程 系統(tǒng) 無線發(fā)送程序流程圖 如圖 所示 。 圖 系統(tǒng) 無線發(fā)送程序流程圖 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 22 開 始系 統(tǒng) 初 始 化接 收 數(shù) 據(jù) ？分 別 接 收 數(shù) 據(jù)顯 示 溫 度接 收 完 成 ？系統(tǒng) 無線接收程序流程圖 如圖 所示。 圖 系統(tǒng) 無線接收程序流程圖 無線發(fā)射 與 接收程序 5 實驗及結(jié)果 調(diào)試及實驗 分析 硬件電路測試 本設計中將 4 個硬件模塊分為 1 個主機模塊和 3 個從機模塊， 測試的步驟如下： （ 1） 檢測各模塊焊接是否 到位。將各個 模塊焊好，檢查確認無虛焊、粘焊； （ 2） 測試各模塊 電路能否正常運行。先對主機模塊上電進行測試，主要是測試主機模塊上電運行是否正常。測試方法目測，看電源指示燈是否發(fā)亮并且一直保持亮度不變。正常發(fā)亮并不會突然變亮或者變暗則電路正常無短路斷路情況。各從機模塊 按以上方法各自測量。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 23 功能測試及分析 DS18B20 是 集成芯片 ，所以對溫度感應 的 靈敏度是相當高， 只 要一個很短的時間就 能達到穩(wěn)定。 由于 無線通信環(huán)境的不確定性， 在 各種環(huán)境下的傳輸 效果是不盡相同的，路徑損耗、建筑物影響、人體影響、外界干擾 和周圍環(huán)境的吸收等都會對傳輸?shù)男Чa(chǎn)生一定的影響，但采用 NRF24L01 無線模塊 能在一個 電磁環(huán)境較差 的條件下進行測試 。因此，分別選擇了不同的試 驗方法 來進行實驗。 具體 實 驗方法如下： （ 1） 測試各主從模塊是否能 精 確采集環(huán)境溫度 。 測試方法是 將串口的程序?qū)懙?各模塊 的 STC12C5A60S2 單片機芯片 上 ，然后上電運行各主從模塊，看各主從模塊顯示出的本機 采集 溫度與溫度計測 量 到的環(huán)境溫 度 是否相同。如果各主從模塊顯示的 本機 溫度與溫度計 測量的 溫度一致 ， 則說明各主從模塊能夠 精確的采集 到當前所處 環(huán)境的 溫度 ； （ 2） 測試 系統(tǒng)是 否能進行 無線 溫度信號 傳輸 。測試方法 是先運行主機模塊，待其穩(wěn)定運行后將編好號的各從機模塊放在不同的環(huán)境位置（距離，溫度各不相同），然后逐一給各從機模塊上電，待其穩(wěn)定運行溫度顯示不再變化后觀察主機模塊上顯示的各從機溫度與對應 的 從機模塊顯示的本機溫度是否相同。如果溫度顯 示都一致則說明能正常進行無線溫度傳輸 ； （ 3） 檢測系統(tǒng)是否能進行實時溫度顯示。測試方法是用手指輕輕夾住 任意從機模塊上的 DS18B20。 在 觀察到從 機溫度升高的同時 注意 主機模塊上顯示的 對應 的 從機溫度是否在同步變化。 然后用同樣的方法 逐一測試各從機模塊，如果都能在主機模塊上同步顯示出溫度的變化則說明 能 實時 顯示 出 溫度 的變化。 實驗結(jié)果及分析 無線溫度傳輸功能 結(jié)果及分析 系統(tǒng) 實物裝置如圖 所示。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 24 圖 實物 裝置照片 如圖 所示顯示的是完成了各項系統(tǒng)功能的 實物模塊。中間為 0 號 主機，左邊為3 號從機，右邊為 2 號從機。由于版面有限并未給 1 號從機上電列出。 如圖 所示圖左側(cè) 3 號從機采集到的溫度為 攝氏度，傳輸?shù)街鳈C上顯示出來的溫度同樣是 攝氏度。圖右側(cè) 2 號從機采集到的溫度為 攝氏度，傳輸?shù)街鳈C上顯示出來的溫度同樣是 攝氏度與從機顯示一致。 以上展示的實物照片充分驗證了本系統(tǒng)的無線溫度傳輸 功能精 確、真實，可行。 溫度采集功能結(jié)果及分析 由于 同一型號的 傳感器 傳輸信號的能力會有一些細微的差異，所以 各個模塊都會產(chǎn)生一些誤差，而且各個模塊 的誤差 也 不盡相同。 但是，這些誤差是可以通過程序進行修正的，只是由于每個模塊的修正程序都不相同。因此，無法進行批量生產(chǎn) 。 具體試驗結(jié)果比對如表 所示。 表 實驗結(jié)果 實際溫度 測量溫度 20 25 30 35 40 平均誤差 0 號主機 1 號從機 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 25 2 號從機 3 號從機 表 所示各主從模塊 在不同溫度環(huán)境下單次測量誤差都 小于 攝氏度，平均誤差在 攝氏度以下，測溫精度高于 攝氏度。 如上 所述 可以看出本系統(tǒng)溫度采集功能達到了課題要求。 至此，本人通過制作實物，以實驗驗證了本人設計的無線多路溫度采集系統(tǒng)設計方案真實、可行。 其中，除了硬件影響產(chǎn)生的誤差暫時難以消除以外，時間允許的情況下還可以通過適當?shù)能浖绦虻恼{(diào)整對現(xiàn)有誤差進行修正，使系統(tǒng)性能再次得到優(yōu)化。由于畢業(yè)設計時間有限本人 暫時 只能做出以上展 望。 總結(jié) 本文研究的課題是基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過液晶顯示出來，然后利用無線傳輸模塊將各從機采集到的溫度傳送到主機上 通過液晶 匯總 顯示出來，并能夠?qū)崟r反映出各從機采集到的溫度變化。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能強大、顯示直觀、界面友好、性價比高，可廣泛應用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機電一體化、智能家居等諸多領(lǐng)域。 本系統(tǒng)是一個 較為 完善的系統(tǒng)， 但是也 還有許多需要改進的地方。設計中所采用的DS18B20搜索算法還存在不足，有時會發(fā)生重復或遺漏搜索。在通信協(xié)議不 完整，沒有進行發(fā)送超時出錯處理。還有各種不足之處有待將來改進。 設計得以順利完成 ,得感謝我的指導老師唐杰副教授，在這個過程中他都一直指導著我，雖然他沒有時時刻刻在我們身邊親歷指導，但是他每天都詢問我的進展情況，對我基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 26 遇到的問題給予我解答，并對我的設計進行一些優(yōu)化。 參考文獻 [1]潘焱、田華、 魏安 全等 .無線通信系統(tǒng)與技術(shù) [M].人民郵電出版社 , 20213. 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[8]魏偉 ， 胡瑋等 .51 單片機 C 語言開放與應用技術(shù) [M]．化學工業(yè)出版社 ,2021. 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 27 附錄 Ⅰ 元 器件清單 系統(tǒng) 元器件清單 如下表所示。 序號 名稱 數(shù)量 備注 1 NRF24L01 4 2 128*64 4 帶中文字庫 3 DS18B20 4 IRF460 4 LED 8 5mm 5 STC12C5A60S2 4 DIP40 6 電位器 8 1000K 7 電阻 若干 1K。10K 10 導線 若干 11 晶振 4 12 瓷片電容 若干 33pf 13 電解電容 若干 10uf 14 帶鎖開關(guān) 4 15 三端穩(wěn)壓器 4 LM317 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 28 附錄 Ⅱ 系統(tǒng)總原理圖 系統(tǒng)總原理圖如下圖所示。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 29 附錄 Ⅲ 實物接線圖 系統(tǒng)實物接線圖如下圖所示。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 30 4 源程序代碼 include include include include include /* sbit IRQ=P3^2。 sbit CSN=P0^3。 sbit MOSI=P0^4。 sbit MISO=P0^5。 sbit SCK=P0^6。 sbit CE=P0^7。 */ //sbit IRQ=P3^2。 sbit CSN=P2^1。 基于單片機的多路溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 31 sbit MOSI=P2^3。 sbit MISO=P2^4。 sbit SCK=P2^2。 sbit CE=P2^0。 /****************************************/ define TX_ADR_WIDTH 5 d