Thiết kế phần cứng và phần mềm của hệ thống giám sát nhiệt độ không dây sử dụng máy vi tính đơn chip

Để làm cho hệ thống hoạt động tối ưu, việc lựa chọn các thành phần phần cứng hệ thống sẽ là một vấn đề rất quan trọng.

(1) Lựa chọn cảm biến nhiệt độ

    Hệ thống này là để theo dõi nhiệt độ. Nhiệm vụ đầu tiên là làm thế nào để chọn cảm biến nhiệt độ. Việc lựa chọn chính xác cảm biến nhiệt độ có tác động đáng kể đến hiệu suất và giá cả của hệ thống. Về phạm vi đo nhiệt độ, độ chính xác, thời gian đáp ứng, độ ổn định, độ tuyến tính và độ nhạy của cảm biến nhiệt độ. Sau khi phân tích so sánh một số yếu tố, hệ thống này chọn cảm biến nhiệt độ DS18B20 do Công ty bán dẫn DALLAS tại Hoa Kỳ sản xuất.

Những lý do để chọn cảm biến này là:

DS18B20 và bộ vi xử lý chỉ cần một dòng để thực hiện giao tiếp hai chiều, đơn giản hóa khó khăn của kết nối;

Không cần các thiết bị chuyển đổi AD khác, giảm chi phí và cũng giảm chi phí cho bo mạch phần cứng;

Phạm vi điện áp khả dụng rộng: Có thể sử dụng 3.0V đến 5.5V, mức tiêu thụ điện của thiết bị thấp;

Độ phân giải đo nhiệt độ cao, lên tới 0,125 độ, thuận tiện cho việc kiểm soát nhiệt độ chính xác;

Hỗ trợ kiểm tra đa điểm, nhiều DS18B20 có thể được kết nối song song trên một đường thẳng để thực hiện phép đo nhiệt độ đa điểm.

(2) Lựa chọn mô-đun không dây

    Hệ thống này là giám sát đa điểm và truyền dữ liệu của nó thông qua truyền không dây, vì vậy mô-đun truyền không dây cần hỗ trợ truyền dữ liệu đa điểm. Xem xét tính ổn định, tốc độ truyền dữ liệu, tỷ lệ lỗi, v.v., hệ thống này sử dụng mô-đun truyền dữ liệu không dây NRF905. Các lý do để chọn mô-đun này là:

433MHZ mở sử dụng miễn phí băng tần ISM, không cần phải xin thêm băng tần;

Tốc độ truyền cao, tốc độ truyền dữ liệu cao nhất có thể đạt 50KB, đáp ứng nhu cầu giám sát thời gian thực;

Với chức năng sửa lỗi CRC, khả năng chống nhiễu mạnh. Điện áp yêu cầu chỉ 3,3V, tiêu thụ điện năng thấp;

125 kênh, hỗ trợ giao tiếp đa điểm, đáp ứng nhu cầu giám sát đa điểm của hệ thống.

(3) Lựa chọn chip điều khiển chính

     ATmega16 là một vi điều khiển 8 bit CMOS công suất thấp dựa trên khung RISC của AVR được giới thiệu bởi ATMEL. ATmega16 có tốc độ tính toán 16MIPS ở mức 16 MHz, với hệ số nhân phần cứng hai chu kỳ, để các nhà thiết kế có thể đạt được sự cân bằng giữa mức tiêu thụ năng lượng và tốc độ thực thi, và tài nguyên bộ nhớ dữ liệu và chương trình không biến động đủ lớn để đáp ứng thiết kế mã chương trình nhu cầu. Nguồn tài nguyên ngoại vi dồi dào: 2 bộ định thời / bộ đếm 8 bit với chức năng bộ đếm và bộ so sánh độc lập, 1 bộ đếm thời gian / bộ đếm 16 bit với bộ đếm trước và chức năng so sánh / chụp độc lập, hỗ trợ 4 đầu ra PWM, 8 kênh ADC 10 bit. Hỗ trợ giao diện TWI, USART, SPI giao tiếp đa máy để đáp ứng nhu cầu của các chức năng mở rộng.

(4) Các thiết bị ngoại vi khác

Chip điều khiển USB PDUSBD12, mô-đun hiển thị 1602, còi báo động, v.v. trong giao tiếp giữa USB và PC.

2.1 Phương pháp kết nối phần cứng hệ thống

Phần cứng chủ yếu bao gồm hai phần, phần thu thập và gửi nhiệt độ và phần điều khiển nhận và phân tích dữ liệu.

1.1.1 Thu thập nhiệt độ và gửi một phần

    Các thiết bị kết nối chính là mô-đun truyền dữ liệu không dây NRF905, mô-đun thu nhận cảm biến nhiệt độ DS18B20, mô-đun hiển thị 1602, mô-đun báo động và mô-đun xử lý bất thường nhiệt độ. Chip điều khiển chính M16 gửi thông tin cấu hình đến mô-đun không dây thông qua giao thức bus SPI để khởi tạo công việc của nó. Kết nối giữa cảm biến nhiệt độ và M16 sử dụng một giao thức bus duy nhất để thu thập nhiệt độ. Chip hiển thị 1602 hiển thị nhiệt độ đã thu thập, đồng thời sử dụng còi làm thiết bị báo động. Khi nhiệt độ không bình thường, máy vi tính chip đơn sẽ điều khiển thiết bị sưởi hoặc thiết bị làm mát để xử lý sự bất thường.

1.1.2 Phần kiểm soát phân tích nhận dữ liệu

    Các thiết bị kết nối chính bao gồm mô-đun truyền dữ liệu không dây, mô-đun truyền USB và PC. . Tương tự, chip điều khiển chính M16 gửi thông tin cấu hình đến mô-đun không dây thông qua giao thức bus SPI để khởi tạo công việc của nó. Sau khi nhận được nhiệt độ, dữ liệu được gửi đến PC thông qua chip PDUSBD12 bằng giao thức USB và nó có thể được hiển thị trực tiếp trên giao diện VC. PC có thể tự động phân tích xem dữ liệu có bất thường hay không. Khi có sự bất thường, PC sẽ gửi tín hiệu điều khiển để điều khiển từ xa thiết bị sưởi hoặc làm mát để xử lý sự bất thường, đồng thời gửi tín hiệu báo động, có thể giảm thiểu nguy hiểm và nhận ra sự tự động và thông minh.

1.2 Thiết kế chương trình phần mềm

    Do hệ thống gồm hai mô-đun, nên thiết kế chương trình phần mềm cũng được chia thành thiết kế chương trình mô-đun thu và truyền nhiệt độ và thiết kế mô-đun điều khiển phân tích chấp nhận dữ liệu.

1.2.1 Mô đun nhận và gửi nhiệt độ

    Các chương trình chính cần được thiết kế là cấu hình thanh ghi bên trong của NRF905, chương trình thu nhận nhiệt độ cảm biến nhiệt độ, chương trình mô-đun LCD và chương trình hệ thống báo động.

1.2.2 Module điều khiển phân tích chấp nhận dữ liệu

    Các chương trình chính cần được thiết kế là cấu hình thanh ghi bên trong của NRF905, trình điều khiển viết mô-đun USB và thiết lập chương trình máy tính phía trên. Do không gian hạn chế, mã nguồn và biểu đồ luồng không được đưa ra.