一种短距离无线温度采集系统设计

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(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

一种短距离无线温度采集系统设计

张艳，贾应炜

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

0 引言

在工业现场，由于生产环境恶劣，操作人员无法在现场监控设备是否运行正常，需要将待测数据采集送到监控操控室[1]；同时当数据采集点处于运动状态、布线根本无法操作，此时需要利用无线传输的方式进行数据采集[2]。无线数据采集系统已经被成功应用于工农业生产、环境监测、军事国防和机器人控制等许多重要领域[3-4]。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都需通过无线方案来解决。系统的设计采用了NRF24L01射频芯片，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度，由STC89C52单片机控制实现短距离无线数据通信。并通过nRF24L01将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602上显示。

1 nRF24L01无线模块

nRF24L01是一款新型射频无线模块，工作频段为2.4～2.5 GHz ISM。集频率合成器、晶体振荡器、功率放大器和调制器等功能于一体，并融合了增强型ShockBurst技术，其中，通信频道与输出功率可编程来设置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(空闲模式和掉电模式)使节能设计更方便[5]。nRF24L01通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电4种工作状态。nRF24L01模块部分端口功能如表1所示。

表1 nRF24L01模块部分端口功能

管脚管脚号功能CE1工作模式选择CSN2SPI片选使能端SCK3SPI时钟MOSI4SPI输入MISO5SPI输出IRQ6中断输出VDD7电源端GND8电源地

2 系统设计

系统主控芯片采用单片机STC89C52，无线通信模块采用nRF24L01，温度采集采用数字温度传感器DS18B20。发送端由温度传感器、STC89C52单片机和nRF24L01无线射频模块组成；接收端由STC89C52单片机、nRF24L01无线射频模块、LCD1602显示模块和串口组成。系统结构如图1所示。系统由若干传感器节点和路由节点构成，传感器节点采集数据送微处理器，经处理后由无线模块nRF24L01发射；路由节点中的无线模块nRF24L01接收到数据送微处理器，再由LCD1602显示并经MAX232送PC机。

图1 系统结构

2.1 单片机STC89C52控制模块

STC89C52是一种低功耗的芯片，拥有灵巧高性能CMOS八位微控制器，内置8 KB的可编程Flash 存储器[6]，使得STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。由STC89C52构成的控制模块最小系统如图2所示，主要包括晶振电路和复位电路。

a.晶振电路。晶振电路由2个22pF电容和1个12MHz晶体振荡器构成，接入单片机的X1，X2引脚。

b.复位电路。单片复位端低电平有效。

图2 STC89C52构成的控制模块

2.2 无线发射、接收电路设计

nRF24L01芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率发射时，工作电流为10.5 mA，接收时的工作电流为18 mA，多种工作模式，使得其能耗极低[7]。nRF24L01与单片机连接时的电路如图3所示。

图3 nRF24L01与单片机接口电路

2.3 温度传感器DS18B20

DS18B20单线数字温度传感器体积更小、适用电压宽，支持“一线总线”接口的温度传感器。DS18B20测量温度范围为-55～+125 ℃，精度为±0.5 ℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性[8]。图4为DS18B20硬件连接电路。 DS18B20在系统中与发送端单片机的P3.3连接。

图4 DS18B20硬件电路

2.4 系统显示模块

系统采用LCD1602液晶显示模块来显示温度，P0由上拉电阻提高驱动能力，作为数据输出并作为LCD的驱动，P2口的P2.7作为液晶显示模块的使能信号E，数据/命令选择RS，配置为R/W。具体电路如图5所示。

图5 LCD1602液晶接口电路

2.5 系统与PC机通信

系统采用MAX232来完成TTL- EIA双向电平转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路[9]，驱动电源为+5 V，其与STC89C52最简单的方式连接如图6所示。MAX232的T1IN引脚与STC89C52的串行输入口线P3.1TXD相连，R1OUT引脚与STC89C52的串行输入口线P3.0RXD相连，MAX232的T1OUT、R1IN分别于与RS232的2，3引脚相连。MAX232电源引脚必须接0.1μF 电容。

图6 PC机和单片机串口通信接口

3 系统软件设计

3.1 发送端软件设计

系统发送端采用DS18B20温度传感器采集温度，经STC89C52收集处理数据，温度数据数码管显示，再由nRF24L01模块发送到接收端。其中，包括DS18B20和nRF24L01模块的初始化配置。图7为发送端程序流程。

图7 发送端程序流程

3.2 接收端软件设计

系统接收端采用nRF24L01无线模块接收发送端传来的温度数据，经单片机STC89C52在LCD1602液晶显示器上显示。最后单片机把数据经串口传输给PC机。其中，包括nRF24L01模块和LCD1602液晶显示器的初始化。图8为接收端程序流程。

图8 接收端程序流程

4 系统测试

4.1 误码率测试

误码率是表征通信线路接收质量以及可靠性指标的主要参数。误码率测试方法为:每0.2s发送端发出一个数据包，接收端用“误码计数器”来统计丢失和发错的数据帧数量。在室内环境中，当发送速率为2Mb/s、数据帧长度为20Bit、输出功率为0dB时，系统误码率测试结果如表2所示。由表2知，通信距离在35 m内，系统误码率很低，可以正常通信，大于35 m时，误码率很高，不能正常通信。

表2 数据传输距离和误码率

传输距离/m误码率/%传输距离/m误码率/%10 06250 7550 10301 12100 123512 50200 254056 36

4.2 温度测量

系统为了测试方便，温度采集点选择了5个节点采集，采用标准温度计与设计装置对同一点温度进行6次实测取平均，得标准值、测量值、误差及误差率如表3所示。由表3可看出，系统的温度测量比较稳定，温度值最大绝对误差为0.5 ℃。

表3 不同节点测量结果及误差 ℃

5 结束语

系统以单片机STC89C52为核心，nRF24L01为无线模块，构成星形无线网络数据采集系统，具有传输体积小、速率高、成本低、功耗低、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。随着无线通信的应用领的发展，人们需求的不断提高，无线通信技术有着广阔的发展空间。无线通信技术已在家庭智能化、电子设备、医疗设备控制、工业控制和农业自动化等领域获得广泛的应用[10]。

[1] 李成法，陈贵海，叶 懋，等．一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].计算机学报，2007，30(1):27-36.

[2] 刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输 [J].应用科技，2008，35(3)：55-58.

[3] 陆欣云，陈 巍，张 娟.基于FPGA的LED点阵系统控制器的设计与分析[J].南京工程学院学报：自然科学版，2011，9(3):40-44.

[4] 刘宝元，张玉虹，姜 旭，等.基于单片机的温湿度监控系统设计[J].应用天地，2009，28(12):77-80，83.

[5] 程 雪，王 彬，贾北平.基于无线通信的多点温湿度采集系统的设计[J].农机化研究，2009(8):191-192，201.

[6] 王玉琳，陈甦欣.三相反应式步进电机的高性能驱动电源[J].仪表技术与传感器，2006(2)：47-48.

[7] 吴 涛，胡春怀，秦 锐，等.智能温室无线传感网络节点设计[J].机械与电子，2012(10)：46-48.

[8] 王 茜，阎 啸，秦开宇.M-SK突发通信测试中DFT内插载波盲估计算法研究[J].仪器仪表学报，2011，32(2):457-462.

[9] 王 茜，阎 啸，秦开宇.宽带OQPSK信号实时多域测试定时同步技术研究[J].电子测量与仪器学报，2009，23(10): 48- 54.

[10] 何成平，龚益民，林伟.基于无线传感网络的设施农业智能监控系统[J].安徽农业科学，2010，38(8):4370-4372.

Design of a Short Distance Wireless Temperature Acquisition System

ZHANGYan，JIAYingwei

(Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)

针对在工农业生产中数据采集点距离远、监测环境范围大、布线不便等场合，设计了一种以nRF24L01作为无线传输模块，单片机STC89C52为控制核心，DS18B20为温度采集模块的无线温度采集系统。DS18B20检测的温度由单片机STC89C52处理，通过无线通信协议，经nRF24L01无线模块实现无线数据传输送给协调器，再经LCD1602显示并同时送PC机。实验测试表明，系统在室内传输距离可达35 m，满足设计预期要求,可应用于各类工农业生产中无线数据采集系统中。

单片机STC89C52；无线模块nRF24L01；DS18B20；LCD1602显示

In the industrial and agricultural production data acquisition point distance，environment monitoring range，wiring inconvenience and other occasions，a nRF24L01wireless transmission module design，STC89C52microcontroller as control core，wireless temperature acquisition system DS18B20for the temperature acquisition module. DS18B20detection of temperature by the single chip STC89C52processing，via wireless communication protocol，through the nRF24L01wireless module to realize wireless data transmission to the coordinator，then displayed by the LCD1602and sent to PC. Tests showed that，in the indoor transmission distance can reach 35 meters，the system meets the design requirement. Can be applied to various types of industrial and agricultural production data collection and wireless system.

MCU STC89C52；wireless module nRF24L01；DS18B20；LCD1602display

2014-06-05

TP274

A

1001-2257(2014)09-0052-04

张艳(1979-)，女，陕西咸阳人，硕士研究生，讲师，研究方向为电气自动化。