基于单片机的无线多点温度监控系统设计

杨智霞

(巴音郭楞职业技术学院，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841002)

0 引言

在人们生活与生产过程中，温度、电压、压力等均是比较常用的被控参数，其中温度控制尤为关键，是日常生活与生产中的主要参数。人们对温度检测和控制要求在不断提高，运用单片机监控温度不但控制便捷、操作灵活，而且非常简单，可以提升被控温度技术指标，进而提升产品质量与数量。因此，单片机对温度的控制问题在生产过程中常常会遇到。单片机包含了各种元器件，如ROM，CPU，RAM等，仅需要外加电源与晶振就能够合理控制数字信息，在生产控制中运用甚广[1]。但是，当前诸多温度检测均是有线的，不能满足实际相关需求，即使是无线检测也多为单路的，且大部分只限于检测，尚未实现监控。所以，基于单片机的无线多点温度监控系统的设计是很有必要的。

1 基于单片机的温度监控系统

随着社会的持续发展，温度测量和控制变得愈加重要。温度普遍作用于生产过程与科学实验中，是非常重要的物理参数。生产过程中要全面提升生产效率，就需要对生产工艺中的温度和速度等重要参数加以严格把控，其中温度控制在实践生产过程中占比较大[2]。精准测量与严格把控温度是实现高产优质和低消耗生产的主要条件。在生产过程中，为了确保生产安全稳定运行，提升控制精度，需要使用微电子技术，其作用在于有效改善劳动条件，避免能源浪费，节省资源，预防生产与设备发生事故，从而获得更加优质的技术指标与更高的经济效益。以单片机严格控制温度，除了具备控制便捷性和灵活性的优点外，还能全面提升被控温度技术指标。

现代工艺大多需要对实时温度加以监测与控制，同时对精度的要求也在不断提升。温度控制系统得到了国内外相关业界人士的较多关注，获得了非常广泛的运用，其发展速度愈渐加快，也取得了非常好的成果。随着单片微处理器的性能逐渐完善与提升、价格的持续下降，让单片微处理器的性价比优势变得越来越明显。如何将单片微处理器合理运用于温度自动控制方面，是现代生产厂商所关注的问题。

现如今，发达国家的自动化水平持续提升，装备健全且完整的检测仪表与计算机控制系统，计算机控制系统使用集散系统以及分布式系统，大多数配置了最新控制算法，可以取得非常好的工艺性能指标。伴随大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机随之出现，由于这种计算机体积不大，具有非常强大的功能，在电子仪表中运用甚广，出现在各大领域中，比如节能装置和机器人、家用电器和工业制造等，让产品越来越智能化和信息化，除了能完善产品功能外，还大大减少了成本，提高了产品质量，优化了产品设计。设计和制作基于单片机的温度控制系统，可以严格控制温度，使温度能够在一定范围内通过人工进行设置，同时可以在温度变化过程中达到自动控制。若测量值超过温度设置范围，通过单片机发射控制信号，以驱动电路暂停加热器工作。

2 基于单片机的无线多点温度监控系统总体设计

本系统总体设计运用NRF24L01芯片，连接单片机检测和控制短距离温度，达到无线传递数据和通信的目的[3]。发送主要为单片机，通过温度传感器检测到数据传输到单片机，单片机经过仔细处理后，运用NRF24L01将温度数据信息传递出去；接收主要为单片机，无线模块收到的数据信息需直接传递到单片机加以处理，单片机控制LCD1602液晶显示屏呈现此时的温度，在温度超出上下限值时，单片机对蜂鸣器加以控制，继而报警，与此同时二极管发光提示。

3 无线多点温度监控系统硬件方面的设计

3.1 电路模块

单片机最小系统和信号指示灯、温度采集DS18B20和无线发射NRF24L01构成从机。开通电源后，若电路并未发生任务失误，此时电源指示灯会亮，经程序处理温度传感器进行温度收集，并将温度收集数据信息转变为数字信号，运用DS18B20输出引脚传输到单片机，由单片机加以处理完成后，将其及时传递到无线发射NRF24L01。单片机最小系统和无线接收、报警和液晶显示等模块构成主机。开通电源后，无线接收到从机传递的信号时，由主机的单片机处理完成后，以指令形式把数据信息及时传递至LCD1602显示。随后，在程序中与按键设置的温度阈值加以比较，高出设定值，会及时报警，同时二极管发光。

3.2 显示模块

显示模块使用的是LCD1602，主机中设有4个按键，能实时切换从机温度，还能在任何时间进行温度上下限值的设定，并显示于显示屏上，便于随时观察和控制。LCD1602首个引脚为电源地，下一个引脚接+5 V电源，第3个引脚为液晶显示对比度调节，第4个引脚为寄存器选择端，第5个引脚为读写控制端，第,6个为使能端，第7到第14个为8位数据线，第15个到第16个为背光板电源及其电源地。

3.3 单独传感器

单片机能通过协议和温度传感器进行通信，以此读取温度。其硬件电路十分简单，但是软件则十分复杂。DS18B20能将温度值转变为数字值，DATA输出引脚能提供一定数值，经其所输出的值准确判断出现下的温度，P27为DS18B20发送给单片机的数据端口，以GND接地，VCC接+5 V电源。

3.4 主机报警电路

单片机的无线多点温度监控系统核心功能是及时监督和控制无线多点温度，若温度发生异常时，主机应立即报警，本设计使用的是声光报警电路。蜂鸣器用途甚广，例如用于毒气检测，毒气高出标准浓度，单片机会立即开启蜂鸣器报警。本次声光报警电路同样运用了蜂鸣器，在温度高出设计温度范围时，蜂鸣器可以立即报警。报警电路设计运用三极管加以驱动，在P26端低电平时，三极管发射极电压超出基极电压，三极管在导通的情况下，蜂鸣器支路电路导通，蜂鸣器及时报警，同时二极管也导通发光，此时声光报警器操作结束。

3.5 按键电路模块

大多数电路都会使用按键电路，根据按键类型的差异性，按键功能是不同的，本次按键设计主要是温度上下限值和确定键设定。其他型号按键多用于复位键，不仅能保护电路，而且在电路板未曾使用时能在任何时间关闭。一般情况下，其中的接触铜片是断开的，各按键占用1个I/O线，与单片机引脚衔接，闭合过程中会出现高低电平脉冲输送到CPU处理，从而进行状态判断[4]。

3.6 无线传输

通常在2个NRF24L01的通信过程中，其中任意一个芯片都能设定成接收端与发射端，欲使2个芯片顺利通信，必须充分满足以下条件，即2个芯片的频道和地址、传输接收的字节数需要相同，否则无法构建起良好的通信。

4 无线多点温度监控系统软件方面的设计

4.1 整体程序

程序设计存在一定的困难，还是设计的难点部分，其中LCD1602液晶显示屏和无线传输等的程序设计为关键所在。程序设计首先是初始化多种功能函数；其次判断键盘扫描状态，判断按键按下，则实施对应的按键功能，并进行无线数据读取，判断按键尚未按下，则直接进行无线数据信息读取；最后判断温度值有无超出上下限值，超出限值，则实施报警功能，并显示于LCD1602液晶显示屏上，否则只进行显示。

4.2 子程序

(1)发射。发射程序设计为：初始化DC18B20，从DS18B20内读取涵盖了温度数据信息的字节，经过转换函数将读到的温度数值转换为十进制以便于采用，将温度数值整数位放置于定义了的数组内，运用NRF24L01将温度发射出。发射部分的流程为：开始、初始化DS18D20、从DS18B20读取温度、转换温度成十进制、把温度写入发射数组、数据发射、延时等。

(2)接收。接收程序设计思路为：初始化NRF24L01，步入大循环准确判断状态寄存器是否存在接收中断的情况，若接收中断，则从FIFO-Buffer读取二进制数据，并把二进制数据转换成十进制，于液晶显示屏中全面显示。接收部分的整体流程为：开始、初始化、判断接收中断、从RX-FIFO Buffer读数据、读取无线数据、转换为十进制、LCD1602显示/返回。

5 性能测试

单片机为温度监控系统的核心构成部分，可以确保无线多点温度监控系统的精准度、实时性及可靠性，为验证设计的无线多点温度监控系统是有效的，运用C51编程，在确保温度监控系统顺利工作的前提下，温度监控系统能够显示监测点温度值，如：测量温度为29.01 ℃，实际温度是29.03 ℃，测量温度和实际温度相差-0.02 ℃；测量温度是23.15 ℃，实际温度23.23 ℃，测量温度和实际温度误差为-0.08 ℃；测量温度为22.41 ℃，实际温度为22.35 ℃，两者之间的误差是+0.06 ℃。

6 安装和调试

安装后的整个电路会变得非常复杂，必须分模块加以调试，调试过程中遇到各种问题，如第一次通电后毫无反应，经反复尝试和实验，发现电路中的不良问题。具体如下：

(1)第一次通电前，由于接线人员因操作出错接反传感器，造成传感器发热，通过检查及时修正错误，在查看传感器完整与否后，严格根据准确的连接方式重新连接。

(2)通电以后，显示器显示为非数字，伴有很多乱码，造成了实验的停止，通过分析乱码形态，同时仔细观察并加以测试，了解到译码芯片和数码管没有准确连接，修正后就及时恢复了正常。

(3)调试过程中，可能出现显示器显示温度超过实际温度，检查发现是错误地把A/D个位与小数点位连接在了显示器中，重连后恢复正常。

(4)数次通电后计数均是从4进行的，长时间记到0方能进入循环，中间花费的时间过长，进行通电复位处理，让计数从1开始。

(5)电路焊接环节中，将板子上的叉指结构当成公共电源，可以缩减焊线的使用，从而有效提升复杂数字电路系统的利用率。

(6)完成硬件设计后，需要进行相应的调试。检测硬件部分是否存在虚焊、焊接错误等问题，单片机是否处在正常运行状态，硬件是否达到设计初期预想的功能。发现问题，及时处理。硬件部分存在差错，必须及时完善，在开展二次设计过程中，制作结束以后再次进行检验，保证硬件部分不会出现不良问题，保证设计规划的可行。系统总计可以进行3次修复，首次需要消除+5 V稳压二极管，第二次需要修改连接的电路。

(7)完成单片机程序编写工作后，需要对单片机温度采集代码、发送端NRF24L01芯片与接收端和数码管动态扫描显示检测，有利于健全单片机程序部分设计，经过系统调试，可以保证单片机程序正常运行。

(8)系统软件调试，需要在完成程序编写工作后，选择人工检查方式录入单片机，能够大大降低错误产生的概率。使用C语言，很大概率会出现语法错误，要使用其他检测方法，针对漏写分号等错误，实时消除。

7 系统设计应注意的问题

基于单片机设计无线多点温度监控系统，设计人员需注意以下几个方面的问题。

第一，在温度监控系统设计环节中，应根据实际需求进行温度控制，合理设定上下限值；挑选单片机芯片时，应深入调查市场中存在的芯片种类，选择性价比高的芯片，为无线多点温度监控系统设计打下扎实的基础。

第二，在无线多点温度监控系统设计过程中，应综合理论知识与实践经验，合理优化无线多点温度监控系统方案。

第三，在实验环节，应仔细对待所有细节问题，防止实验过程中发生各种问题，提高设计人员与实验验证的效率。

第四，在设计过程中，设计工作人员应首先采用计算机进行仿真验证，在仿真验证通过后，方可进行下一步实验验证。调试工作应避免全部依赖于计算机仿真验证结果，计算机验证是在比较理性的情况下进行的，仅可以作为参考，而调试结果仍须以实践为核心。

8 结语

本文将温度作为主要研究对象，用各种功能模块的组合设计了无线多点温度监控系统，涵盖了温度检测、传输、按键、报警等一系列模块。在电源接通时，通过选择键控制显示温度，设置键设定上下限温度，温度超出上下限时，单片机自行开启报警。实验表示，温度监控系统性能安全稳定，精准度较好，可以实现无线多点监控目标温度，具有很好的实用性，且具备一定的推广应用价值。但仍存在着缺陷与不足，需研究人员进一步探索与改进，从而推动无线多点温度监控系统的可持续发展。