溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.11.001

引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)要求的不斷提高，自動(dòng)監(jiān)測(cè)工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度已成為基本要求，溫度信息的采集成為生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理的重要要素。此外， 溫度信息的監(jiān)測(cè)在其他領(lǐng)域亦發(fā)揮著重要作用，如大樓火災(zāi)報(bào)警裝置等[1]。公路上的路面信息采集、溫度回饋也是系統(tǒng)的重要組成，如冷庫(kù)溫度的智能控制等[2]。隨著應(yīng)用空間的增大， 溫度采集的環(huán)境也愈加復(fù)雜。傳統(tǒng)的有線溫度監(jiān)測(cè)已跟不上時(shí)代的步伐。不論是公路上的高溫還是冷庫(kù)的低溫，對(duì)于電線來(lái)說(shuō)損害極大，而線路一旦損壞還可能帶來(lái)其他問(wèn)題。因而對(duì)于無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)的需求就顯得尤為迫切。

為此，本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)與串口轉(zhuǎn) WiFi 技術(shù)的溫度采集硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 51 系列單片機(jī)控制溫度傳感器采集溫度信息，由顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，然后利用串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊把溫度信息發(fā)送至 Android 平臺(tái)的溫度采集軟件上。設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)能與 Android 終端建立可靠、穩(wěn)定的鏈接，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)采集與顯示。

1 硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

溫度采集硬件系統(tǒng)基本方案如圖 1 所示。系統(tǒng)采用AT89C52 作為控制芯片，由晶體振蕩器提供時(shí)鐘頻率，溫度傳感器選用 DS18B20 采集信息，并通過(guò) LCD1602 液晶屏顯示。傳感器 DS18B20 采集溫度信息后，通過(guò) DQ 引腳與 AT89C52單片機(jī)的 I/O 口相連，單片機(jī)其他 I/O 口與 LM016L 液晶顯示器相應(yīng)引腳相連。對(duì)于Android 和WiFi 的整體硬件設(shè)計(jì)部分而言，主要設(shè)計(jì)建立硬件采集系統(tǒng)與串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊的通信連接，并通過(guò)串口轉(zhuǎn) WiFi 將信息發(fā)送出去。用戶在 WiFi 設(shè)備附近通過(guò)Android 手機(jī)接收信號(hào)，由程序讀取硬件采集的溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度傳感器、顯示模塊、串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊組成。

1.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和單片機(jī)組成 [3]，

其仿真圖如圖 2所示，其中時(shí)鐘電路的晶振為 11.0592MHz。

1.2.2 傳感器模塊

系統(tǒng)采用 DS18B20 溫度傳感器，該傳感器主要由 64 位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和TL、配置寄存器 [4] 組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。ROM 中的 64 位序列號(hào)已在出廠前被光刻好，可將其看作是該 DS18B20 的地址序列碼，每個(gè) DS18B20 的 64 位序列碼均不相同。64 位 ROM的排的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼為 CRC=X8+X5+X4+1。ROM 的用處在于使每個(gè) DS18B20 具有唯一性，實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20 的目的。Proteus 仿真如圖 4 所示。

1.2.3 顯示模塊

系統(tǒng)采用 LM016L 液晶模塊顯示，該模塊由 HD44780 控制[5]。HD44780 具有簡(jiǎn)單、功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等功能。LM016L 與單片機(jī) MCU（Microcontroller Unit）可采用 8 位或 4 位并行方式通信。HD44780 控制器由兩個(gè) 8 位寄存器、指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標(biāo)（BF）、顯示數(shù)據(jù) RAM（DDRAM）、字符發(fā)生器 ROM（CGROM）、字符發(fā)生器 RAM（CGRAM）、地址計(jì)數(shù)器（AC）構(gòu)成，其 Proteus 仿真如圖 5 所示。

圖 5 LED 顯 示

1.2.4 串口轉(zhuǎn) WiFi模塊

系統(tǒng)采用有人科技串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊USR-WIFI232-L，具體使用步驟如下：

(1) 使用 USB轉(zhuǎn)串口線連接筆記本 USB口及串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊。

(2) 連接完成后，為串口轉(zhuǎn) WiFi模塊接通電源，紅色指示燈亮起約 20 s，綠色指示燈亮起。

(3) 此時(shí)可用手機(jī)連接 USR-WIFI232-T的WiFi。

(4) 打開(kāi)測(cè)試軟件 USR-TCP232-Test.exe，選擇硬件連接到計(jì)算機(jī)串口號(hào)（需與計(jì)算機(jī)所用端口號(hào)一致），點(diǎn)擊打開(kāi)。

(5) 打開(kāi)手機(jī)測(cè)試軟件，點(diǎn)擊 TCP Client切換界面，單擊“+” 按 鈕， 此 時(shí)會(huì)出現(xiàn)一 個(gè) 彈窗， 在 IP編輯 框內(nèi)填10.10.100.254，端口編輯框內(nèi)填 8899，單擊增加按鈕創(chuàng)建一個(gè)TCP連接，若提示連接成功，則證明已成功創(chuàng)建了該模塊的TCP連接。

(6) 輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

通過(guò)串口把溫度采集模塊和 Android 系統(tǒng)的接收模塊連接起來(lái)。首先，在電路上加串口電路，然后利用串口助手發(fā)送軟件串口信息。在電腦上連接一個(gè)串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊，使單片機(jī)的溫度信息通過(guò)串口以WiFi 形式發(fā)送出來(lái)。而后手機(jī)用戶可以通過(guò)自身應(yīng)用接收信息，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在Proteus 的電路中添加串口連接電路，且重新導(dǎo)入修改并編譯生成的 .hex 文件，插入串口轉(zhuǎn) WiFi 設(shè)備后打開(kāi)。通過(guò)設(shè)備管理器查看設(shè)備端口號(hào)，編輯 Proteus上COMPIM 的編輯屬性設(shè)置端口號(hào)保持一致。打開(kāi) Android 手機(jī)WiFi 連接轉(zhuǎn)WiFi 設(shè)備的熱點(diǎn)與溫度接收 APP，運(yùn)行仿真結(jié)果如圖 6 所示， 手機(jī)終端結(jié)果顯示如圖 7 所示。

圖6 PC界面Proteus仿真效果圖圖7 手機(jī)終端結(jié)果顯示

當(dāng)在 Proteus 平臺(tái)中設(shè)置溫度為 59℃時(shí)，信號(hào)通過(guò)串口模塊傳至串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊，再經(jīng)串口轉(zhuǎn) WiFi 模塊傳至手機(jī)端軟件。從圖 6 和圖 7 的結(jié)果可以看出，手機(jī) APP 顯示的溫度值與 Proteus 仿真平臺(tái)所采集的溫度一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)與串口轉(zhuǎn) WiFi技術(shù)的溫度采集硬件系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠較好地完成溫度的實(shí)時(shí)采集與顯示，具有一定的社會(huì)價(jià)值與廣闊的推廣前景。