單片機控制下的家居溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　引言

　　溫度是物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中一個十分重要的物理量， 對它的測量與控制有十分重要的意義。隨著各類物聯(lián)網(wǎng)家居的監(jiān)控日益改善，各類器件的溫度控制有了更高的要求，為了滿足人們對溫度監(jiān)控與控制， 本文設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)中基于單片機的多路無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

　　隨著信息科學(xué)與微電子技術(shù)的發(fā)展， 溫度的監(jiān)控可以利用現(xiàn)代技術(shù)使其實現(xiàn)自動化和智能化。多路無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)就是朝著這一目標進行設(shè)計的。本次設(shè)計要求利用單片機及無線傳輸模塊實現(xiàn)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)溫控范圍調(diào)節(jié)及其超溫范圍報警。

　　1 技術(shù)要點

　　由于本系統(tǒng)是一個實時監(jiān)控的系統(tǒng)， 對溫度的采集控制是實時的， 所以溫度采集的時間間隔， 數(shù)據(jù)發(fā)送接收的時間差，單片機與PC 機之間數(shù)據(jù)的傳送速度以及上位機程序?qū)?shù)據(jù)的分析處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過對溫度傳感器，無線模塊的優(yōu)化選擇，實現(xiàn)單片機與PC 機通過高速USB 接口進行通信及對上位機代碼的優(yōu)化實現(xiàn)本系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能， 同時還要考慮的是溫度傳感器的各個參數(shù)，無線模塊的參數(shù)，以及硬件電路的優(yōu)化搭建問題。

　　2 硬件及軟件設(shè)計

　　為了使系統(tǒng)能夠最優(yōu)化的工作， 系統(tǒng)的硬件器件選擇將是十分重要的問題。

　?。?）溫度傳感器的選用

　　系統(tǒng)是做溫度監(jiān)控的， 首要的工作就是如何選取溫度傳感器， 正確的選擇溫度傳感器對系統(tǒng)的性能和價格有著重大的影響。就溫度傳感器的溫度測量范圍、精度、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度。等幾個因素的比較分析，本系統(tǒng)選用的是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20 溫度傳感器。選用該傳感器的原因有： ①DS18B20 與微處理器僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊，簡化連接難度；②無需其他的AD 轉(zhuǎn)化器件，降低成本， 也減少了硬件制板的費用； ③可供使用電壓范圍大：3.0V 到5.5V 都可以使用，器件的功耗較低；④測溫分辨率高，最高可達0.125 度，便于溫度精確控制；⑤支持多點測試，多個DS18B20 可以并聯(lián)在一根線上，實現(xiàn)多點測溫。

　?。?）無線模塊的選用

　　本系統(tǒng)是多點監(jiān)控， 同時他的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線傳輸?shù)?，所以無線傳輸模塊的需要支持多點的數(shù)據(jù)的傳送?？紤]穩(wěn)定性， 傳輸數(shù)據(jù)的速度， 錯誤率等方面， 本系統(tǒng)選用的是NRF905 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，選擇該模塊的原因有：①433MHZ開放ISM 頻段免許可證使用，無需額外申請頻段；②傳輸速率高，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達50KB，滿足實時監(jiān)控的需要；③自帶有CRC 糾錯功能，抗干擾能力強。所需電壓僅3.3V，功耗低；④125 個頻道，支持多點通信，滿足系統(tǒng)多點監(jiān)控的需要。

　?。?）主控芯片選用

　　ATmega16 是ATMEL 公司推出的一款基于AVR RISC 構(gòu)架的低功耗CMOS 的8 位單片機。ATmega16 在16MHz 時有16MIPS 的運算速度，具有兩周期硬件乘法器，從而使得設(shè)計人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡， 且非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器資源較大能滿足程序代碼設(shè)計需要。外設(shè)資源豐富：2 個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時/計數(shù)器；一個獨立預(yù)分頻器和比較/捕捉功能的16 位定時/計數(shù)器；支持4 路PWM 輸出、8 路10 位ADC。支持TWI 接口、USART、SPI 接口多機通信滿足擴展功能的需要。

　　（4）其他外圍器件

　　USB 與PC 機通信中USB 控制芯片PDUSBD12,顯示模塊1602，報警蜂鳴器等。

　2.1 系統(tǒng)的硬件連接方法

　　硬件方面主要由兩部分組成， 溫度采集發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接受分析控制部分。

　　2.1.1 溫度采集發(fā)送部分

　　主要的連接器件有NRF905 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，DS18B20溫度傳感器采集模塊，1602 顯示模塊，報警模塊，及溫度異常處理模塊。其連接方法如圖1 所示。主控芯片M16 通過SPI 總線協(xié)議向無線模塊發(fā)送配置信息，使其工作初始化。溫度傳感器與M16 的連接使用的是單總線協(xié)議，來采集溫度。顯示芯片1602 來顯示采集到得溫度，同時使用蜂鳴器作為報警裝置，當溫度有異常時單片機會控制加熱設(shè)備或降溫設(shè)備來對異常進行處理。

　　2.1.2 數(shù)據(jù)接收分析控制部分

　　主要的連接器件有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，USB 傳送模塊，和PC 機構(gòu)成。其電路連接如圖2 所示。同樣主控芯片M16 通過SPI 總線協(xié)議向無線模塊發(fā)送配置信息，使其工作初始化。接收到溫度后通過PDUSBD12 芯片利用USB 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 機上，可以直接在VC 界面上顯示。PC 機可以自動分析數(shù)據(jù)是否存在異常，當存在異常時，PC 發(fā)送控制信號來遠程控制加熱或降溫設(shè)備對異常進行處理，同時發(fā)出報警信號，這樣可以將危險降到最低，實現(xiàn)自動化與智能化。

圖1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送   圖2 數(shù)據(jù)接收與分析

2.2 軟件程序的設(shè)計

　　由于系統(tǒng)由兩個模塊構(gòu)成， 所以軟件程序的設(shè)計也分為溫度采集發(fā)送模塊程序設(shè)計和數(shù)據(jù)接受分析控制模塊程序設(shè)計。

　　2.2.1 溫度采集發(fā)送模塊

　　主要需要設(shè)計的程序有NRF905 的內(nèi)部寄存器配置，溫度傳感器溫度采集程序，液晶顯示模塊程序，報警系統(tǒng)程序。程序流程圖如圖3：

圖3 主程序流程圖

　　2.2.2 數(shù)據(jù)接受分析控制模塊

　　主要需要設(shè)計的程序有NRF905 的內(nèi)部寄存器配置，USB模塊的驅(qū)動編寫，上位機程序的建立，由于篇幅有限，源代碼及流程圖不再給出。

3 系統(tǒng)的工作流程

　　本系統(tǒng)主要由兩個模塊組成， 溫度采集發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊。

　　3.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊

　　該模塊的主要功能是采集溫度和發(fā)送數(shù)據(jù)。主控單片機發(fā)出命令開始有DS18B20 進行溫度采集， 溫度傳感器將采集到的溫度傳回主控芯片，在1602 上進行顯示，然后主控芯片通過SPI 總線將數(shù)據(jù)傳送給無線發(fā)送模塊NRF905，由無線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時主控芯片會檢測溫度是否異常，當溫度出現(xiàn)異常時會發(fā)出報警信號，同時啟動異常處理模塊。

　　具體工作流程如圖4：

圖4 采集發(fā)送模塊工作流程

　　3.2 數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊

　　該模塊的主要功能是接收和處理數(shù)據(jù)， 由單片機控制無線模塊接收數(shù)據(jù)， 同時控制USB 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 機上去，PC 機接收到溫度后會對溫度進行分析處理，當溫度由異常時，會發(fā)出報警信號，同時通過將控制指令發(fā)送至單片機，通過無線模塊來遠程控制異常處理模塊執(zhí)行工作， 從而實現(xiàn)異常自動處理和雙報警， 從而最大限度的確保被監(jiān)控地的預(yù)警和安全。具體工作流程如圖5：

圖5 接受監(jiān)控模塊工作流程

　　4 結(jié)語

　　對本系統(tǒng)進行遠距離具體溫度測試有， 經(jīng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)實地溫度采集與上位機顯示數(shù)據(jù)完全吻合， 且能實現(xiàn)實時溫度監(jiān)控。同時可以通過PC 機對單片機進行遠程控制，性能穩(wěn)定。

　　本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線技術(shù)實現(xiàn)的， 不僅僅可以用在物聯(lián)網(wǎng)家居上，還可以在很多環(huán)境條件惡劣，且不容易鋪設(shè)電纜的地方使用，同時移動起來比較方便，在不久的將來會有更大的利用價值。