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1、基于单片机的无线温度采集报警系统设计摘要：随工农业现代化技术的不断发展，温度作为其中重要的角色，越来越引起人们的注意，而温度如果有一定的偏差，就会影响工农业在生产时产品的质量，且人们也不能一直盯着温度测量仪器。而本次论文所做的系统就是有关温度采集和报警的。此次设计介绍了有关无线温度采集报警系统的现状，因为工业上需要的温度多变性和农业需要温度的稳定性，设计了这个系统，这个系统能将温度进行无线传输并显示报警。本次论文设计了温度采集报警系统。所需要的核心芯片是STM32F103系列的单片机。硬件模块包括无线收发模块，显示模块，温度采集模块，报警模块和电源模块，软件部分主要分为主程序设计，从机程序设计
2、等。本次设计的系统是将传感器采集的温度数据进行处理，经过无线传输传输数据，然后显示报警，而且报警也在一定区域内，这个区域可以进行微调，只要不在这个区域内就鸣叫，有效解决了有线传输时候的繁杂，不用许多数据线。本次设计拿温度作为目标，运用了关于无线通信的理论，而在温度采集并实现报警后，进行调制，可以为工农业产品的质量打下一个良好的基础。关键词：单片机；无线；温度采集；报警 Wireless temperature acquisition system based on MCUAbstract:Withthecontinuousdevelopmentofmoderntechnologyofindus
3、tryandagriculture,temperature,asanimportantrole,attractsmoreandmoreattention.Ifthereisacertaindeviationintemperature,itwillaffectthequalityofproductsintheproductionofindustryandagriculture,andpeoplecannotalwaysstareatthetemperaturemeasuringinstruments.Thesystemofthispaperisabouttemperaturecollection
4、andalarm.Thisdesignintroducesthecurrentsituationofthewirelesstemperaturecollectionandalarmsystem.Becauseofthetemperaturevariabilityneededinindustryandthestabilityofthetemperatureneededinagriculture,thissystemisdesignedtotransmitthetemperaturewirelesslyanddisplaythealarm.Thispaperdesignsawirelesstemp
5、eraturecollectionandalarmsysteme.ThecorechipofthispaperisSTM32F103SeriesMCU.Thehardwaremoduleincludeswirelesstransceivermodule,displaymodule,temperatureacquisitionmodule,alarmmoduleandpowermodule.Thesoftwarepartismainlydividedintomainprogramdesign,slaveprogramdesign,etc.Thedesignofthesystemistoproce
6、ssthetemperaturedatacollectedbythesensor,transmitthedatathroughwirelesstransmission,andthendisplaythealarm,andthealarmisalsoinacertainarea,thisareacanbefinetuned,aslongasitisnotinthisarea,itwillsound,effectivelysolvingthecomplexityofwiredtransmission,withoutmanydatalines.Thisdesigntakesthetemperatur
7、easthegoalandusesthetheoryofwirelesscommunication.Afterthetemperaturecollectionandalarm,modulationcanlayagoodfoundationforthequalityofindustrialandagriculturalproducts.Keywords：MCU;wireless;temperatureacquisition;alarm基于单片机的无线温度采集报警系统1 引 言在现代工农业技术的发展很迅速的情况下，温度依然在其中发挥着重要作用。由于有些情况下工作人员会处于很糟糕的生产环境中，他们不
8、能一直停在现场检查出现了什么状况，而且有线数据的传输需要许多而且长的通讯线，占了许多空间不说，在操作时会特别麻烦，很容易出现一系列错误。就因为这样，无线温度的采集就应运而生。 在我们的生活中，无线温度采集系统已经应用于工农业生产，环境监测等不少领域中了。所以，本次设计就需要硬件和软件上的密切配合，让此次课题有意义。1.1 研究的背景与意义伴随社会的进步和生产的需要，无线通信已经慢慢进入了生活，并很快赢得了非常大的应用作用。工作人员在工业生产时，一直在很差的环境下会引发一系列身体问题，所以将传感器先装在指定位置后，让机器先行采集数据，再将数据传到环境比较好的室内，这种情况下要解决传输问题。一般机
9、房或者工作室都离数据点有一定的距离，这时候就需要非常长的数据线进行有线数据传输，但是这样会遇到别的问题，那就是材料使用率不高，浪费太多空间，这种情况就一定要使用无线传输的途径来采集数据，也因此非常方便和很大的实用性。在农业生产上，温室大棚检测温度时，粮仓管理，目标很多都不在一起，占用很多地，目标检测时很多，还有十分麻烦的传统方法，就在此时无线通信可以让许多问题得到解决，例如多点采集数据，温度监控和实时调控就能进行。生活中，很多家中电器使用手机操控，家中温度湿度就可以用手机查到，温度湿度就能用手机改变，也要用无线温度采集系统才能实现。由上面的情况，所以在生产劳动和是日常生活中，无线通信有着方便与
10、实用性。不管由数据进行采集预警，并对相关温湿度进行控制，或者是学习生活中的网上聊天，看新闻视频，与别人打电话与发短信，都有无线通信的身影。所以，无线通信在学习生活中有巨大作用，由此进行必要的学习研究。1.2 国内外发展与研究现状无线通信发展到如今，关于无线通信研究我国和外国都投入许多资金和精力。先开发的1G，然后开发到5G，这都是我国和外国共同努力的结果。由无线通信模块看，有蜂窝类和非蜂窝类。我们用到的3G、4G通信可以说是蜂窝类，远距离通信就可以由此进行。Wifi、蓝牙、Zigbee等模块则是剩下的非蜂窝类。就拿单片机来说，现在学的比较多的物联网等就是非常适合蜂窝类模块，对于数据传输只要非蜂
11、窝类就足够了。就拿如今非蜂窝类模块，一般情况下，都在2.4GHz非授权频段上，很多个标准无线协议集中在这个频段。NRF24L01芯片由Nordic等公司推出之后，由该芯片制作的无线模块被很多公司使用，到如今，NRF系列的无线通信模块还是被Nordic持续推出。与国外无线模块相比，我国芯片的研究还比较落后，但是一些公司已经开发了自己的无线通信模块，虽然早期的功耗和传输距离都比较差。另一方面，无线模块在我国的应用也确实得到了很大的发展。无线通信和物联网最近很流行。相应的无线模块的使用必将越来越多，对无线模块的研究也必将越来越多。同时，必将让国内厂商走上越来越自主研发的道路。综上所述，本文采用2.4
12、GHz频段的nRF24L01作为无线传输模块，不仅具有丰富的学习和应用资源，而且便于获取和使用。数据由DS18B20发送到STM32后，由nRF24L01模块发送到接收端显示。最终实现温度的无线传输。1.3 主要研究内容系统设计主要采用Nordic公司的nRF24L01射频芯片，工作在2.4GHz频段。以STM32F103单片机为主控芯片，实现短距离无线数据通信。整个系统主要分为接收端和发送端两部分。发送端主要以STM32F103单片机为核心。利用温度转换芯片DS18B20实时检测，接收端接收由无线模块传送的数据，在单片机的OLED上显示数据，并报警温度过高或过低。2 系统方案分析与选择论证2
13、.1 系统设计要求根据系统的应用环境，具体技术要求如下：a.小尺寸。该系统主要用于短距离无线数据通信，需要尽可能地控制系统的规模。如果它太大，它将占据无意义的空间。同时，紧凑型的设计可以在系统的基础上再加上其他更多的外围设备，以便于今后系统的扩展和优化。b.可靠的传输。该系统的主要功能是无线通信，不同于传统的有线通信。当数据通过电磁波传输时，会出现一些安全问题。因此，为了安全可靠，设计一个完善的系统是非常重要的。另一方面，空气中存在着大量的电磁干扰，因此系统需要具备一定的抗干扰能力。c.低成本。系统功能的实现并不困难，也不需要使用昂贵的组件和模块，因此我们在满足系统需求的前提下，尽量节约成本，
14、使其更具竞争力。2.2 主控芯片方案方案一：主控芯片采用传统的AT89C51系列单片机，不用太多钱，不是特别大，操作容易，工作时需要的能量少。 方案二：主控芯片采用ST公司生产的STM32F103单片机。芯片主频达到72MHZ，能够在8个定时器和计数器当中选。它功能多用，处理速度迅速，数据接口多，性价比高。它对单片机的发展起着重要的作用。 为了让本次的数据更加准确，在实验过程中更加稳定，方案二的芯片更加适合本次实验2.3 无线通信模块方案方案一：通信采用GSM模块。手机卡是该模块要求的，传输信息也要使用移动卫星或基站。虽然可以来回传送许多的数据内容，传输距离也很长，可它需要有SIM卡。通信过程
15、不仅成本高，而且软硬件设计复杂。 方案二：通信采用蓝牙模块，它主要采用串行口进行数据传输，而串行口相对容易被其他设备连接，容易干扰数据。 方案三：通信采用nRF24L01射频模块，工作时需要的能量低，价格低。同时采用SPI总线通讯方式，操作简单。将以上对比，选第三个。2.4 温度传感方案方案一：采用美国ANALOG DEVICES公司的AD590。它有准确、低廉、线性度好等特点，广泛应用于各种温度控制场合。但辅助测试还需要其他元件，电路设计也有点麻烦。 方案二：采用美国公司生产的DS18B20可联网数字温度传感器芯片。该模块结构紧凑、性价比高、很容易就能连接硬件、实用性强，单线总线方式被它使用
16、，以至于它传送数据内容变得容易。 在电路设计中，若采用DS18B20，相关硬件电路设计简单，编程容易，而AD590则要有别的辅助电路，电路复杂，编程不容易。而想到本次设计的温度指标，方案二的DS18B20可以基本达到需求，因此选它2.5 显示模块方案方案一：采用LCD1602显示信息，LCD1602通过总线方式传输数据。控制简单，但显示内容相对单一。 方案二：采用LED七段式数码显示管控制。一个数字显示管需要连接多个管脚。同时，它占用了主板的空间，显示内容简单。 方案三：采用OLED显示，显示模块体积小，价格便宜，显示精度高，可以翻页显示更多内容。 考虑到本次毕业设计的要求，需要展示的内容较多
17、，对显示速度和精度要求较高，所以采用方案三。3 系统硬件电路设计系统包括主机和从机，主机拥有无线发送模块，无线接收模块，显示模块和报警模块；从机拥有温度采集模块，无线发送模块，无线接收模块和显示模块，具体系统框图如3-1,3-2所示；图3-1 系统主机框图图 3-2 系统从机框图由上面的框图能知道，DS18B20在从机采集温度数据时发挥着主要角色。显示在OLED上后，通过nRF24L01无线传输模块传输数据。主机接收到从机发送的数据后，在OLED上显示数据，这样可以判断报警模块在不在运行。接下来，详细介绍了系统的各个模块。3.1 主控芯片最小系统引脚我们以STM32F103系列单片机作为控制核
18、心，它的优胜在于它的性价比高、功耗低、处理速度快、功能强大，主频达72MHz的同时，也能够在8个定时器、计数器中选择。nRF24L01模块是本系统的主要配置，选择发送的数据的时候，对已经收到的数据进行校验和解码，并将发送或接收的数据和其他有效信息控制显示在OLED显示屏。最小系统板引脚设计如下图所示：图 3-3 单片机引脚图3.2 无线收发模块SPI是串行外设接口（Serial Peripheral interface）的缩写。它应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，A/D转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI有高速，全双工，同步的性能，与它连接的芯片管脚不用大量，因为它只
19、占用四根线，在PCB的布局上，占空也不太多，比较便利。就是这简易而且方便使用的特性，如今通信协议一日比一日多的集成在芯片上，SPI接口也有许多在STM32上。构成该模块的nRF24L01是由Nordic公司生产，SPI通信被它采用，点对点或是1对6的无线通信它都可以实现，2Mbps是它无线通信时能达到的高峰。工作时需要的能量少，传输迅捷，不易被干扰，系统花费不多，近距离通信很好。这些是蓝牙通信不能达到的。2.4GHZ是nRF24L01无线模块工作频段，该模块的工作方式主要有4种，由此进行节能设计在一定程度下更便利。而工作方式的选择一般靠对几个寄存器的改变来实现。在实际应用中，需要对模块内部参数
20、进行配置后，才能正常工作，使其无线收发。nRF24L01的具体硬件连接图如图3-4所示。实物模块如下图3-5所示。对于nRF24L01模块，其中2个引脚是电源输入；3个引脚是为了模块与单片机之间进行SPI通信，而另外三个引脚则是对模块进行相关配置需要的输入口。在软件设计时，需要对这些引脚进行初始化，使单片机使能引脚，再对相关函数进行初始化。图 3-4 nRF24L01引脚图 图 3-5 nRF24L01实物图3.3 显示模块有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode,OLED），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Displ
21、ay）。黑暗下也可以能亮，不需从背后照亮、高反差、不太厚、视野广阔、迅速响应、可用于挠曲性面板、多种温度选择、构造和工艺容易等是OLED的极好的特性。OLED是不需从背后照亮的，而LCD是要的，因为OLED是在黑暗也可以亮的。如果要显示的数据相统一，OLED效果会更好一些。OLED有着不同种类的尺寸大小，同时具有多种外接引脚方式，这样一来，就存在多种数据传输方式，例如8080总线与4线SPI接口方式。另外，OLED并不需要高压，直接接3.3V就可以工作了。OLED具体硬件连接如下图所示：图 3-6 OLED模块硬件连接图3.4 温度采集模块数字测温芯片DS18B20是由美国DALLAS公司推出
22、。它是一种“一线总线”接口的温度传感器，它抗干扰能力比较强。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它体积小巧、简洁经济，可以使用外接连接线使其在不同环境位置下工作，大大提高实用性。同时它还可以使用相当宽的电压范围，只用一根总线进行数据传输也使其与单片机之间的接口简单，硬件设计方便。另外它测温范围广，从零下55摄氏度到125摄氏度均可，精度可达到0.5，在组建数字温度传感器网络方面具有十分重要的地位。与单片机连接组成系统时，它能直接读出被测温度，并且直接将数据传输给单片机处理。具体传感器引脚如下图所示:图 3-7 DS18B20引脚图DS18B20具有多种封装方式，在本系统电路设计中，使用的是上图的左
23、侧封装，因此只需要连接三个引脚即可。其中，GND引脚连接电源地，VDD引脚连接外接供电电源输入端，DQ引脚则是温度数据输出口，连接到单片机I/O口,传输检测到的原始温度数据。通过该模块测量目标地点的温度后，将数据送到从机中，然后从机将数据处理后在OLED上显示，并将数据发送到接收端。具体硬件连接如下图所示：图 3-8 DS18B20硬件连接图3.5 报警模块为了保证该系统具有一定的警示功能，本设计采用了电式蜂鸣器作为声音报警部分，体积小，方便安装。当检测到温度不在预定范围内时，蜂鸣器就会正常工作，发出声音。蜂鸣器作为发声元件，主要的类型可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。无源蜂鸣器需要在两端施加直
24、流电压就可以发出声音，而有源蜂鸣器则需要在两端施加具有一定周期的电压，例如正弦波或方波才可发出声音。根据不同的用户需求，需要选择不同的蜂鸣器种类，具体根据设计决定。本设计采用的是有源蜂鸣器，只需要通过一个三极管来驱动即可使蜂鸣器正产工作。具体报警电路图如下图所示：图 3-9 报警电路图3.6 电源模块电源电路提供系统所需电压如3.3V和5V。通过外接电源，接入大于5V的电压，这5V电源主要给显示屏供电，然后通过LM7805芯片将电压稳到5V，之后再使用LM1117芯片将电压稳到3.3V从而达到本设计的要求电源。其中的POWER为3.7V，因为此电路不需要太高电压，与充电宝类似就行，而它的标准电
25、压为3.7V。对于本系统来说，STM32只需要3.3v的电压就够了。具体硬件连接如下图所示：图 3-10 电源模块硬件连接图由上得到的总体的原理电路图如3-11图 3-11 原理图4 软件部分设计与实现4.1 Keil软件介绍本系统中的软件设计基本上都是通过Keil Vision5来编程实现的。Keil是一款功能强大的C语言软件开发系统，同时Keil与多个单片机公司之间具有合作关系，所以可以直接通过软件自带的内容来构建相应单片机的环境。与此同时，Keil在使用过程中简单方便，多处具有人性化设计，可以适应不同人的编程习惯。在软件设计过程中，该软件也可以自由导出导入相关的库文件，运行过程中也可以通
26、过设计节点来探寻出现问题的地方。Keil还包含两个ARM公司的C/C+编译器、汇编器和连接器，同时高度优化的运行库能优化代码大小和性能。软件包能够随时被导入到MDK或DS-MDK中，使相关的设备能不需要通过工具链来获得技术支持，它们包括设备支持、CMSIS库、中间设备、板级支持、代码模板和示例项目。4.2 系统总体程序流程设计对于系统的总体设计，是对于无线通信的一个简要流程，主要是要做到主机与从机之间的有效连接以及对数据的处理与显示。首先是从机部分的温度采集，当数据进行处理后在OLED上显示，再传到主机中，当主机收到后，进行处理后在OLED显示屏中显示温度数据等内容。其中，关键点在于数据传输过
27、程中的误码乱码以及编码解码，这就需要做好主从机之间的通信协议。具体流程图如图4-1所示。图 4-1 系统总体流程框图4.3 系统主机程序流程设计对于系统的主机程序流程，主要是对于数据的接收与处理。首先是对单片机进行初始化后，再对无线通信模块与OLED显示屏初始化，然后设置无线模块为接收模式，使主机能与从机配对，让主机能够接受到从机发送的数据，最后将数据处理后显示到OLED显示屏上并判断是否触发报警模式。具体流程如下图所示：图 4-2 系统主机流程框图4.4 系统从机程序流程设计对于系统的从机程序设计，主要是对于温度数据的处理与发送。总体思路与主机程序类似，首先对于单片机与OLED显示屏还有DS
28、18B20温度传感器进行初始化，将无线模块设置为发送模式，之后由单片机读取温度数据，经过处理后显示在OLED上并通过nRF24L01无线传输模块发送出去。具体流程图如下图所示：图 4-3 系统从机流程框图4.5 无线模块软件流程设计对于nRF24L01无线模块，并不像串口那样通信简单，对于其内部的寄存器需要配置好，才能实现具体的功能，不然只会出错。当发送数据时，首先需要将模块设置为发送模式，即配置TX_Mode，然后将接收处的地址与需要发送的数据写入缓冲区，之后将CE置为高后，就将数据包发出，此时发送端会进入接收模式，如果接收到应答信号，则此次发送数据成功，同时模块就会进入空闲模式，直到下次需
29、要发送数据。否则会自动进行重发，直至达到最大重发次数，产生中断，通知单片机。具体流程如下图4-4所示。接收数据时，首先还是需要将模块配置为接收模式，即配置RX_Mode，此时就设置好了接收端的地址。然后等待数据的到来，此时就是类似于空闲模式，而当收到数据包后，首先会对相关的地址数据进行解析，只有当地址匹配时，才会将之后的数据包存入缓存区中，同时转变为发送模式，回传应答信号。这样就完成了一次数据包的正常通信。具体流程如下图4-5所示。图 4-4 无线模块发送流程图 图 4-5 无线模块接收流程图4.6 温度检测程序流程设计温度检测模块软件设计DS18B20的测温原理遵循严格的单总线协议，需要采用
30、严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20一般有6种信号类型。单片机读取模块温度的过程一般为：复位，发SKIP ROM信号，发开始转换命令，延时，再复位，再发SKIP ROM信号，发读存储器命令，连续读出两个字节数据，最后结束。如此反复，完成所有操作，在实际程序设计中，一般先通过软件来检测温度模块是否存在，只有模块存在的条件才能进行下一步操作，之后就会上述步骤来读取温度数据，而在主程序中只要将函数的返回值设定为温度值就可以只用一个整合后的函数来读取温度。具体流程设计如下：图 4-6 检测流程图4.7 显示模块流程设计显示模块虽然采用的是SPI接口方式，但是若想达到显示正确数据的目标，需
31、要的操作并不难。首先需要对其余单片机相连的I/O口进行初始化，然后对模块进行初始化，最后只要通过函数将相关内容显示到模块上即可。在显示函数上，由于显示屏主要是由一个个点阵构成的，所以想要显示的内容都是由点亮相关点实现的。具体流程如下图所示：图 4-7 OLED显示流程图5 软件调试与结果 1.本文论文选的是Proteus来进行仿真，因为它的性能好，操作也方便。它的原始页面如下。图 5-1 Proteus原始页面2.在Protues中找到相应的元器件，再用线连接起来。由于Protues中没OLED，所以用LED代替，而且无线模块难以仿真，就没加这一方面的仿真，此时的页面如下。图 5-2 连接图3
32、.系统运行时，显示屏会显示数据，有的数据会随按键的闭合发生改变，蜂鸣器在温度不在数据区间中的情况下报警，具体的图如下。图 5-3 仿真图 （1）系统运行正常时，显示屏上会显示我的学号，温度值，还有它的温度范围。具体如下图。图 5-4 结构图 （2）系统运行时，温度超过或低于我所设定的预定上下限的值，蜂鸣器会产生尖锐的鸣叫。 图 5-5 结构图 6 结论温度是工业、农业生产离不开的物理量，它也是不断变化的，有的很高，有的很低，导致人们要控制温度。 无线温度采集报警一直是单片机甚至是日常生产生活中十分常见的领域，除了在生活中人们十分常用以外，生产中也是逐渐融入无线通信的内容。本系统设计的基于单片机
33、的无线通信系统就是一个典型例子。本系统主要是采用了温度这一物理量来作为传输数据，是因为温度无处不在，无论是在日常生活或者是在工业生产上，都起着至关重要的作用，同时温度也是比较容易获取的物理量，而本系统的主要实现功能还是数据的无线通信，由此也产生过许多麻烦，所幸还是全部解决了。本次设计主要是将采集过的数据进行处理传输，主要是设定一定的上下限值，如40度和15度等，如果不在限定值间，就会进行显示报警。本系统优点显著，不仅不需要许多数据线，也可以将人们从糟糕的生产环境中解放出来，成本不需要太高，维护是费用也低。但是它缺点也有，就是传输数据的速度可能会慢，还有它传输的距离不够长。对于传输速度慢这种情况
34、，可以去除周围一些干扰信号的物品，或者加强它的信号强度；对于传输距离不够，可以运用无线室外桥接来增加。通过这次的学习与设计，学到了许多东西，例如对于温度传感器的应用，无线传输模块的使用以及无线传输数据出现问题时应该如何解决等，这些对于理论知识来说是完全不够的，是需要不断具体的实践与应用的，再次印证了只有实践才能出真理。与此同时，本系统设计也还具有一些不尽人意的地方，需要不断改进。参考文献1 冉伟刚.温室大棚数据采集系统D.兰州大学,2010.2 孙永坚.基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计D.吉林大学,2014. 3 郑磊.基于GPS的精确农业自动变量施肥控制系统的研究D.吉林大
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