第1章 绪论1.1研究背景与意义温度是工业生产、农业培植、仓库存储管理、气候监测中的重要信息，这些场合中的温度检测工作量是非常庞大也是非常必要的。然而，在很多场合下，由于工厂规模大，存储仓库分布广泛等原因，但再加上国内的科技起步较晚，以及从事生产管理的工作人员普遍知识水平较低，对新技术的了解和认知不够，导致一些先进、智能的检测技术在国内难以推广。国内的绝大多数场合，还是以人工定时巡检为主，但传统的人工检测精度较差，不能实时反映温度的变化曲线，效率也低，不经济，不利于大规模场合下的多点温度检测，人工巡检方式难以达到科学合理检测的要求。在固定位置安装温度采集仪器也是一种常用的方法，但这种方式虽然能定时自动检测温度，但温度也仅限于本地查看，有一些带有现场总线的温度采集仪器能够克服温度信息的传送局限，但现场布线增加了系统的施工成本和复杂度。目前，国内可以实现高自动化程度的自动温度巡检系统还不多见，因此有必要研制成本低廉，性能优越的自动温度检测控制技术。近年来，随着微电子、计算机、自动控制、传感器等技术的发展，越来越多的工程师和学者将新技术应用在水位控制系统中，并且取得了显著的控制效果。无线传输技术是一种成本低廉，实时简便的新型技术，将无线传输技术和计算机控制技术应用在仓库管理系统中能够进一步提高自动化水平，对提高温度采集系统的采集效率、经济性和使用灵活性效率有着重要意义。
本文借鉴多种产业领域中的自动化方案，结合NRF24l01无线传输模块，设计基于微处理器的分布式无线温度检测系统。利用单片机结合温度对环境温度进行检测，同时将检测到的环境信息通过无线传输模块自发送至中央控制室，中央控制室主机接收到信息后通过LCD进行显示，并在温度超过安全值时启动声光报警。
1.2单片机在各领域的应用单片机是大规模集成电路发展的产物，其出现具有划时代的意义，彻底改变了传统工业生产的方式，是实现工厂、家居、商业自动化必不可少的关键器件。目前单片机已经在各个领域行业都有着广泛和不可替代的地位。
作为世界上最大的农业大国，农业工程在中国有着举足轻重等地位，今年来农业自动化是研究的热点，很多技术人员将单片机技术应用在农业中获得了良好的应用效果。利用单片机结合温度和土壤湿度传感器，可以实现在林场、温室、农田的现场环境采集，借助无线传输技术将相关信息远程传送至监控室，种植人员在家即可实施观察和记录当前农场的环境信息。在农田中，土壤的湿度对作物生长的影响很大，因此可以在上述环境信息采集的基础上，利用单片机实现土壤湿度的自动控制，即在湿度低于设定值时自动启动灌溉泵对土壤加湿，最终实现湿度的自动控制。同样，在温室大棚中可以利用单片机结合温度、湿度传感器对温室大棚的环境进行检测，并在温度、湿度过高或过低时自动控制通风电机和灌溉泵的启停。单片机在农业中的应用可以说是非常成功的，有效降低了农业生产人员的工作强度，提高生产效率。
自动化、智能化发展技术的发展，对人们的生活品质提高也有着积极作用。利用51单片机结合多种传感器可以实现对室内的可燃气体传、火灾信号、漏水等不同的安全问题进行检测和报警。在设计控制器时，还结合时钟芯片、按键、继电器、无线收发模块等，使系统在出现故障时通过控制继电器自动实现煤气管路、水管、喷水装置的启停，及时的将灾害等级降低。现在，还有很多智能家居中通过单片机控制GPRS实现家居与手机等智能设备的远程通信，利用手机即可远程的对家庭室内的家电、家居等装置进行控制，如控制家里的空调、电视、窗帘等，还能安装监控检测的传感器提高住户的安全性。目前，关于智能家居的概念较多，但是产品还不够智能，家居自动化水平还不够高，如何充分发挥单片机在智能家居中的应用效果还值得深入探究。
单片机技术发展的最大收益领域便是工业，单片机在工业中的应用最早，也最多。在电机控制中，针对步进电机的驱动控制，可以结合51单片机和IR2104设计电机驱动器的硬件电路，在软件方面通过对51单片机编程，采用电流PWM电流跟技术，实现步进电机的正弦波电流细分技术，有效的提高的控制精度，减小了电机的震荡，大大扩展了步进电机应用领域。针对BLDC的控制，采用模块化硬件设计和软件设计的思想，以stm32位核心设计主控电路，以仙童公司的功能驱动模块为核心设计驱动电路，此外还结合速度检测电路、电流检测电路等，通过单片机可以检测当前电机转子的位置、转速及绕组电流，并根据调速算法和电流闭环控制算法实现电流环和速度环的控制，控制时stm32只需将控制信号输出至驱动板，由驱动板驱动BLDC。以往，电机控制算法比较复杂的情况下，常采用DSP作为电机的主控制器，如PMSM、IM等控制器的核心都为DSP。近年来，高速、高性能的单片机发展迅速，已经出现了很多计算速度能与DSP媲美，接口外设更加丰富、而成本更低的单片机，采用单片机实现复杂的算法计算已经成为了可能。在工厂自动化的其他方向，单片机的应用更加成熟，已经形成了多种体系。此外，单片机还船舶、汽车、航行器、导弹等交通运输与军工武器行业有着重要的作用。
1.3 本文主要工作与章节安排本设计在充分了温度检测系统和的背景和研究现状，利用单片机结合温度传感器完成了分布式无线温度检测系统的设计的方案。然后重点对分布式无线温度检测系统的硬件和软件进行了分析和设计，最后通过研制无线温度检测系统实物对本文设计进行验证。
本文主要分为六大部分：
第1章介绍分布式温度检测系统的设计意义，然后分析了单片机在工业、农业、住宅等行业的应用情况。
第2章对分布式温度检测系统的总体方案进行设计，并且对系统的主控器、温度传感器等进行选型论证。
第3章对分布式温度检测系统的硬件进行设计，包括电源、显示、采集等模块电路。
第4章对分布式温度检测系统的软件进行设计，包括主程序的流程思路以及部分功能子程序。
第5章为实验结果。通过实物研制和传感器接入，验证设计的正确性。
第6章对全文和本次毕业设计进行总结与展望。
第2章 系统总体方案设计及芯片选型2.1系统总体方案本设计通过温度传感器检测现场环境温度，同时将检测到的温度由单片机控制NRF24l01传输至中央控制室主机，中央控制室主机将接收到的信息通过LCD显示，并在温度超过安全值时进行报警。系统原理框图如图2-1所示。
图2-1 系统原理框图
2.2主控制器选型目前，在工业控制以及其他场合下，常用作系统主控制器的有DSP、PLC、和单片机。DSP的内部集成了专用的乘法器，计算功能非常强大，非常适合实现复杂的算法，在图像处理、模式识别、电机控制、信号调制等领域应用非常广泛。但是DSP虽然计算能力强，处理速度快，但是其外设一般不丰富，可用于操作的IO口较少，并且成本非常高，很多DSP芯片都采用多种电压等级的电源供电，也增大了设计过程的复杂度。PLC是在微处理器等技术基础上发展出的高可靠性、编程简单、应用方便的装置。PLC非常适用于过程和流程控制，在工程自动化、机器人生产线等场合应用很广泛，但由于其专用性强，也导致其应用的局限性，如不能进行复杂的计算，不能进行复杂的控制操作等，并且采集信号和控制输出都需要扩展端口，其体积大、成本高。单片机是最早面世的微处理器其，单片机经历了很多代发展，从最初的8位发展到现在的32位，处理速度也经过了量级的变化。目前，生产单片机的厂商非常多，如ST、飞利浦、TI、飞思卡尔等，产品也非常丰富，总可以根据实际需求选择到适合应用的单片机。根据本文水位控制系统的控制要求，选用STC89C52单片机即可满足要求，并且成本较低。根据本文多点无线湿度采集系统的控制要求，选用STC89C52单片机即可满足要求，并且成本较低。
2.3温度传感器选型温度传感器是工业测量中常用的传感器之一。随着技术的发展，人们对温度的测量和控制精度的提出了更高的要求，测量温度的相关技术的种类也得到广泛的研究，相关研究表明，目前用于多种场合的温度传感器按照材料可以分为热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC等多种。热电偶是一种结构简单，使用方便，成本低廉，适用范围广的温度传感器，当传感器受热时，就会在传感器的两端形成电势差，通过测量传感器两端的电势便可计算出温度，但热电偶的温度采样精度也不会非常高，同时在测量时需要进行温度补偿。热敏电阻一种新型温度传感器，该传感器的阻值于所处环境温度有关，灵敏度非常高，但其阻值与温度关系呈严重的非线性化，给精确测量带来很大难度，并且通过热敏电阻的电流值过大可能会导致热敏电阻永久性损坏。铂电阻的工作原理与热敏电阻类似，但其特性更好，同时其成本很高，一般用于对测量精度要求非常高的场合。温度集成电路是一种新型的温度传感器，由于其输出直接是数字量，所以在采集时不需要再配置AD转换模块，测量方案的成本很低，应用非常广泛。
根据上述各种传感器的优缺点，结合本文的应用环境，选择DS18b20型作为温度采集传感器，该传感器与单片机采用一根数据线即可完成数据的交互。
第3章 系统硬件设计3.1系统硬件总体设计以51单片机为核心，采用模块化电路设计的思想，设计系统硬件电路，如图3-1所示。
图3-1 系统硬件框图
图3-1中，电源电路为单片机和其他电路模块供电；DS18b20用于温度采集；液晶显示主要用于显示当前系统状态；晶振和复位电路主要用于提供单片机基本的工作要求；NRF24l01用于数据的无线发送和接收按键与LED主要用于系统设置和状态指示。
3.2单片机最小系统根据主控制器的芯片选型，本设计采用51内核的STC89C52单片机为系统核心，该单片机的引脚介绍如表3-1所示。
表3-1 STC89C52单片机引脚表
为使单片机满足基本的工作条件，需要为其提供时钟信号和复位信号，因此设计最小系统如图3-2所示。
图3-2 单片机最小系统
图3-2中，晶振需要配合合适容值得电容才能正常起振，晶振输出的时钟信号接入STC89C52的第18和第19脚。复位电路在正常情况下由于下拉电路的存在，为低电平，单片机正常工作，如果手动按下按键，则输出高电平会引起单片机复位。
3.3电源电路系统正常工作时，需要对输入电源进行电压变换，为板载的芯片和传感器供电。本系统的输入为9V的电压输入，电源电路采用AMS1117产生5v电源为系统芯片电路供电，同时还设计LED指示灯用于指示电源的工作状态。采用AMS1117设计的电源电路如图3-3所示。
图3-3 电源电路
3.4蜂鸣器报警电路蜂鸣器由5V电源供电，由于单片机的I/O口驱动电流较小，不能直接驱动，因此采用MOS驱动蜂鸣器。设计的继电器电路如图3-4所示。
图3-4 蜂鸣器电路
3.5按键与LED电路在温湿度采集系统中，需要通过按键设置管路的设定管压，同时还要有LED显示当前的状态，设计的按键与LED如图3-6所示。
图3-6按键与LED电路
3.6LCD显示电路采用LCD1602来显示采集系统的设计的状态，本设计采用LCD1602模块的供电电源为5V直流，其接口介绍如表3-1所示。
图3-1 LCD1602接口介绍
由表3-1可知，该液晶模块的控制端口有3个，数据端口有8位。在设计时直接将单片机的IO口与液晶的控制端口及数据端口连接，并且在单片机的P0口增加10k的上拉电阻。设计的电路如图3-7所示。
图3-7 LCD1602显示电路
3.7温度传感器接口电路温度传感器DS18B20由5V单电源供电，与单片机通过一根数据线实现数据交互，因此在控制电路板上设计温湿度传感器如图3-8所示。其中DS18B20的数据端口直接与单片机的IO口进行连接。
图3-8 温度传感器接口电路
3.8无线模块接口电路本设计的无线通信采用NRF24L01模块，该模块采用5V/3.3V单电源供电，与外部采用SPI进行连接，NRF24L01模块如图3-9所示。
图3-9 NRF24L01模块
单片机的I/O端口直接与NRF24L01模块连接，在板级电路设计时设计与无线模块的接口电路如图3-10所示。
图3-10 NRF24L01接口电路
第4章 系统软件设计4.1主程序设计主程序是系统软件执行的入口部分，在主程序中需要对系统变量进行定义声明和和初始化，对各软件功能模块如定时器初始化，接着进入while循环语句，在循环中调用各功能子程序，实现整个控制系统的时序控制和异常处理。本无线温度检测系统有中央控制室主机和现场节点，两个主程序流程图如图4-1所示。
图4-1 主程序流程图
4.2 DS18b20采集程序DS18B20的数据线接口与单片机的IO口直接连接，单片机的数据读取和写入都经过一根线，因此在进行温湿度读取之前需要进行必要的握手，根据DS18b20参考资料中提供的时序图，总结设计单片机读取DS18b20的子程序流程图如图4-2所示。
图4-2 温度采集子程序流程图
4.3 液晶显示子程序设计单片机控制1602液晶模块是通过写数据指令实现显示功能的，1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表4-1所示：
表4-1 控制指令
在单片机操作液晶显示模块时，也要严格按照其时序进行。液晶模块的操作包括读操作和写操作。读操作时序如图4-5所示。
图4-5 读操作时序
图4-6 写操作时序
按照时序分析思路，对液晶的读写时序进行分析，可以得到单片机对液晶进行读写命令的子程序流程图分别如图4-7和图4-8所示。
图4-7 LCD1602写数据子程序
图4-8 LCD1602写命令子程序
单片机控制液晶显示内容时，需要调用LCD1602的命令读写子程序，完整的单片机操作液晶显示内容的子程序流程图如图4-9所示。
图4-9 LCD1602显示子程序流程图
第5章 实验结果分析为验证本文设计的系统正确的采集、发送和显示温度，并能在温度异常时能报警，通过在DXP中设计原理图，在原理设计时还设计了模拟信号采集电路、串口电路、继电器电路供后续的进一步应用开发。最后，对硬件电路板实物进行焊接和调试，完整的原理图、PCB、实物图如图5-1、图5-2和图5-3所示。
图5-1 原理图
图5-2 PCB图
图5-3实物图
将系统上电，观察系统状态，系统运行结果及采集到的温度结果分别如图5-4所示。
图5-4温度采集结果
实验结果表明，节点采集到温度之后，能够正确的将温度通过nrf24l01发送至中央控制节点，中央控制节点能，并提示Safe，此时蜂鸣器不报警。在系统上电初始时刻，由于DS18B20初始采集会有一段85摄氏度的不稳定值，此时中央节点会提示报警信息，同时进行声光报警，实验结构如图5-6所示。
图5-6 系统报警
上述的温度采集、发送和显示的实验结果验证了本文方法的正确性。
第6章 总结和展望本文主要针对分布式无线温度采集系统的进行了研究和设计，主要包括：
（1）根据系统功能分析，设计了分布式无线温度采集系统的总体方案，并且对方案中的关键器件进行了选型的比较论证选择了最适合本设计的器件方案。
（2）采用模块化的硬件设计思路，分别对硬件电路中的单片机最小系统、电源、液晶显示电路等分别进行了设计，并最后在电路设计进行了总体的PCB设计。
（3）根据系统总体方案的功能需求和基本的硬件电路接口，对系统的软件进行了详细设计，包括主程序以及显示子程序。
（4）通过实物研制，对现场的温度采集和发送，结果表明本文设计的正确性。
通过本次毕业设计的锻炼，使我对自动化采集系统有了更加深入的认识。了解到资料查阅、调研和方案论证的重要性。当然本文对于无线温度采集系统的设计还有很多不足之处，有待于进一步完善，同时还有些未研究的领域，值得进行深入研究。
参考文献
- 沈慧钧. 基于ZigBee的无线温度采集系统设计[J]. 现代商贸工业,2016,(31):186-187.
- 何彩虹,秦敏. 基于Zigbee技术的无线温度采集系统的研究[J]. 江西建材,2016,(19):120+125.
- 贾利娜,李云红,姚韵. 基于STM32的无线温度采集系统设计[J]. 电脑知识与技术,2016,(11):209-211.
- 张苑,秦敏. 基于ZigBee技术的无线温度采集系统[J]. 山东工业技术,2016,(08):139.
- 钟君,蔡黎明,于涌. 基于MLX90614的无线温度采集系统设计[J]. 传感器与微系统,2015,(03):87-89+93.
- 聂晓立,高小龙. 基于CC2530的无线温度采集系统设计[J]. 电脑知识与技术,2015,(08):215-217.
- 张艳,贾应炜. 一种短距离无线温度采集系统设计[J]. 机械与电子,2014,(09):52-55.
- 顾涵,徐健,劳裔豪. 基于NRF905的无线温度采集系统设计[J]. 现代电子技术,2013,(23):121-123.
- 冯禹,孔祥金,林语,何秀春. 基于CC2530的无线温度采集系统设计[J]. 电子技术,2013,(07):40-42.
- 兰羽,万可顺. 基于AT89C51的无线温度采集系统的设计[J]. 国外电子测量技术,2013,(06):83-85.
- 崔京伟,黄灏. 基于ARM和ZigBee的无线温度采集系统设计[J]. 电子科技,2013,(04):12-13+16.
- 孔庆光. 基于DS18B20多点无线温度采集系统设计[J]. 宁德师范学院学报(自然科学版),2013,(01):55-59+65.
- 季顺宁. 多点无线温度采集系统设计[J]. 信息化研究,2012,(06):40-43.
- 季国鹏,郭晋楠,葛立峰. 基于SimpliciTI协议的无线温度采集系统的设计与实现[J]. 仪表技术与传感器,2012,(07):45-47.
- 权建军. 基于nRF9E5和LabVIEW的无线温度采集系统[J]. 自动化与仪器仪表,2012,(03):147-149.
- 亓浩名. 弹载无线温度采集系统研究[D].中北大学,2012.
- 赵成刚. 恶劣环境下的无线温度采集系统的设计[D].太原理工大学,2012.
- 季国鹏. 基于SimpliciTI协议的无线网络温度采集系统的设计与实现[D].安徽大学,2012.
- 李佩,张红,李新娥. 无线温度采集系统实现分析[J]. 数字技术与应用,2012,(01):68-69.
- 陶维维,刘映杰,习振华,王强. 基于CC1110的无线楼宇温度采集系统[J]. 微型机与应用,2012,(01):19-22.
- 胡庆,杜小丹,罗正华. 基于ZigBee技术的智能校园无线温度采集系统[J]. 电子设计工程,2011,(24):75-77.
- [22]秦相林,张海兵,张盈盈. 基于STC12C5A60S2的无线温度采集系统设计[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2011,(06):837-840.
- 周健宇. 基于ZigBee技术的无线温度采集系统设计[D].湖北工业大学,2012.
QQ好友和群
QQ空间
腾讯微博
腾讯朋友
收藏
淘帖
顶
踩
