基于IAP15F2K61S2單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何伶俐

(湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430070)

在溫度控制領(lǐng)域,遠(yuǎn)程控制已成為一種重要的技術(shù)手段?；贗AP15F2K61S2單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)可通過(guò)傳感器模塊,實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度、濕度等參數(shù),通過(guò)單片機(jī)模塊控制數(shù)據(jù)傳輸及邏輯處理,使用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制溫度的目的。該系統(tǒng)可用于各類(lèi)遠(yuǎn)程溫度控制場(chǎng)景,如工業(yè)自動(dòng)化控制、空調(diào)、溫室種植等。對(duì)基于IAP15F2K61S2單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,分析其組成、原理、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等,為相關(guān)研究提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求及目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì),包括系統(tǒng)組成、硬件設(shè)備、軟件編程等。在基于IAP15F2K61S2單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需提升系統(tǒng)性能、功能及可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分:①傳感器模塊。這是采集溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的核心部件,可使用溫度傳感器、濕度傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。與單 片機(jī)模塊連接,將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)模塊[1]。②單片機(jī)模塊。這是系統(tǒng)的控制中心,通過(guò)編程控制數(shù)據(jù)傳輸及邏輯處理,對(duì)傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將處理結(jié)果通過(guò)通信模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端。③通信模塊。是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的重要部件,使用GPRS、Wi-Fi等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端,與單片機(jī)模塊連接,將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端。④遠(yuǎn)程控制終端。是用戶(hù)控制溫度的重要手段,使用手機(jī)、電腦等設(shè)備對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,與通信模塊連接,接收通信模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并將控制指令傳輸回單片機(jī)模塊。⑤電源模塊。是系統(tǒng)的動(dòng)力源,為各個(gè)模塊提供電力供應(yīng),保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

以上幾個(gè)部分相互連接,構(gòu)成了基于IAP15F2K61S2單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的完整框架。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮硬件設(shè)備的選型、軟件編程的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)集成等問(wèn)題,只有綜合考慮,才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、功能完善、可靠性高的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)?；贗AP15F2K61S2單片機(jī)的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)Fig.1 Design of remote temperature control system

2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊用于采集溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)需考慮采集精度、穩(wěn)定性等因素。使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度采集傳感器[2],采樣精度達(dá)±0.5 ℃,具有數(shù)字化輸出信號(hào),可直接與單片機(jī)進(jìn)行通信。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換原理公式如下:

(1)

其中,T代表溫度,R為傳感器輸出的16位數(shù)據(jù)的低字節(jié),H為傳感器輸出的16位數(shù)據(jù)的高字節(jié)。該公式可將傳感器輸出的16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度值,計(jì)算結(jié)果的單位為攝氏度。DS18B20傳感器采用單總線(xiàn)通信協(xié)議,只需使用一個(gè)IO口即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信,節(jié)省IO資源。

傳感器模塊的設(shè)計(jì)主要包括兩部分,即硬件設(shè)計(jì)與軟件編程。硬件設(shè)計(jì)包括電路原理圖、PCB設(shè)計(jì)等;軟件編程主要包括采集數(shù)據(jù)的算法及程序?qū)崿F(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)中要考慮傳感器供電、信號(hào)放大、濾波等,保證傳感器精度及穩(wěn)定性。在軟件編程中要實(shí)現(xiàn)與傳感器通信的程序設(shè)計(jì),對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及轉(zhuǎn)換,與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及處理。傳感器模塊框架見(jiàn)圖2。

圖2 傳感器模塊Fig.2 Sensor module design

3 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)模塊是遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心,具有數(shù)據(jù)采集、處理及控制等多種功能。該模塊采用IAP15F2K61S2單片機(jī),具有高性能、低功耗的特點(diǎn),集成多個(gè)模塊及外設(shè),包括多個(gè)定時(shí)器、ADC、DAC、UART、SPI等,可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求[3]。設(shè)計(jì)需考慮多種因素,包括系統(tǒng)性能、功耗、穩(wěn)定性等,使其與其他模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)及通信,確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括硬件設(shè)計(jì)與軟件編程。在硬件設(shè)計(jì)方面,需進(jìn)行電路原理及PCB設(shè)計(jì)。電路原理設(shè)計(jì)包括單片機(jī)引腳連接、外圍電路及傳感器模塊連接等。PCB設(shè)計(jì)是在電路原理的基礎(chǔ)上將電路連接到PCB板上,要考慮線(xiàn)路布局、阻抗匹配、信號(hào)完整性等因素,確保電路的穩(wěn)定性及可靠性。在軟件編程方面,要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制及通信等功能,考慮單片機(jī)模塊的性能及功耗等因素。數(shù)據(jù)采集是通過(guò)傳感器模塊采集溫度、濕度等參數(shù)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),送到單片機(jī)模塊進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及處理,得到系統(tǒng)所需的信息?？刂剖菃纹瑱C(jī)模塊根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號(hào),調(diào)節(jié)并控制溫度等參數(shù)。通信是將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程控制終端,包括串口通信與GPRS通信等技術(shù)。為了提高系統(tǒng)性能,可使用高效的算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),優(yōu)化編程代碼方式。選擇適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砑夹g(shù)及休眠模式,降低功耗,確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖3。

圖3 單片機(jī)模塊Fig.3 Single chip module design

由圖3可知,溫控系統(tǒng)包括傳感器模塊接口、通信模塊接口、控制模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。傳感器模塊接口用于接收溫度傳感器模塊采集的溫度數(shù)據(jù)。通信模塊接口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制終端之間的數(shù)據(jù)通信。控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)溫控設(shè)備進(jìn)行控制,如控制加熱器、風(fēng)扇等設(shè)備的開(kāi)關(guān)。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、校準(zhǔn)等操作,并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給通信模塊[4]。該模塊還需處理來(lái)自遠(yuǎn)程控制終端的控制指令,所有模塊共同協(xié)作,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的功能。

4 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊是遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)中的重要組成部分,主要負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程控制終端之間的數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)需考慮多種因素,如通信方式、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸安全性等。通信方式包括有線(xiàn)通信與無(wú)線(xiàn)通信。無(wú)線(xiàn)通信方式包括Wi-Fi、藍(lán)牙、GPRS等,其中GPRS通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。GPRS通信技術(shù)具有覆蓋范圍廣、傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。通信協(xié)議可選擇TCP/IP協(xié)議、HTTP協(xié)議等。TCP/IP協(xié)議具有可靠性高、傳輸速率快、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。數(shù)據(jù)傳輸速率的選擇需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。在溫控系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸速率不應(yīng)過(guò)高,但要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。

5 遠(yuǎn)程控制終端設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制終端是與溫控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵,可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制,主要包括硬件與軟件設(shè)計(jì)[5]。硬件設(shè)計(jì)包括終端設(shè)備的選型、電路原理及PCB設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)包括應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與通信協(xié)議設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中,要選用適合的單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信模塊、顯示屏等設(shè)備,設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路原理及PCB布局,考慮終端的外殼設(shè)計(jì)及電源管理等。在軟件設(shè)計(jì)中,要編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制。設(shè)計(jì)與溫控系統(tǒng)通信的通信協(xié)議,確保數(shù)據(jù)傳輸與接收的穩(wěn)定性及可靠性。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面:①用戶(hù)界面設(shè)計(jì)。為方便用戶(hù)使用,需設(shè)計(jì)一個(gè)友好的界面,包括數(shù)據(jù)顯示、操作按鈕等。②數(shù)據(jù)處理和控制。對(duì)溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及控制,實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定及報(bào)警等功能。③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理功能,便于數(shù)據(jù)分析及管理。④遠(yuǎn)程通信。實(shí)現(xiàn)與溫控系統(tǒng)的通信功能,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與溫控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。遠(yuǎn)程控制終端的通信協(xié)議設(shè)計(jì)需考慮以下幾個(gè)方面:①數(shù)據(jù)格式。定義數(shù)據(jù)格式,包括數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、校驗(yàn)等。②數(shù)據(jù)傳輸方式。定義數(shù)據(jù)傳輸方式,如采用TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議等。③數(shù)據(jù)傳輸速率。定義數(shù)據(jù)傳輸速率,確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性及穩(wěn)定性。④錯(cuò)誤處理。定義錯(cuò)誤處理機(jī)制,如數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí)的重傳機(jī)制等。

6 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)是一種對(duì)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制的系統(tǒng),由多個(gè)模塊組成,包括感器模塊、通信模塊、控制模塊及遠(yuǎn)程控制終端等,具有很強(qiáng)的實(shí)用性及可擴(kuò)展性,可應(yīng)用于各種遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化,達(dá)到最佳的性能及效果。