温度数据采集与无线传输系统设计

何为　沈王姚　杨紫含　徐建

【摘 要】该系统采用C51单片机为核心并且利用了4个DS18B20温度传感器，2个液晶显示器1602，以及nRF905的无线收发模块成功的完成了对温度数据的采集、显示和传输以及接受并显示，并且增加了温度报警功能。我们经过了长期的研究并制定了合理的方案之后对系统进行了设计，具体是电源电路的设计，芯片的选择与应用，程序代码的编写以及各个模块功能的实现，并且根据系统的特点，将系统分为采集发送模块和接受显示模块。在系统设计完成后在實验室进行了多次的调试和测试。测试结果表明：系统软、硬件符合设计要求，可以投入使用。

【关键字】温度；数据采集；无线传输；LCD；单片机

0 引言

本系统以STC单片机作为主控芯片，采用数字式温度传感器DS18B20，并利用其特有的单总线特性组成传感器网络，应用液晶LCD1602作为人机交互界面，在充分综合分析蓝牙、GPRS、GSM等无线数据传输方式的基础上，针对有线的数据采集方式应用受到限制的场合，结合实际，并考虑到做成实物调试和开发难易程度等可行性问题上，确立了无线射频收发一体芯片的解决方案，即利用基于nRF905芯片的无线收发模块完成数据的接收与发送，再应用传感技术，实现多点温度数据采集。系统还预设温度自动报警功能，能对温度的实时监控起到预警作用。整个系统分为：（1）温度数据采集和发送模块；（2）温度数据接收及显示模块两部分；该系统的设计意义深远，不仅在于能将数据采集与无线传输相结合，充分发挥了无线传输的优势，而且能有比较广泛的应用。

1 温度数据采集与无线传输系统设计的总体设计

整个系统由温度数据采集显示和发送程序和温度数据接收及显示程序两部分组成；

a温度数据采集显示与发送模块是由温度传感器网络DS18B20网络、液晶屏LCD1602、nRF905无线收发模块和主控芯片STC89C52RC组成；

b温度数据接收及显示模块则是由基于nRF905的无线收发模块和主控芯片STC89C52RC、液晶屏LCD1602构成。

2 温度数据采集与无线传输硬件系统设计的硬件设计

2.1 系统电源电路

该模块将市电经过变压器变压后，转化为18V的交流电压，利用LM7805转压芯片将18V的交流电转化为5V直流电，为单片机等提供电源。LM317H将18V交流电转化为3.3V直流电，以供无线射频芯片使用。

2.2 单片机最小系统

单片机采用内时钟方式，利用芯片内部振荡电路，在引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激荡。定时元件采用的是12MHz的晶振和30pF的两个电容组成的并联谐振电路。

2.3 温度数据采集

本系统为多点温度采集，DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用外部供电方式，只需要用一个接口引脚就可以驱动多路DS18B20，本系统设计之初只采用4个温度传感器，如图2所示。单片机通过读取各个DS18B20的序列号，分别获取温度数据。

2.4 温度数据显示电路

LCD1602的引脚1接地，引脚2接5V电源，引脚3接电位器来调节显示器的对比度，引脚4～14接单片机，引脚15接10K电阻来设置显示器的亮度。

2.5 数据收发电路

VCC接3.3V电压；μCLK为输出时钟，本系统中无需使用，悬空；CD为输出，单片机不对其进行控制，悬空：GND接地；其它引脚和单片机相连，由单片机控制其发送数据或接收数据。

2.6 无线模块芯片nRF905

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的单片射频发射芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装，工作于433/868/915MHz三个ISM频道，其由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式能够自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置，电流消耗很低，在发射功率为+10dBm时，发射电流为30mA，接收电流为12.5mA。进入Powerdown模式可以很容易实现节电。图3为基于nRF905的无线收发模块电路图：

3 温度数据采集与无线传输硬件系统的软件设计

系统采用C语言进行软件设计，编程和调试环境为Keil 4，系统的软件部分发送端、接收端主流程图如图4、图5所示。

4 系统的整体性能调试

4.1 硬件性能的测试

按照本文的软硬件最初设计思想，在连接好硬件实物之后，我们直接对整体实物进行测试，通过对代码的精心改写，使得最终的测试结果达到了满意的效果：发送端的液晶屏能够实时显示温度的变化，接收端的液晶屏温度数值的显示也能随着发送端的变化而变化。

4.2 无线传输距离的测试

传输距离的测试分室外和室内两种环境下进行。其中室外环境的测试在操场上进行，经测试在两节点相距70米左右时仍然能进行正常通信，但是在通信距离超过150米左右时发生通信中断的现象。室内环境测试，由于障碍物的存在，节点通信的距离下降十分明显，在不需要穿墙时的通信距离在65米左右，穿两堵墙时的通信距离在50米左右。

5 结束语

本系统以C51单片机为主控芯片，通过DS18B20温度传感器采集温度数据，并利用nRF905无线传输模块和液晶屏1602进行数据的无线收发和显示。通过对软件代码的精心修改使得最终的系统调试获得满意的结果，达到了最终的设计目的。

【参考文献】

[1]黄贤武.传感器原理与应用[J].电子科技大学出版社，2006.

[2]江世明，刘先任.基于DS18B20的智能温度测量装置[J].邵阳学院学报，2004.

[3]Nordic VLSI ASA. Single chip 433/868/915MHz Transceiver Nrf905[J]. Product Datasheet，2004.

[责任编辑：朱丽娜]