摘要

溫度采集在倉庫、農場、工業中有廣泛的應用，然而這些場合主要以人工定時巡檢或儀器定點獨立自動檢測為主，但這幾種方式的效率也低，不經濟，不利于大規模多點溫度采集。人工巡檢方式難以達到科學合理檢測的要求，而國內可以實現高自動化程度的自動溫度巡檢系統還不多見，因此有必要研制成本低廉，性能優越的自動溫度檢測控制技術。近年來，隨著微電子、計算機、自動控制、傳感器等技術的發展，越來越多的工程師和學者將新技術應用在水位控制系統中，并且取得了顯著的控制效果。無線傳輸技術是一種成本低廉，實時簡便的新型技術，將無線傳輸技術和計算機控制技術應用在溫度采集系統中能夠進一步提高自動化水平，對提高管理效率、提升多點溫度檢測的自動化水平有著重要意義。

本文借鑒多種產業領域中的自動化方案，結合NRF24l01無線傳輸模塊，設計基于微處理器的分布式無線溫度檢測系統。利用單片機結合溫度對環境溫度進行檢測，同時將檢測到的環境信息通過無線傳輸模塊自發送至中央控制室，中央控制室主機接收到信息后通過LCD進行顯示，并在溫度超過安全值時啟動聲光報警。本設計首先制定了總體方案，然后以51單片機為核心，采用模塊化設計思路，對系統的硬件包括最小系統、電源電路、蜂鳴器電路、液晶顯示電路等設計了。接著，對系統的主程序和液晶顯示子程序進行了分析設計；最后，研制了一套無線溫度采集系統，其運行結果表明本設計的正確性。

目 錄

溫度是工業生產、農業培植、倉庫存儲管理、氣候監測中的重要信息，這些場合中的溫度檢測工作量是非常龐大也是非常必要的。然而，在很多場合下，由于工廠規模大，存儲倉庫分布廣泛等原因，但再加上國內的科技起步較晚，以及從事生產管理的工作人員普遍知識水平較低，對新技術的了解和認知不夠，導致一些先進、智能的檢測技術在國內難以推廣。國內的絕大多數場合，還是以人工定時巡檢為主，但傳統的人工檢測精度較差，不能實時反映溫度的變化曲線，效率也低，不經濟，不利于大規模場合下的多點溫度檢測，人工巡檢方式難以達到科學合理檢測的要求。在固定位置安裝溫度采集儀器也是一種常用的方法，但這種方式雖然能定時自動檢測溫度，但溫度也僅限于本地查看，有一些帶有現場總線的溫度采集儀器能夠克服溫度信息的傳送局限，但現場布線增加了系統的施工成本和復雜度。目前，國內可以實現高自動化程度的自動溫度巡檢系統還不多見，因此有必要研制成本低廉，性能優越的自動溫度檢測控制技術。近年來，隨著微電子、計算機、自動控制、傳感器等技術的發展，越來越多的工程師和學者將新技術應用在水位控制系統中，并且取得了顯著的控制效果。無線傳輸技術是一種成本低廉，實時簡便的新型技術，將無線傳輸技術和計算機控制技術應用在倉庫管理系統中能夠進一步提高自動化水平，對提高溫度采集系統的采集效率、經濟性和使用靈活性效率有著重要意義。

本文借鑒多種產業領域中的自動化方案，結合NRF24l01無線傳輸模塊，設計基于微處理器的分布式無線溫度檢測系統。利用單片機結合溫度對環境溫度進行檢測，同時將檢測到的環境信息通過無線傳輸模塊自發送至中央控制室，中央控制室主機接收到信息后通過LCD進行顯示，并在溫度超過安全值時啟動聲光報警。

單片機是大規模集成電路發展的產物，其出現具有劃時代的意義，徹底改變了傳統工業生產的方式，是實現工廠、家居、商業自動化必不可少的關鍵器件。目前單片機已經在各個領域行業都有著廣泛和不可替代的地位。

作為世界上最大的農業大國，農業工程在中國有著舉足輕重等地位，今年來農業自動化是研究的熱點，很多技術人員將單片機技術應用在農業中獲得了良好的應用效果。利用單片機結合溫度和土壤濕度傳感器，可以實現在林場、溫室、農田的現場環境采集，借助無線傳輸技術將相關信息遠程傳送至監控室，種植人員在家即可實施觀察和記錄當前農場的環境信息。在農田中，土壤的濕度對作物生長的影響很大，因此可以在上述環境信息采集的基礎上，利用單片機實現土壤濕度的自動控制，即在濕度低于設定值時自動啟動灌溉泵對土壤加濕，最終實現濕度的自動控制。同樣，在溫室大棚中可以利用單片機結合溫度、濕度傳感器對溫室大棚的環境進行檢測，并在溫度、濕度過高或過低時自動控制通風電機和灌溉泵的啟停。單片機在農業中的應用可以說是非常成功的，有效降低了農業生產人員的工作強度，提高生產效率。

自動化、智能化發展技術的發展，對人們的生活品質提高也有著積極作用。利用51單片機結合多種傳感器可以實現對室內的可燃氣體傳、火災信號、漏水等不同的安全問題進行檢測和報警。在設計控制器時，還結合時鐘芯片、按鍵、繼電器、無線收發模塊等，使系統在出現故障時通過控制繼電器自動實現煤氣管路、水管、噴水裝置的啟停，及時的將災害等級降低。現在，還有很多智能家居中通過單片機控制GPRS實現家居與手機等智能設備的遠程通信，利用手機即可遠程的對家庭室內的家電、家居等裝置進行控制，如控制家里的空調、電視、窗簾等，還能安裝監控檢測的傳感器提高住戶的安全性。目前，關于智能家居的概念較多，但是產品還不夠智能，家居自動化水平還不夠高，如何充分發揮單片機在智能家居中的應用效果還值得深入探究。

單片機技術發展的最大收益領域便是工業，單片機在工業中的應用最早，也最多。在電機控制中，針對步進電機的驅動控制，可以結合51單片機和IR2104設計電機驅動器的硬件電路，在軟件方面通過對51單片機編程，采用電流PWM電流跟技術，實現步進電機的正弦波電流細分技術，有效的提高的控制精度，減小了電機的震蕩，大大擴展了步進電機應用領域。針對BLDC的控制，采用模塊化硬件設計和軟件設計的思想，以stm32位核心設計主控電路，以仙童公司的功能驅動模塊為核心設計驅動電路，此外還結合速度檢測電路、電流檢測電路等，通過單片機可以檢測當前電機轉子的位置、轉速及繞組電流，并根據調速算法和電流閉環控制算法實現電流環和速度環的控制，控制時stm32只需將控制信號輸出至驅動板，由驅動板驅動BLDC。以往，電機控制算法比較復雜的情況下，常采用DSP作為電機的主控制器，如PMSM、IM等控制器的核心都為DSP。近年來，高速、高性能的單片機發展迅速，已經出現了很多計算速度能與DSP媲美，接口外設更加豐富、而成本更低的單片機，采用單片機實現復雜的算法計算已經成為了可能。在工廠自動化的其他方向，單片機的應用更加成熟，已經形成了多種體系。此外，單片機還船舶、汽車、航行器、導彈等交通運輸與軍工武器行業有著重要的作用。

本設計在充分了溫度檢測系統和的背景和研究現狀，利用單片機結合溫度傳感器完成了分布式無線溫度檢測系統的設計的方案。然后重點對分布式無線溫度檢測系統的硬件和軟件進行了分析和設計，最后通過研制無線溫度檢測系統實物對本文設計進行驗證。

本文主要分為六大部分：

第1章介紹分布式溫度檢測系統的設計意義，然后分析了單片機在工業、農業、住宅等行業的應用情況。

第2章對分布式溫度檢測系統的總體方案進行設計，并且對系統的主控器、溫度傳感器等進行選型論證。

第3章對分布式溫度檢測系統的硬件進行設計，包括電源、顯示、采集等模塊電路。

第4章對分布式溫度檢測系統的軟件進行設計，包括主程序的流程思路以及部分功能子程序。

第5章為實驗結果。通過實物研制和傳感器接入，驗證設計的正確性。

第6章對全文和本次畢業設計進行總結與展望。

本設計通過溫度傳感器檢測現場環境溫度，同時將檢測到的溫度由單片機控制NRF24l01傳輸至中央控制室主機，中央控制室主機將接收到的信息通過LCD顯示，并在溫度超過安全值時進行報警。系統原理框圖如圖2-1所示。

目前，在工業控制以及其他場合下，常用作系統主控制器的有DSP、PLC、和單片機。DSP的內部集成了專用的乘法器，計算功能非常強大，非常適合實現復雜的算法，在圖像處理、模式識別、電機控制、信號調制等領域應用非常廣泛。但是DSP雖然計算能力強，處理速度快，但是其外設一般不豐富，可用于操作的IO口較少，并且成本非常高，很多DSP芯片都采用多種電壓等級的電源供電，也增大了設計過程的復雜度。PLC是在微處理器等技術基礎上發展出的高可靠性、編程簡單、應用方便的裝置。PLC非常適用于過程和流程控制，在工程自動化、機器人生產線等場合應用很廣泛，但由于其專用性強，也導致其應用的局限性，如不能進行復雜的計算，不能進行復雜的控制操作等，并且采集信號和控制輸出都需要擴展端口，其體積大、成本高。單片機是最早面世的微處理器其，單片機經歷了很多代發展，從最初的8位發展到現在的32位，處理速度也經過了量級的變化。目前，生產單片機的廠商非常多，如ST、飛利浦、TI、飛思卡爾等，產品也非常豐富，總可以根據實際需求選擇到適合應用的單片機。根據本文水位控制系統的控制要求，選用STC89C52單片機即可滿足要求，并且成本較低。根據本文多點無線濕度采集系統的控制要求，選用STC89C52單片機即可滿足要求，并且成本較低。

溫度傳感器是工業測量中常用的傳感器之一。隨著技術的發展，人們對溫度的測量和控制精度的提出了更高的要求，測量溫度的相關技術的種類也得到廣泛的研究，相關研究表明，目前用于多種場合的溫度傳感器按照材料可以分為熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC等多種。熱電偶是一種結構簡單，使用方便，成本低廉，適用范圍廣的溫度傳感器，當傳感器受熱時，就會在傳感器的兩端形成電勢差，通過測量傳感器兩端的電勢便可計算出溫度，但熱電偶的溫度采樣精度也不會非常高，同時在測量時需要進行溫度補償。熱敏電阻一種新型溫度傳感器，該傳感器的阻值于所處環境溫度有關，靈敏度非常高，但其阻值與溫度關系呈嚴重的非線性化，給精確測量帶來很大難度，并且通過熱敏電阻的電流值過大可能會導致熱敏電阻永久性損壞。鉑電阻的工作原理與熱敏電阻類似，但其特性更好，同時其成本很高，一般用于對測量精度要求非常高的場合。溫度集成電路是一種新型的溫度傳感器，由于其輸出直接是數字量，所以在采集時不需要再配置AD轉換模塊，測量方案的成本很低，應用非常廣泛。

根據上述各種傳感器的優缺點，結合本文的應用環境，選擇DS18b20型作為溫度采集傳感器，該傳感器與單片機采用一根數據線即可完成數據的交互。

以51單片機為核心，采用模塊化電路設計的思想，設計系統硬件電路，如圖3-1所示。

圖3-1 系統硬件框圖

圖3-1中，電源電路為單片機和其他電路模塊供電；DS18b20用于溫度采集；液晶顯示主要用于顯示當前系統狀態；晶振和復位電路主要用于提供單片機基本的工作要求；NRF24l01用于數據的無線發送和接收按鍵與LED主要用于系統設置和狀態指示。

根據主控制器的芯片選型，本設計采用51內核的STC89C52單片機為系統核心，該單片機的引腳介紹如表3-1所示。

表3-1 STC89C52單片機引腳表

為使單片機滿足基本的工作條件，需要為其提供時鐘信號和復位信號，因此設計最小系統如圖3-2所示。

   

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圖3-2 單片機最小系統

圖3-2中，晶振需要配合合適容值得電容才能正常起振，晶振輸出的時鐘信號接入STC89C52的第18和第19腳。復位電路在正常情況下由于下拉電路的存在，為低電平，單片機正常工作，如果手動按下按鍵，則輸出高電平會引起單片機復位。

系統正常工作時，需要對輸入電源進行電壓變換，為板載的芯片和傳感器供電。本系統的輸入為9V的電壓輸入，電源電路采用AMS1117產生5v電源為系統芯片電路供電，同時還設計LED指示燈用于指示電源的工作狀態。采用AMS1117設計的電源電路如圖3-3所示。

圖3-3 電源電路

蜂鳴器由5V電源供電，由于單片機的I/O口驅動電流較小，不能直接驅動，因此采用MOS驅動蜂鳴器。設計的繼電器電路如圖3-4所示。

圖3-4 蜂鳴器電路

在溫濕度采集系統中，需要通過按鍵設置管路的設定管壓，同時還要有LED顯示當前的狀態，設計的按鍵與LED如圖3-6所示。

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采用LCD1602來顯示采集系統的設計的狀態，本設計采用LCD1602模塊的供電電源為5V直流，其接口介紹如表3-1所示。

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由表3-1可知，該液晶模塊的控制端口有3個，數據端口有8位。在設計時直接將單片機的IO口與液晶的控制端口及數據端口連接，并且在單片機的P0口增加10k的上拉電阻。設計的電路如圖3-7所示。

圖3-7 LCD1602顯示電路

溫度傳感器DS18B20由5V單電源供電，與單片機通過一根數據線實現數據交互，因此在控制電路板上設計溫濕度傳感器如圖3-8所示。其中DS18B20的數據端口直接與單片機的IO口進行連接。

圖3-8 溫度傳感器接口電路

圖3-9 NRF24L01模塊

單片機的I/O端口直接與NRF24L01模塊連接，在板級電路設計時設計與無線模塊的接口電路如圖3-10所示。

圖3-10 NRF24L01接口電路

主程序是系統軟件執行的入口部分，在主程序中需要對系統變量進行定義聲明和和初始化，對各軟件功能模塊如定時器初始化，接著進入while循環語句，在循環中調用各功能子程序，實現整個控制系統的時序控制和異常處理。本無線溫度檢測系統有中央控制室主機和現場節點，兩個主程序流程圖如圖4-1所示。

DS18B20的數據線接口與單片機的IO口直接連接，單片機的數據讀取和寫入都經過一根線，因此在進行溫濕度讀取之前需要進行必要的握手，根據DS18b20參考資料中提供的時序圖，總結設計單片機讀取DS18b20的子程序流程圖如圖4-2所示。

圖4-2 溫度采集子程序流程圖

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在單片機操作液晶顯示模塊時，也要嚴格按照其時序進行。液晶模塊的操作包括讀操作和寫操作。讀操作時序如圖4-5所示。

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按照時序分析思路，對液晶的讀寫時序進行分析，可以得到單片機對液晶進行讀寫命令的子程序流程圖分別如圖4-7和圖4-8所示。

圖4-7 LCD1602寫數據子程序

圖4-8 LCD1602寫命令子程序

單片機控制液晶顯示內容時，需要調用LCD1602的命令讀寫子程序，完整的單片機操作液晶顯示內容的子程序流程圖如圖4-9所示。

為驗證本文設計的系統正確的采集、發送和顯示溫度，并能在溫度異常時能報警，通過在DXP中設計原理圖，在原理設計時還設計了模擬信號采集電路、串口電路、繼電器電路供后續的進一步應用開發。最后，對硬件電路板實物進行焊接和調試，完整的原理圖、PCB、實物圖如圖5-1、圖5-2和圖5-3所示。

圖5-1 原理圖

圖5-2 PCB圖

圖5-3實物圖

將系統上電，觀察系統狀態，系統運行結果及采集到的溫度結果分別如圖5-4所示。

圖5-4溫度采集結果

實驗結果表明，節點采集到溫度之后，能夠正確的將溫度通過nrf24l01發送至中央控制節點，中央控制節點能，并提示Safe，此時蜂鳴器不報警。在系統上電初始時刻，由于DS18B20初始采集會有一段85攝氏度的不穩定值，此時中央節點會提示報警信息，同時進行聲光報警，實驗結構如圖5-6所示。

圖5-6 系統報警

上述的溫度采集、發送和顯示的實驗結果驗證了本文方法的正確性。

本文主要針對分布式無線溫度采集系統的進行了研究和設計，主要包括：

（1）根據系統功能分析，設計了分布式無線溫度采集系統的總體方案，并且對方案中的關鍵器件進行了選型的比較論證選擇了最適合本設計的器件方案。

（2）采用模塊化的硬件設計思路，分別對硬件電路中的單片機最小系統、電源、液晶顯示電路等分別進行了設計，并最后在電路設計進行了總體的PCB設計。

（3）根據系統總體方案的功能需求和基本的硬件電路接口，對系統的軟件進行了詳細設計，包括主程序以及顯示子程序。

（4）通過實物研制，對現場的溫度采集和發送，結果表明本文設計的正確性。

通過本次畢業設計的鍛煉，使我對自動化采集系統有了更加深入的認識。了解到資料查閱、調研和方案論證的重要性。當然本文對于無線溫度采集系統的設計還有很多不足之處，有待于進一步完善，同時還有些未研究的領域，值得進行深入研究。

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