基于DS18B20的多路无线温度检测系统

王秀霞

(菏泽学院物理系，山东菏泽 274015)

基于DS18B20的多路无线温度检测系统

王秀霞

(菏泽学院物理系，山东菏泽 274015)

设计了一种基于DS18B20数字温度传感器、MSP430F149微控制器和NRF24L01无线收发模块等的多路无线温度检测系统，并给出了系统硬件设计和软件流程，在上位机程序中引入了数据库，最后分通道存储和显示.除此之外，还将下位机和上位机进行分开设计，下位机可以独立完成整个系统的基本功能，系统的可扩展功能由上位机及PC机来承担.系统测温范围为0～100℃.

数字温度传感器;微控制器;无线通信;数据库

随着电子计算机的广泛应用，社会数字化程度越来越高，人类对于一些特殊环境的检测需要依赖现代化手段来实现，避免人体接触.无线数据采集以其独特的优势在人类生活中变得越来越重要，本文设计的温度采集系统是一种可靠、简洁的无线检测系统，扩展后可用于楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控的实时采集和观察等场合［1］.其中基于NRF24L01的无线数据传输系统具有可靠性高、数据不丢失、抗干扰性强、便于数据传输和处理等优点;DS18B20温度采集芯片具有高精度、编程简单、易控制等特点;在上位机程序中引入了数据库，将单片机采集的温度录入数据库，形成温度历史资料，便于备查，同时为上位机的升级留下了很大的发展空间.

1 系统硬件

无线温度检测系统采用2片MSP430F149单片机作为控制芯片，其最主要特点为低功耗.整个系统由3个环节组成:温度数据采集、无线收发模块与单片机之间的数据传输及单片机与计算机之间的串口数据传输.温度检测是在单片机的控制下实现的，单片机利用模拟串口对DS18B20数字温度传感芯片进行初始化，在需要时读取芯片寄存器内16比特位温度数据;NRF24L01无线发射模块芯片间的数据无线传输完全由2片单片机控制，单片机与NRF24L01通信时可通过通用I/O口模拟串口通信，利用DS18B20和MSP430F149内部带有的12位A/D转换器来实现现场温度数据的采集和处理，通过按键设定报警温度的上下限，并通过LCD显示温度;MSP430F149具有双串口的特点，利用其中的一个串行口与PC机进行通信，由于两者工作电压的差异，在进行连接时必须进行电平转换(通过MAX232芯片)［2］.整个系统框图如图1所示.

1.1 温度采集模块温度采集采用Dallas公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其温度测量范围为－55℃～+125℃，被测温度以带符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源电压范围为3.0～5.5 V，DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源，也可以采用外接电源工作方式.系统采用外接电源工作方式，外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单.为了增强数据通信的稳定性，DS18B20的数据线需要接一个约5 kΩ的上拉电阻.由于DS18B20采用单总线结构，若要控制多个DS18B20进行温度采集，只需将所有的DS18B20的I/O全部连接到一起就可以了(最多只能带8个)，在具体操作时，通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号来识别.DS18B20与单片机的接口电路如图2所示.

1.2 无线收发模块NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz的 ISM 频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst技术，其中，输出功率和通信频道可通过程序进行配置.NRF24L01功耗低，有4种工作模式:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式，通过设置PWR_UP，CE和CS 3个引脚来决定其工作模式，NRF24L01工作模式如表1所示.

系统使其工作于收发模式.NRF24L01的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式2种，收发模式由器件配置字决定.其外围电路及其与单片机的接口电路［3］如图3所示.

表1 NRF24L01工作模式

1.3 液晶显示模块采用带中文字库的128×64点阵图形液晶显示模块LCD12864，具有4位或8位并行、2线或3线串行的多种接口方式，显示分辨率为128×64.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面.

系统采用MSP430F149单片机的P0口来控制数据及命令的传输.因为单片机内部P0口没有接上拉电阻，需在外围电路上接4.7 kΩ以上的上拉电阻，以提高其推拉电流的能力.其外围电路及其与单片机的接口电路如图4所示.

2 系统软件设计

无线温度检测系统采用查询方式对各点的温度进行测量，各传感器在未被查询时可处于低功耗睡眠状态.微控制器控制程序流程图如图6所示［4］.

3 数据库设计

系统的数据库主要功能是存储各通道DS18B20的实时温度数据，并未涉及其他功能，这就为今后上位机的升级留下了广阔的空间，例如可以利用各个通道保存的历史数据，通过一定的算法，计算出一个自适应温度调控值，实现对各个通道的温度进行自适应控制;也可以利用现有的基本数据库完成自定义查询、打印等功能，便于了解整个系统的稳定性和平均温度等.系统的数据库的逻辑E－R图如图7所示.

3.1 VB数据库访问ADO(Active Data Objects)数据访问技术，就是使应用程序能通过任何OLE DB提供者来访问和操作数据库中的数据.

使用ADO控件实现数据库访问的步骤如下:

步骤1在窗体添加ADO数据控件，如图8所示;

图8 ADO数据控件

步骤2使用ADO连接对象建立与数据提供者之间的连接;

步骤3使用ADO命令对象操作数据源，从数据源中产生记录集并存放在内存中;

步骤4建立记录集与数据绑定控件的关联，在窗体上显示数据.

1.3.1 样品加工将样品转移至1000mL蒸发皿中，放入烘箱中，调节温度至105℃，将水分全部烘干，取出后称量样品重量。空白样品记录其整个体积，不进行烘干制备。用玛瑙球磨把土样加工至100目待分析。样品总质量结果见表1。

3.2 数据绑定在VB中，ADO数据控件不能直接显示记录对象中的数据，必须通过能与其绑定的控件来实现.绑定控件是指任何具有DataSource属性的控件.数据绑定是一个过程，即在运行时绑定控件自动连接到ADO数据控件生成的记录集中的某字段，从而允许绑定控件上的数据与记录集数据之间自动同步.

绑定控件通过ADO数据控件使用记录集内的数据，再由ADO控件将记录集连接到数据库中的数据表.要使绑定控件能自动连接到记录集的某个字段，通常需要对控件的2个属性进行设置:

1)DataSource属性:通过制定一个有效的ADO数据控件，将绑定控件连接到数据源.

2)DataField属性:设置记录集中有效的字段，使绑定控件与其建立联系.

复杂数据绑定允许将多个数据字段绑定到一个控件上，同时显示记录集中的多行或多列.支持复杂数据绑定的控件，包括数据网格控件DataGrid和MSHFlexGrid以及数据列表框DataList和数据组合框DataCombo等.

DataGrid控件可显示文本内容，并具有编辑操作功能，当把数据网格控件的DataSource属性设置为一个ADO数据控件后，网格会被自动地填充，网格的列标题显示记录集内对应的字段名.

4 PC机设计界面以及程序流程

4.1 PC机设计界面系统PC机设计界面如图9所示.

图9 PC机设计界面

该界面用到的控件如表2所示.

表2 PC机界面素材表

表3 自定义温度条件及报警状态

4.2 程序功能说明PC机程序共可分为三大主要部分，分别为数据库显示区、当前温度显示区和自定义温度区域.

当前温度显示区:用于显示单片机所测量得到的当前温度值.

数据库显示区:用于保存单片机测量温度的历史记录，便于以后查询以及上位机程序扩展升级使用.

自定义温度区:用于设定单片机测量温度的上限温度值，若当前温度高于设定的温度值时，单片机开始发生报警.具体自定义温度条件及报警状态如表3所示(t为当前温度;H_temp为设定温度).

5 系统测试及结果分析

为了验证系统的工作性能，将该系统用于鸡舍温度的无线检测.在实验中，主要针对该系统应用于鸡舍检测时数据的准确度和误码率2个方面的验证.系统在实验阶段使用4个DS18B20温度传感器，分别对鸡舍的4个角落进行测量，其结果见表4所示.

从实际测量数据可以看出，所设计的系统在测量中准确度很高，而且在无线传输过程中几乎不会出现误差，系统运行稳定可靠，能及时、准确、快速地反映鸡舍温度的变化情况.

表4 实验数据对比 ℃

6 结语

介绍了一种基于无线收发模块的多路无线温度检测系统，其结构简单、易于安装，测温范围为0～100℃.该系统不但可以应用到各种需要无人体直接接触的测温场合，实现对现场温度的“先知先觉”及实时显示，而且完全可以扩充为一个网络系统，形成温度采集网.

［1］郑杰，陈文芗.一种无线温度检测系统的设计［J］.装备制造，2009，3(5):162－162.

［2］尤文，张昕.数字化无线温度传感器的设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2006，43(1):43－45.

［3］李光忠.基于单片机的温湿度检测系统的设计［D］.济南:山东大学，2007.

［4］黄智伟，朱荣辉，朱卫华.无线数字温度传感器的设计［J］.传感器技术，2002，21(9):31－33.

A Multipoint Wireless Temperature Measurement System Based on DS18B20

WANG Xiu-xia

(Department of Physics，Heze University，Heze 274015，China)

In our report，based on digital temperature sensors DS18B20，microcontroller MSP430F149 and a single chip RF transceiver NRF2401，a multipoint wireless temperature measurement system were designed and the system hardware design and the software procedures were proposed，and in order to store and display data in different channels，the host computer program interacted with the database.Additionally，low computer was able to independently accomplish the basic functions of the entire system，and all of the external functions were accomplished by the PC.The temperature measurement bound was 0—100℃.

digital temperature sensor;MCU;wireless communication;database

TP 212.11 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1004－1729(2011)04－0362－06

2011－06－21

山东省自然科学基金资助项目(Y2008A16)

王秀霞(1976－)，女，山东定陶人，菏泽学院物理系讲师，硕士.