基于ATmega16的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)

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　　隨著社會的發(fā)展和進步，越來越多的場合對溫度的要求日臻嚴(yán)格，溫度監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用日趨受到重視。在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)大棚、冷庫、培育溫室等眾多場合都需要溫度測量技術(shù)。傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)都是有線系統(tǒng)，對于一些需要多點測溫的場合，使用傳統(tǒng)有線測溫方式在布設(shè)、維護和更新方面存在著很多不便。為了解決這個問題，設(shè)計了一種基于單片機和無線收發(fā)模塊的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合溫度傳感器可以很方便構(gòu)建一個多點分布式智能無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1 無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

　　系統(tǒng)主要由兩部分組成。如圖1所示，第一部分是節(jié)點溫度測量系統(tǒng)，第二部分是溫度顯示管理終端。節(jié)點溫度測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量溫度，并將溫度值通過無線通信發(fā)送到溫度顯示管理終端。管理終端接收溫度信息并進行顯示和發(fā)出警報信號，而且在特殊情況下管理終端還可以逆向發(fā)送調(diào)控信息給節(jié)點溫度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度的調(diào)控。

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　　1.1 節(jié)點溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

　　節(jié)點溫度測量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，系統(tǒng)核心控制芯片采用AVR系列的單片機ATmega16。這是一款精簡指令集的單片機，高速度、低功耗，具有Sleep功能及CMOS技術(shù)，并具有高度保密性，可多次燒寫的Flash，具有多重密碼保護鎖死功能。另外內(nèi)置看門狗定時器(WDT)和片內(nèi)有RC振蕩器，使用起來非常方便。具有休眠省電功能和閑置低功耗功能，在實用性方面性價比相對較高。

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　　溫度傳感器模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它是美國Dallas半導(dǎo)體公司推出的一種智能數(shù)字溫度傳感器。DS18B20在與MCU連接時僅需要一條線(即單總線接口，加電源為三線接口)即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。使用DS18B20可以節(jié)省系統(tǒng)資源、使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單。DS18B20測溫范圍是-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。工作電源為3 V～5V/DC。在使用中不需要任何外圍元件，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。其中64位光刻ROM中存儲的是該DS18B20的地址序列號碼。其號碼的排列是：最初8位(28H)是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM中的地址序列碼可以區(qū)分每一個DS18B20，從而實現(xiàn)在同一根總線上掛接多個DS18B20。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，MCU(單片機)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：

　　(1)每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位操作

　　(2)復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令

　　(3)最后發(fā)送RAM指令

　　這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500 μs，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號后等待16～60μs左右，后發(fā)出60～240μs的低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。論文設(shè)計的測溫系統(tǒng)中每一個DS18B20在與MCU連接時各占用一個I/O口，則MCU控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換的步驟如圖3所示。

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　　nRF24L01是Nordic公司推出的高集成的單片無線收發(fā)器件。芯片具備自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能，速度可達2 Mbps，126個可選工作頻道，很短的頻道切換時間，可用于跳頻，其輸出功率，頻道選擇以及協(xié)議設(shè)置都可以通過SPI口進行設(shè)置。其Enhanced Shock Burst模式可以同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加微控制器的工作量。nRF24L01還具備同一頻道接收六路不同通道數(shù)據(jù)的功能，利用FDMA技術(shù)最多可實現(xiàn)750個點的數(shù)據(jù)采集，這使它成為無線溫度測量系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的最佳選擇。nRF24L01模塊在與MCU進行數(shù)據(jù)傳輸時，可以使用MCU普通的I/O口，系統(tǒng)中直接利用ATmega16的固有資源SPI通信口，這樣從一定程度上簡化了軟件設(shè)計過程。

　　液晶顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，設(shè)計中可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如A’。系統(tǒng)中1602采用的是8位數(shù)據(jù)線驅(qū)動，其控制端和數(shù)據(jù)傳輸均通過單片機的I/O口直接控制，電路如圖4所示。

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　　MCU-ATmega16、溫度傳感器DS18B20和液晶顯示器模塊1602都是用5 V供電電源。系統(tǒng)供電電源為5 V，可以直接使用。nRF24L01無線收發(fā)模塊需要3.3 V供電，所以采用REG1117-3.3芯片進行電源電壓變換，產(chǎn)生3.3 V電源供nRF24L01使用。ATmega16的SPI口在與nRF24L01無線收發(fā)模塊相接時，由于ATmega16輸出驅(qū)動電流偏大，可能會損壞無線模塊，所以要串聯(lián)2 k電阻以保護無線模塊。

　　1.2 溫度顯示管理終端

　　在溫度顯示管理終端，首先由無線收發(fā)模塊nRF24L01通過天線將節(jié)點溫度測量系統(tǒng)發(fā)送的溫度信息進行接收。通過單片機SPI串口將溫度信息數(shù)據(jù)采集到MCU，溫度不在正常監(jiān)測范圍則聲音模塊發(fā)出聲音報警。最后通過RS232通信，將溫度數(shù)據(jù)送到PC進行顯示和處理。整個系統(tǒng)的通信屬于雙工通信，在必要情況下，電路功能可以擴展，實現(xiàn)PC發(fā)出控制信號，通過反方向通信調(diào)節(jié)各個節(jié)點的溫度。

　　2 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，系統(tǒng)性能好。適合多種場合進行無線溫度監(jiān)測。