基于太阳能的节能温度测试系统设计

【摘要】太阳能电源无线测温系统是一种集温度信号采集、大容量存储、射频发送、LCD动态显示、控制与通信等功能于一体的新型系统。针对发电厂、孤岛、钻井施工等许多不宜进行有线测温和功率受限的场合。本文设计了一款基于太阳能的无线测温系统系统，具有功耗低，结构简单，适应性强等特点。

【关键词】温度测试;单片机;太阳能

1.引言

温度是工业，化工，航天等行业生产过程中最基本的环境因素，因此安全，快捷地取得温度就显得尤为重要，随着技术的不断发展，目前涌现出了各种各样的温度采集设备。这些设备大部分工作于复杂艰苦的环境中，目前大部分的测温系统仍然是基于电能的有线测温系统，然而在复杂的工业环境中，有线测温系统收到了很大的限制，使用nRF2401单片射频收发芯片制作无线通信模块，可以适应多种无线通信场合，具有能耗少，设计方便的优点。温度测试系统的电源设计非常重要，由于传统的基于电池的温度测试系统电池寿命较短，为日后的使用和维护带来了隐患，因此，本文选择在耗电量较小的温度检测设备中，使用新型的绿色可再生能源太阳能作为电源[1]。

2.温度测试系统结构及其原理

本文设计的无线测温系统由5个部分组成：无限收发模块，温度传感器模块，温度显示模块，太阳能电源模块和无线收发模块[2]。具体如图1显示：

图1 无线测温系统

图1所示的单片机控制系统由微型控制器AT89S52设计实现，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程，Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[3]。

无线收发模块由NRF24L01芯片设计而成，nRF24L01是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器。该器件工作于2.4GHz全球开放ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合增强型ShockBurst技术，其输出功率和通信频道可通过程序配置。通过NRF24L01设计温测系统无线装置，具有功耗小，功能完善，价格低廉等优势[2]。

目前市场上的温度传感器种类繁多，由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器组成的DS18B20是一种新型的“一线器件”[4]。它的体积小，使用时消耗能量比较低，适用范围广泛，特性非常契合本文设计温度测试系统的需求，与单片机相连时，只需连接单片机的一个I/O接口，并外接一个4.7K的上拉电阻即可使用，设计简单快捷。

上述三个模块相互结合，并外接太阳能电源，使用液晶显示器显示温度即可，温度测试系统全局设计具体如图2所示。

图2 温度测试系统具体设计

3.系统硬件设计

基于太阳能电源的无线测温系统的硬件系统结主要包括发送端和接收端，在发送端：系统采用温度传感器DS18B20采集温度，采集到的温度经单片机处理后由无线收发模块NRF24L01发射。在接收端：由无线收发模块NRF24L01接收来自发送端的数据，该数据经单片机读取后做后续处理。

3.1 电源模块设计

（1）发射机电源模块：采用太阳能电池和蓄电池相互结合供电，如图3所示：

图3 发射机电源模块

（2）接收端电源模块：采用USB供电，供电电路比较简单，如图4所示。

图4 接收机电源模块

3.2 无线测温接收模块的设计

nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引脚则可接STC12LE5408的任意端口，但需在编程时注意，这里接至P1端口，如图5所示：

图5 无线测温接收模块

3.3 温度传感器DS18B20的设计

DSl8B20是DALLAS公司生产的单总线数字1-Wire温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用1-Wire接口。DSl8B20的数据端DQ可通过4.7kΩ的上拉电阻接STC12LE5408。电路如图6所示：

图6 温度传感器DS18B20

4.软件系统设计

4.1 发射电路软件的设计

数据采集发送部分上电后首先配置nRF24L01的相关寄存器[5].使其工作在发射状态，然后复位DSl8B20，向DSl8B20发送温度转换命令，读取已转换的温度值，然后由nRF24L01发送.发送流程图如图7所示。

图7 数据发射电路

这里需注意DS18B20是单总线器件.其硬件接口比较简单，这是以相对复杂的软件编程为代价的。DS18B20与单片机的接口协议也是通过严格的时序来实现的。虽然增加软件开销，但由于STC12LE5408运行速度快，可以满足系统要求。另外，对DS18B20操作的程序必须按照初始化，ROM操作命令，存储器操作命令，执行/数据的先后顺序进行。如果总线上只挂1个DS18B20，初始化后可执行跳过ROM命令，再发送温度转换命令。温度转换完成后，将温度值暂存在发送缓冲区tx_buf中，然后通过nRF24L01发送。

4.2 接收电路软件的设计

nRF24L01在数据接收显示中为接收状态，当nRF24L01模块配置为接收模式后，当接收到数据中断时，从接收FIFO读取数据。然后将其存储到接收缓冲区rX_bur中。其接收流程图如图8所示。

图8 数据接收电路

5.实验结果

本系统基于单片机，利用NRF24L01的特点实现了无线测温功能，具有结构简单，使用方便，新能源电源等优点，由于同时使用太阳能和蓄电池电源，太阳能电源吸收的能量储备在蓄电池中，从而使得电池使用时间大大增强，具体使用中，温度测量基本符合要求，表1是温度测量对比结果

表1 温度测量图

DS18B20温度传感器 标准数字温度计

24.1℃ 24.2℃

25.2℃ 25.2℃

27.4℃ 27.5℃

33.0℃ 33.0℃

当建筑物很多的时候，收发电路均放置在地面时，能够达到的最佳通信距离为40～70m;在实验中发现，当有人员走动或其他信号出现的时候，通信的距离会变得不稳定，这是由于天线是一个辐射器件，在其附近的物质或尺寸的任何改变都会影响天线的性能，包括辐射增益分布、天线阻抗和调谐等等。表2是无线测定无线收发模块的传输距离。

表2 传输距离（无天线）

环境 传输距离（m）

无障碍物 38

在走廊 46

6.结论

本文实现了基于太阳能的温度测试系统，具有结构简单，成本低，易于操作，测量精确，适应性强等优点。可以在不同的环境测量温度，该测量系统性能稳定，使用时间长，适应大部分的测量场合，使用前景十分广阔。

参考文献

[1]何朝阳，戴君，吴立琴.基于STC12C5410AD太阳能路灯控制器设计[J].国外电子元器件，2007（3）：27-30

[2]王振，胡清，黄杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计[J].广东工业大学.

[3]张毅刚，彭喜元，鹏宇.单片机原理及应用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]刘卫民.集成温度传感器DS1820原理及应用[J].黑龙江科技信息，2008（21）：52.

[5]李蒙，毛建东.单片机原理及应用[M].北京：中国轻工业出版社，128-135.

作者简介：郭晓莉（1963―），河北高阳人，太原理工大学信息工程学院讲师，主要研究方向：有线电视网络，单片机。