《硅谷》杂志：近距离无线温控系统的设计 |
| 2013-03-20 17:52 作者：邓春饶 王洪宇 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。温度是一个在生产实际中应用广泛的物理量，温度的控制在一些生产中有着举足轻重的地位。介绍一种基于nRF401和STC89C52的近距离无线温度控制系统。本控制系统分为主机单元和从机单元。其中STC89C52单片机作为本系统的控制核心。从机单元的主要功能是进行环境的温度采集，主机单元和从机单元通过无线模块nRF410进行数据的信号传递，系统可以设置温度的上限和下限值，自动调节温度值，使温度位于上限值和下限值之间。并具有显示温度和超温报警的功能。
关键词：温度；STC89C52单片机；nRF410无线模块
0引言
在生产实际中温度的控制十分重要，但是传统的有线温度控制系统存在各种不足的缺点，无线传输通信以其节省传输线，使用方便等优点被广泛的关注。
1系统工作原理
首先从机单元通过温度传感器DS18B20采集环境中的温度，然后通过nRF401无线传输模块将温度值传送到主机单元中，主机单元中的单片机STC89C52获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。通过数码管可以显示温度值，当温度值超过通过键盘设定的临界值时，超温报警器发出报警。如果温度超过设置的上限值，则单片机发出信号使得继电器1工作，启动压缩制冷器，使得温度降到上限温度值以下。如果温度低于设置的下限值，则单片机发出信号使得继电器2工作，启动加热器，时的温度上升至下限温度值以上。
当所测量的环境中温度变化比较大或者是加热或者是降温的设备出现故障的时候，单片机通过三极管驱动蜂鸣器发出报警的声音。
1.1主控制芯片的选取
关于主控模块的选择STC89C52，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。属于增强型的8051单片机，工作电压5.5v~3.3v，它的低功耗功能虽然不如MSP430系列单片机的低功耗性能强大，但是考虑到本系统的硬件成本，STC89C52无安全可以满足本设计的要求，并且价格低廉，因此本系统采用了STC89C52作为本系统主机和从机的主控芯片。
1.2温度传感器的选取
DS18B20是具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围-55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
1.3无线传输模块的选取与设计
无线射频传输模块采用的挪威Nordic公司生产的nRF401无线收发模块。该模块使用433MHzISM频段，是真正的单片UHF无线收发一体芯片，他在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等，是目前集成度最高的无线传输产品之一。在无线通信的过程中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，即使发射方不发送数据，接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的乱数据，为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据，有一定的通信协议：
1）两个串口的数据发送均采用查询方式，数据接收均使用中断方式；
2）数据帧包括帧首和数据两部分，帧首使用双字节0x55AA，数据部分为1B，即每帧占用3B，帧首和数据部分均采用十六进制ASCII码传送，确保协议的透明性；
3）接收方如果接收到0x550xAA字节，则说明接收到有效的数据帧，否则将该帧丢弃。
如果硬件电路设计合理，元器件的选择恰当，再加上以上简单的通信协议，则可将误码率控制在0.2％以下。单片机上电后，首先对系统和串口进行初始化，然后单片机进入待机模式，直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式，处理中断程序。
2程序结构分析
数据采集与处理是STC89C52单片机的常用领域，除了电信号以外，单片机还可以利用传感器实现对非电信号的采集。本设计采用一种直接数字输入式的温度传感芯片DS18B20实现了单片机控制的数字温度计系统。基于DS18B20数字温度传感器构成的实时监控系统确实具有精度高、抗干扰能力强、电路简单等诸多优点，温度传感器得到电缆长度达到几十米都可以正常读取温度数据。相比之下，传统的温度检测系统采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号调理、AD转换处理电路才能将温度信号转换成数字信号，不但电路复杂，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的精度差，很难保证热敏电阻的一致性和线性，在应用中需要很好的解决引线误差补偿问题、共模干扰问题和放大电路零点漂移误差等技术问题。
在设计程序时，要注意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。
主程序调用了5个子程序，分别是LED数码管显示程序、键盘的扫描及按键处理程序、DS18B20温度信号处理程序、继电器控制程序、主机单元与从机单元无线通信程序。
键盘扫描电路及按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进入相应的程序。
温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。
数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。
继电器控制程序：当温度超过设定值的时候，控制继电器的启停。
3结论
本文该出了一种基于nRF401和STC89C52的一种近距离无线温控系统，该系统具有硬件简单，成本低廉，编程比较简单，可靠性高的特点。可以方便的应用于各种温度测量报警系统，方便的实现了温度的实时控制。
作者简介：
邓春饶（1986-），男，辽宁鞍山人，本科，助理讲师，青岛91206部队，研究方向：电子技术；王洪宇（1986-），男，吉林洮南人，本科，助理讲师，青岛91206部队，研究方向：电子技术。 |
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