一种实用型无线温度报警器的设计与实现*

梁越勇 徐 倩 季航宇 浦希成

（江苏科技大学计算机科学与工程学院 镇江 212001）

1 引言

本次设计基于射频模块nRF24l01的技术实现，用于控制远程数据的传输，是主机和从机上的无线通信子模块。随着科技的进步，应用无线技术的产品也日益丰富，低廉的成本和简单的原理使得基于无线传输的设计成为诸多电子产品、工农业产业链的第一选择。无线传输正逐步走进人们的生活，其特点不仅仅体现在使人们生活变得更加人性化、智能化，更重要的是使人们的生产生活变得安全，效率更高，同时促进了自动化产业的发展。

本研究融合了无线通信系统、数据采集、远程控制等技术，以提高人们的生产生活的效率为目标，设计了一个远程监控环境温度的报警系统。此系统包含控制中心主模块，无线传输模块，温度传感器模块，1602显示模块，报警模块等，实现了对生产环境的温度监控。

2 系统的总体设计

系统实现对从机周围的不合格温度进行报警，当温度超出阈值时，系统通过无线传输模块实现数据的传输，通过蜂鸣器进行报警。本系统采用的主要硬件有：STC8952单片机，蜂鸣信号发生器，LCD1602显示屏，18B20温度传感器，nRF24L01无线通讯器件［1～3］等。系统总体框图如图1所示。

图1 系统硬件总体框图

3 控制中心主模块的设计及实现

3.1 硬件部分的设计与实现

控制中心主模块主要采用STC89C52芯片，该芯片是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。内部电路具有看门狗硬件电路定时器，3个16位定时器和计数器，4个外部中断等电路，用来控制发射机和接收机的工作［4］，控制发射机上的温度传感器把数据传给无线射频模块，接收机STC89C52控制1602的显示工作和蜂鸣器的报警［5］。其引脚如图2所示。

图2 STC89C52单片机引脚图

3.2 软件部分的设计与实现

本系统的所有软件程序都是基于Keil uVision3平台，采用C语言设计。

图3 主机软件流程

系统功能中基本结构如下：

void init_io（void）；∕初始化IO 口；

void Temper（）；∕传感器温度的采集和处理；

TX_Mode（TX_BUF）；∕把nRF24L01设置为发送模式并发送数据；

Check_ACK（1）；∕等待发送完毕，清除 TX FIFO；

void TX_Mode（uchar*BUF）；∕判断温度函数；

void show（）；∕1602显示处理；

void proc（）；∕温度超限处理；

主机和从机的基本运行过程如图3、图4所示。

图4 从机软件流程

4 功能模块的设计及实现

4.1 传感模块的设计

18B20温度传感器的测量范围是-55℃～+125℃，固有测温误差1℃。温度传感器探头将外界温度的高低变化转化为晶振的振荡频率的变化，所产生的信号作为脉冲输入。该温度传感器有三个引脚，一旦接反就会立即发热，倒导致烧毁。具有断电温度信息不丢失的特性，具有较强的实用性［6］。

4.2 无线传输模块

nRF24L01工作在 2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。nRF24L01功耗低，掉电模式和空闲模式使节能设计更方便［7］。nRF24L01在发射模式后进入接收模式，如果收到应答，系统认为此次通信成功，如果没有收到应答，就会重新发射数据。此无线射频模块在系统发射机和接收机上各有一个用来无线传输，并把数据传给相应的控制中心主模块［8］。

4.3 1602显示模块

它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。采用标准16脚带背光接口。P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I∕O口。作为输出指令字节。验证时要求外接上拉电阻。当报警器工作时，1606显示模块显示当前设置的阈值温度和由发射机传来的当前环境温度，通过按键可对当前阈值温度进行调整，最低温度不得高于设置的最高温度。

4.4 报警模块

蜂鸣器采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件［9～10］。与无源蜂鸣器不同，有源蜂鸣器带振荡源，可以采用直流驱动信号。

4.5 SPI协议

本设计采用主从方式的SPI协议，在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信［11］。

5 特色设计

5.1 电源模块的设计与实现

本设计中使用的电源需要单独进行设计，由于正常用电是220V的交流电，而STC89C52和其他功能模块是在5V直流电源下工作的，所以需要另外设计一个5V直流电源。要得到稳定可用的DC5V电源，要将50HZ的交流电经降压变压器降为12V交流电，然后通过桥式整流器、电容滤波后得到12*0.9=10.8的直流电，由于不够稳定，所以还要在该直流电后面加一个集成稳压块和一个较大电容作为储能用，使得输出电压不因负载的变化而影响。

电源对模块的整体运行十分重要，严格设计的电源可以大大降低模块的非正常关机率。由于本温度报警器的设计是一个独立运行的计算机微系统，通常情况下应通过指令AT^SMSO来进行关闭，同时一定要确认模块关机后再进行切断电源的操作。在实际应用中，如果系统会时常发生断电情况，则需要为该温度报警器配备备用电池，以保证系统的正常工作。我们在设计的5V电源后加一个TR1972-33，使得电压约为4.4V，再接一个470微法的电解电容。

电源设计电路图如图5所示。

图5 电源设计电路图

5.2 扩展设计的研究与实现

本次设计的无线温度报警器是基于点对点的设计，在实际应用中，小范围的检测区域适用于点对点检测，如果是较大范围的区域，往往需要多点来进行检测，即一对多的检测体系，基于本设计我们进行了基于一对多的检测改进，主要的功能模块是由nRF24L01来完成，即一个接收机对应多个发射机，各个发射机分别被置于不同区域采集数据，然后通过无线收发模块进行数据传输，最后在接收机的STC89C52进行数据处理、控制显示。可以在显示屏上显示多点的平均温度，以及所有点的最高和最低温度，通过和阈值温度进行比较，判断是否发出警报。多点温度采集如图6所示。

图6 多点温度采集图

一对多的扩展设计是由各个一对一的无线温度报警器组成的，所以我们重点对一对一的温度报警器进行研究和测试，后期进行集成开发，广泛应用，增加该设计的实用领域。

6 系统测试及分析

将主机和从机隔开20m，分别上电，打开电源按键，代码编译成功后，加载程序文件夹中的hex［12］文件链接好下载器就可以下载了，在从机上设置好最高温度T1和最低温度T2（T1＞T2），主机上温度传感器开始获取周围温度T，并通过无线射频模块发送到从机，从机接收到数据后，在显示屏上显示当前温度，同时显示已经设置好的温度上下限，此时，我们利用打火机给主机升温，使得T＞T1，这时蜂鸣器开始鸣叫，然后利用冰块给温度传感器降温，使得T＜T2，这时蜂鸣器开始鸣叫。这时我们扩大主机和从机的距离，从机上的温度不再随着主机温度传感器周围温度的变化而变化，主机和从机的连接断开。

6.1 结果分析

在一定距离之内，主机和从机保持连接状态，从机显示当前主机的温度，并判断这个温度是否在设置好的温度之间，在一定温度范围内，DS18B20可以检测温度变化，该温度报警器工作要求如图6所示。横轴为温度测试范围，纵轴为距离测试范围。

图7 报警器温度、距离要求图

6.2 特色与创新

1）使用方便：无需外界网络的支持，只需给主机从机供电即可工作；

2）人性化设计：主机和从机都很小，操作容易，显示器显示温度一目了然；

3）紧急报警功能：当主机温度超过理想的温度范围时，蜂鸣器就会报警；

4）可靠：由于采用了跳频技术，nRF24L01在性能上稳定可靠，即通信设备会不断搜索干扰比较小的信道，可能每隔一段时间就会从一个频率转换到另一个频率［13～14］，从而保证了数据传输的可靠性；

5）断电不丢失：温度传感器DS18B20具有断电不丢失的特性，这使得在操作过程中即使因某种情况导致断电，从机显示器上依然会保持前一刻的数据［15～16］；

6）有极大的社会价值：在工农业中，能够有效地对产品、对生产环境进行检测报告；

7）具有很高的可扩展性：可以进行深度二次开发，增加具体功能。

7 结语

在系统开发过程中，我们查阅了大量的相关文献，包括单片机SPI协议、nRF24L01的原理和使用、C语言的编写、代码的烧入等内容。此次设计实现了无线报警的功能，体现了在机械自动化方面的应用，本报警装置可根据具体的应用背景进行改造，完成产品环境合格度的检测，产品质量大小规格等的检测，能够有效地提高生产效率，节省劳动成本，推动自动化产业的发展。

本设计的不足是传输距离较短，下一步我们将致力于研究如何增大无线传输的距离，以实现系统的优化。