孟亚男 黄迎旭 赵凯 王德平
摘 要：【目的】随着社会经济发展，温度检测系统在日常生产和生活中变得越来越重要。为准确检测温度及实现快速报警功能，本研究设计一种基于nRF24L01无线传输模块的温度检测报警系统。【方法】系统通过无线传输方式来实现温度检测和报警功能，整个测温报警系统由主机和从机两部分组成。主机和从机均采用STC89C52RC单片机，从机将DS18B20温度传感器检测到的温度数据通过无线传输方式发送给主机。当检测到的温度超过设定值时，主机部分的单片机就会及时报警。【结果】在单片机电路板上连接好各个模块的接线，烧录完程序后对系統进行测试。系统能快速准确地检测温度，当检测到的温度超过设定值时可迅速报警。【结论】系统具有硬件结构简单、功耗较低、成本低廉等优点，在家居、农业、工业等领域有很好的应用价值。
关键词：nRF24L01；
单片机；
DS18B20；
报警
中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）09-0006-05
DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.09.001
Abstract：
[Purposes] With the development of social economy， temperature detection system is becoming more and more important in daily production and life. In order to accurately detect the temperature and realize the rapid alarm function， this study designs a temperature detection and alarm system based on nRF24L01 wireless transmission module. [Methods] The system realizes the temperature detection and alarm function through wireless transmission. The whole temperature measurement alarm system consists of two parts ：
the host and the slave，which both adopt STC89 C52 RC single chip microcomputer. The slave sends the temperature data detected by DS18 B20 temperature sensor to the host through wireless transmission. When the detected temperature exceeds the set value， the microcontroller of the host part will alarm in time. [Findings] The wiring of each module was connected on the circuit board of the single-chip microcomputer. After downloading the program， the system will be tested and could detect the temperature quickly and accurately. When the detected temperature exceeded the set value， it could quickly alarm. [Conclusions] The system has the advantages of simple hardware structure， low power consumption and low cost， and has good application value in home， agriculture， industry and other fields.
Keywords：
nRF24L01; microcontroller; DS18B20; alarm
0 引言
无论是在日常生活中还是在工业生产中，温度都是一个重要的物理参数，很多场景都要用到温度检测。例如，在温室大棚、智能家居、锅炉设备中，需要快速、精准地检测温度，并能及时调整控制，保证现场安全。在社会经济发展过程中，人们对温度检测的精准性及控制要求在不断提高。在一些粮仓或农业养殖场所，温度的重要性不言而喻，有些场景要单点测温，有些场景则要多点测温，来保证农业生产安全，避免因温度异常而发生事故，造成不可估量的损失［1］。此前，无论是测量单点温度还是多点温度，大多采用直接布线的方式，使线路不仅结构复杂且维护困难，线路一旦老化，不仅报警失灵，还会引发一系列安全事故。因此，需要一种体型小巧方便、布线简单、性价比高、测量精度高、能及时发现温度异常变化并发出警报的测温仪器。针对现场环境需求，本研究设计出一种基于无线传输方式的温度报警系统，以STC89C52RC单片机为该系统的主控器件。nRF24L01无线通信模块既可单点传输，也可多点传输，选择DS18B20温度传感器来测量环境温度。采用不同封装结构，DS18B20可应用到不同场景中，能有效解决传统有线通信布线复杂的问题。该测温系统可应用到蔬菜大棚、粮仓储存、火灾报警、工业生产线等场景中。
1 系统总体设计方案
系统总体结构如图1所示，可分为主机和从机两部分。主机和从机都是由单片机控制的，二者均采用nRF24L01无线通信方式。从机部分监测点用DS18B20温度传感器来采集现场温度数据，将其传输至对应监测点的STC89C52RC单片机中，通过nRF24L01无线通信模块将采集到的温度数据无线传送至主机，主机将接收到的各个监控点温度显示在LCD显示屏上。当从机部分从某个监控点采集到的温度超过设定温度值上限时，主机部分的STC89C52RC单片机在显示出监测点温度的同时，能启动报警模块，发出报警信号［2］。
2 系统硬件设计
2.1 单片机模块
单片机最小系统是单片机模块的主要组成部分，一般由复位电路和晶振电路组成。本研究使用宏晶公司生产的STC89C52RC单片机芯片，其最大特点是接口设计灵活，与无线传输模块电路、报警模块电路等外接电路连接十分方便。STC89C52RC单片机的工作电源电压为2.7～6.0 V，共有五个中断源、两个中断优先级，正常工作模式下的功耗为4～7 mA，一般的USB供电口就能满足供电要求，也可通过变压、整流等设计所需的电路接口或使用干電池来供电。因此，电源电路可根据现场需求进行灵活设计。STC89C52RC单片机的性能高、造价低廉、功耗低，共有40个引脚，各个端口的引脚接线连接十分便利。STC89C52RC的封装方式有多种，本研究采用PDIP封装方式。PDIP封装方式下的单片机最小系统硬件连接电路如图2所示。
2.2 温度检测模块
温度传感器是一种重要传感器，常用于粮仓储存测温、电信机房测温、锅炉测温等领域，是一种非常重要的传感器类型。以往大多数场合使用的是模拟温度传感器，常用的模拟温度传感器有热敏电阻，工作时电阻值会随周围环境温度的变化而变化。模拟温度传感器先采集电阻两端电压，再将其转换为当前环境温度。随着科技发展，数字化温度传感器也投入使用，其外形小巧、接口简单，可应用在实际生产的不同领域［3］。
本研究选用DS18B20传感器来检测温度。DS18B20是一种使用单总线协议的数字化温度传感器，可将温度数据以数字信号方式传递给单片机，不用设计模数转换电路，使整体设计更为简便。STC89C52RC单片机与外围设备进行数据传输常用的串行总线有I2C、SPI和SCI。DS18B20温度传感器采用的单总线与上述三种总线不同，其单条信号线不仅能传输时钟，也能双向传输数据，线路变得更简单，方便线路的扩展和维护。该系统中的DS18B20温度传感器选择三脚直插式的封装方式，通过一个I/O引脚接口就能与单片机进行通信。此外，DS18B20测量精度很高，可有效测量的温度范围为-55～+128 ℃，内部电路集成有A/D转换器，使电路结构设计更加简单，还可减少温度数值转换造成的精度损失。由图2可知，DS18B20外部引出的三根引脚分别是GND、DQ、VCC，为保证正常使用，电源引脚还要接一个上拉电阻。DS18B20不仅抗干扰能力强，且体积小巧、封装形式多样，通过DQ引脚就能与单片机进行通信，接线十分方便。如果现场需要测试多个采集点温度，可将DS18B20所有的I/O接口连接在一起，使用多个从机和监测点来完成多点温度检测。
2.3 通信模块
nRF24L01是系统所使用的无线通信器件，也是本研究设计的创新点。随着单片机开发及各种数据通信方式发展，传统的有线测温方式将逐渐退出市场，取而代之的是通过单片机对温度数据进行无线传输，实现控制现场温度。
目前，国内单点测温和多点测温大多使用的是有线通信方式，有线通信不仅结构复杂、费用高昂，应用场景有限。在一些特殊场合中，要用到无线方式传输温度数据［4］。nRF24L01接口电路如图3所示，nRF24L01的5个数据通信传输引脚均连接单片机的P1口；
4号CE引脚为使能端口引脚，连接P13，通过引脚来选择发送或接收状态；
6号SCK引脚为时钟信号引脚；
8号MISO引脚为“主入从出”引脚，也就是控制端输入、接收端输出引脚；
3号SCN引脚为接收端选择引脚，Not为低电平有效；
5号MOSI为“主出从入”引脚，即控制端输出、接收端输入引脚；
7号IRQ引脚为中断引脚，与单片机的P33相连，也是低电平有效。假设无线通信模块接收到有效数据、到达最多重发次数或数据发送完成，会使中断引脚变为低电平，单片机将进入中断，根据此时寄存器状态来进行处理。nRF24L01芯片工作频段为2.4～2.5 GHz 的ISM频段，采用全双工通信方式，无论是发射数据模式还是接收数据模式，消耗的功率都比较低，符合节能要求。nRF24L01共有6个数据通道和126个通信通道，在Keil软件中，通过C51语言来设置工作频率、通信地址，能实现多点通信和调频的功能要求。整个通信模块分为两个部分，从机为发送信号部分，主机为接收信号部分。在程序初始化后，从机读取DS18B20温度传感器内部含有温度信息的数据，通过无线方式发送给主机。主机接收到温度数据后，在液晶屏上显示的同时，判断其是否超过设定值，若是超过设定值则报警，否则继续接收读取从机传送来的温度数据。
2.4 显示模块
LCD1602液晶显示屏作为显示模块，能满足基本的温度显示要求。LCD1602采用标准的16引脚接口，在STC89C52单片机控制板上部已标记好LCD1602的电路连接线位置，16位引脚口排列成一排，LCD1602液晶显示屏与STC89C52单片机可使用杜邦线进行连接，十分方便［5］。LCD1602芯片引脚电路如图4所示。显示模块可将测量到的温度信息及时显示出来。在软件编译中，需要提前定义好寄存器选择（RS）、读/写信号线（RW）、使能端（E）端口参数，DB0～DB7为8位双向数据线。显示模块作为子程序，主程序在需要显示时调用显示子程序即可，保证即使显示部分电路出现故障或显示屏损坏，系统仍能正常实现报警功能，保障现场安全。
2.5 报警模块
报警模块是用来产生报警信号，预防危险事故的发生。蜂鸣器作为报警模块，其工作原理比较简单，两块金属片通电后，其中一块金属片带有正电荷，另外一块金属片带有负电荷，二者因相互吸引而发生碰撞、震动，从而产生声音［6］。若是将蜂鸣器直接连接单片机上，蜂鸣器产生的声音较小。由图2可知，可通过三极管来增大蜂鸣器的报警音量。当检测到的温度值超过设定值时，系统就会控制P2.3引脚产生低电平信号，同时PNP三极管的发射结电流导通，此时放大电流流过集电极，驱动扬声器发出报警声音，引起相关工作人员注意。在单片机不需要发出报警信号或按下复位键重启时，P2.3引脚就会变为高电平，发射结和基极也就没有电流流过，无电流经过时报警器不会产生报警信号。
3 系统软件设计
系统软件设计是整个系统能安全、可靠运行的关键。使用Keil软件进行C51语言编程，最终在主函数中调用各个子函数程序来实现整体报警功能。在系统设计过程中，根据现场要求来选择单路温度采集或多路温度采集。在多路温度采集过程中，要设置不同通信频道来区分不同的采集点温度。软件系统的整体流程如图5所示。先对从机和主机进行程序初始化，从机将无线模块设置成发送模式，将温度数据发送至主机。主机将无线模块设置成接收模式，对接收到的温度数据进一步处理分析，若是超过设定的温度值，就会启动报警模块程序。
4 结语
本研究以无线传输作为主要研究对象，将温度
度检测、报警、显示等功能模块组合在一起，设计出无线温度报警系统。选择STC89C52RC作为该系统的主控制器，使用DS18B20数字型温度传感器采集温度数据、LCD1602液晶显示温度数据，一旦超过温度设定值，蜂鸣器便会及时报警［7］。无线温度报警系统的硬件设计克服有线报警系统建造复杂、易损坏、造价高昂等缺点，可简化布局，性价比也高。无线温度报警系统结构小巧、布局灵活，可安装在很多地方，且功能扩展较为方便，适用于多种测温场景，实际应用价值非常好。
参考文献：
［1］刘婷婷，王悠，李琦琦.基于单片机的烟草干燥温度控制系统设计［J］.物联网技术，2022（9）：85-86，90.
［2］杨宇.基于单片机和DS18B20的温度监控系统设计［J］.有色金属设计，2022（2）：
66-69.
［3］郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略［M］.2版.北京：电子工业出版社，2018.
［4］楊智霞.基于单片机的无线多点温度监控系统设计［J］.无线互联科技，2022（16）：
86-88.
［5］吴坤，何英昊.基于DS18B20的简易温度报警器的设计［J］.电子制作，2019（1）：83-84，61.
［6］乔学增.基于单片机简易温度报警器设计与实现［J］.佳木斯大学学报（自然科学版）， 2022（5）：51-54，114.
［7］张阳熠，程家勤，谢国雄，等.基于恩智浦MCU的温度/湿度控制器设计［J］.新乡学院学报，2022（9）：34-36，53.
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