温度采集系统的硬件设计与仿真实现

2018-11-21熊启金匡仁占礼彬马向进

物联网技术 2018年11期

熊启金，姜茹，匡仁，占礼彬，马向进

（南昌工程学院信息工程学院，江西南昌 330099）

0 引言

随着信息技术的发展以及工农业生产管理技术要求的不断提高，自动监测工业和农业生产环境的温度已成为基本要求，温度信息的采集成为生产环境监测管理的重要要素。此外，温度信息的监测在其他领域亦发挥着重要作用，如大楼火灾报警装置等[1]。公路上的路面信息采集、温度回馈也是系统的重要组成，如冷库温度的智能控制等[2]。随着应用空间的增大，温度采集的环境也愈加复杂。传统的有线温度监测已跟不上时代的步伐。不论是公路上的高温还是冷库的低温，对于电线来说损害极大，而线路一旦损坏还可能带来其他问题。因而对于无线传输的实时温度采集系统的需求就显得尤为迫切。

为此，本文设计基于单片机与串口转WiFi技术的温度采集硬件系统。系统采用51系列单片机控制温度传感器采集温度信息，由显示模块实时显示，然后利用串口转WiFi模块把温度信息发送至Android平台的温度采集软件上。设计的硬件系统能与Android终端建立可靠、稳定的链接，实现温度的实时采集与显示。

1 硬件系统整体设计

1.1 总体结构

温度采集硬件系统基本方案如图1所示。系统采用AT89C52作为控制芯片，由晶体振荡器提供时钟频率，温度传感器选用DS18B20采集信息，并通过LCD1602液晶屏显示。传感器DS18B20采集温度信息后，通过DQ引脚与AT89C52单片机的I/O口相连，单片机其他I/O口与LM016L液晶显示器相应引脚相连。对于Android和WiFi的整体硬件设计部分而言，主要设计建立硬件采集系统与串口转WiFi 模块的通信连接，并通过串口转WiFi将信息发送出去。用户在WiFi设备附近通过Android手机接收信号，由程序读取硬件采集的温度信息，从而实现温度的实时监测。

图1 温度采集硬件系统总体架构

1.2 硬件模块设计

硬件系统主要由单片机最小系统、温度传感器、显示模块、串口转WiFi模块组成。

1.2.1 单片机最小系统

单片机最小系统由时钟电路、复位电路和单片机组成[3]，其仿真图如图2所示，其中时钟电路的晶振为11.059 2 MHz。

1.2.2 传感器模块

系统采用DS18B20温度传感器，该传感器主要由64 位ROM、温度传感器、非挥发温度报警触发器TH和TL、配置寄存器[4]组成，其内部结构如图3所示。ROM中的64位序列号已在出厂前被光刻好，可将其看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列码均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码为CRC=X8+X5+X4+1。ROM的用处在于使每个DS18B20具有唯一性，实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。Proteus仿真如图4所示。

图2 单片机最小系统

图3 传感器内部结构图

图4 传感器仿真图

1.2.3 显示模块

系统采用LM016L液晶模块显示，该模块由HD44780控制[5]。HD44780具有简单、功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等功能。LM016L与单片机MCU（Microcontroller Unit）可采用8位或4位并行方式通信。HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据RAM （DDRAM）、字符发生器 ROM（CGROM）、字符发生器RAM （CGRAM）、地址计数器（AC）构成，其Proteus仿真如图5所示。

图5 LED显示

1.2.4 串口转WiFi模块

系统采用有人科技串口转WiFi模块USR-WIFI232-L，具体使用步骤如下：

（1）使用USB转串口线连接笔记本USB口及串口转WiFi模块。

（2）连接完成后，为串口转WiFi模块接通电源，红色指示灯亮起约20 s，绿色指示灯亮起。

（3）此时可用手机连接USR-WIFI232-T的WiFi。

（4）打开测试软件USR-TCP232-Test.exe，选择硬件连接到计算机串口号（需与计算机所用端口号一致），点击打开。

（5）打开手机测试软件，点击TCP Client切换界面，单击“+”按钮，此时会出现一个弹窗，在IP编辑框内填10.10.100.254，端口编辑框内填8899，单击增加按钮创建一个TCP 连接，若提示连接成功，则证明已成功创建了该模块的TCP连接。

（6）输入数据进行传输验证。

2 系统仿真验证

通过串口把温度采集模块和Android系统的接收模块连接起来。首先，在电路上加串口电路，然后利用串口助手发送软件串口信息。在电脑上连接一个串口转WiFi模块，使单片机的温度信息通过串口以WiFi形式发送出来。而后手机用户可以通过自身应用接收信息，实现温度的实时监控。

在Proteus的电路中添加串口连接电路，且重新导入修改并编译生成的.hex文件，插入串口转WiFi设备后打开。通过设备管理器查看设备端口号，编辑Proteus上COMPIM的编辑属性设置端口号保持一致。打开Android手机WiFi连接转WiFi设备的热点与温度接收APP，运行仿真结果如图6所示，手机终端结果显示如图7所示。