摘 要：
随着科技的进步，各种新产品，新操作和微控制系统进入人们的生活，目前我国电子产业方面的主要操作系统和微控制系统，受到历史因素的影响，主流还是国外的相关操作系统。国内本土操作系统和微控制系统发展困难，但是随着工业和农业的快速发展，很多农业温度控制大棚，和恒温车间也摒弃了传统的一些温度控制方式，并且缠着智能化快速发。远程测控成为了当下主流设计，低功耗和远距离、抗干扰成为了衡量温度控制系统优劣的标尺。在此契机，以基于LoRa传输技术为基础，构建温度控制系统。该系统实现了采集点温度实施监控，并且实现远程传输实时监测数据，可在远距离收集温度并记录温度信息。整个温度控制系统在硬件上主要包括单片机，集成传感器DS18B20温度传感器， LoRa传输模块。软件方面分为两部分，一是在LABVIEW环境下创建了上位机前面板，用于远程显示，记录温度信息，同时绘制温度动态图像。二是以KEIL为依托进行编写下位机部分程序，实现对温度的采集和设定值的对比以及和上位机之间的传输。该设计实现了对温度的测控，既满足了远距离传输又满足了抗干扰能力强的特点。全文除了理论设计外，还进行了实物的制作经过测试，整个系统具有比较完善的软件功能，生产成本比较低，性价比比较高，具有一定的实用意义，可使用在多种应用场景。为实际生产活动中的具体操作提供一定的参考意义。
关键词：单片机；LoRa；温度；无线传输
1 引 言
1.1课题背景及意义
二十一世纪是人类科技发展迅速，进入信息时代以来更是突飞猛进。与此同时，温度控制也成了一个尖锐的话题。温度的不稳定会直接影响和我们的日常生活和工作尤其是在工业和农业生产中，影响十分显著，甚至会成为决定性因素。因此，在社会生活和工农业生产中的各个方面对温度进行测量和控制就显得尤其重要。随着科技的飞速进步的过程中，工艺生产水平不断提高，有关温度检测领域的技术也越发成熟，在对温度进行检测的过程中，相关设备的发展也逐渐朝向智能化、小型化、低功耗的方向进行发展。单片机技术具有集成化程度高、操作性能稳定、使用便利等优点，利用单片机作为整体系统的控制基础，智能加湿器的设计在实际应用过程中具有较强的优越性。对于温度的实时监测和实施控制，无论是在工业生产，还是在人们日常生活等其他方面都有重要的作用。温度作为重要的检测和控制参数，在工业自动化生产过程中，能够直接影响到产品设备的研发成败，例如实验室、仓库存储、厂房加工的工艺生产控制场合，都需要对所处环境的我温度进行有效地调节，才能保证工业生产过程中的产品质量。在传统工业生产过程中，对于环境类的温度检测以及控制工作，主要是通过人为来进行的，主要是通过轮流值换班巡逻等方式来记录生产环境的状态信息，利用这一方式，整体系统管理效率偏低，大量的人力资源的投入极大影响了投资成本，整体操作缺乏科学性[1]。
目前，各种温度传感器相继推出，在世界范围内显示出新的特点和技术，温度传感器的作用是测量采集和转换信号传输数据和各种类型的温度传感器发挥各自的作用和价值在不同领域的社会生产和工业技术。系统内部编程时设置了温度范围。单片机可以快速高效率的将温度传感器发送的数据处理，并且可以将处理后的需要显示的信息传送到液晶显示器上直观的显示温度状态。同时，它也与设定值里面的程序来决定是否加热或冷却的温度设定值比较。环境条件下的温度指数是很多工作场所的一个重要指标。无论是食品储存、医药管理、图书保存，还是工业和农业计量和计量检定，都需要符合工作要求的温度环境条件[2]。温度是最难保护的指标。鉴于此，研制一种可靠实用的温度控制器显得尤为重要。类似的控制在许多方面都适用。无论是日常生活用品还是工业设备，在不同的场合，系统设计都是不同的。这次设计在整体上能够实现智能化的控制能力实现，满足日常生活中用户对于产品的功能需求，在产品开发以及市场推广上具有重要的现实意义[3]。
1.2 国内外发展现状
温度采集系统，不仅适用于工业生产，同时对于农业生产活动都有很强的作用，关于温度监测领域。利用虚拟仪器技术引入到温度监测系统的控制中，利用虚拟仪器的温度监测系统的设置[4]。不仅可以保证整个温度监测系统的灵活以及可靠性，同时设计成本低廉，保证功能完善，伴随着科学技术的发展，研究技术日益完善，具有较强的现实意义。在对于环境监测数据的传统方式上来看，主要是利用一些专业的仪器设备来进行测量工作，但是由于这些测量设备在体积上较大，同时实时性能不高，在测量精度上存在一定的误差，同时需要通过人为工作进行检测，需要耗费大量的精力，这种方法不能够满足现代化快速发展的经济社会下[5]。对于监测数据的需求，人工化的测量操作需要通过大量数据记录以及不间断地测量工作才能够实现整体的监测，监控信息数据会随着季节变化出现误差。是基本原理是一样的。该系统可用于日常生活中空调温度的自动监控温度监控。它也可以用在飞机、潜艇和宇宙飞船上。生命探测器监测和控制温度和湿度。这个话题被广泛使用，涉及面广。特别是在当今智能设备和信息时代大数据飞速发展的今天，它已经渗透到我们生活的各个方面，在电力柜中使用该系统，降低了运行成本和生产成本，安全可靠。随着科学技术的突飞猛进和普及，人们对各种高性能设备的要求也随之不断的提高，在不同的行业和不同场景对温度的控制要求也越来越高。传统的温度监测方法，是以人力为基础，主要是凭借着人工值班、人工不断按时巡检等其他方式来测量和记录环境状态信息。在这种模式下，不仅效率低，不利于人力资源的充分利用，而且缺乏科学性[6]。
1.3 主要内容
此次课题设计的主要内容分为以下几个主要部分，第一章主要介绍是绪论部分，主要是针对课题写作的背景进行必要的阐述，同时结合实际情况，表明课题写作的现实意义，同时结合课题的研究现状进行分析，表明研究的现实必要性。第二章主要是论文的系统设计部分，主要包括论文整体的设计框图，以及各个器件的选型。第三章主要是系统设计的硬件模块设计，包括各个模块的电路设计，以及与系统的连接。第四章主要是系统设计的软件部分，具体介绍系统工作过程中应用软件程序，原理图以及相关流程图的设计。第五章是从硬件以及软件两个部分出发进行系统的测试工作，最后对全文进行总结，同时对未来发展提出展望和方向。
2 系统设计
2.1系统的组成及方案设计
如图2-1为整个系统的设计，主要工作是利用单片机来进行温度的采集并通过LoRa传输模块传输到到PC电脑。
在硬件上，主要是利用STC89C52单片机来作为整体的核心控制元件，由温度采集模块,LoRa传输采集模块以及其他相关电路组成。软件方面分为两部分，一是在LABVIEW环境下创建了上位机前面板，用于远程显示，记录温度信息，同时绘制温度动态图像。二是以KEIL为依托采用C语言进行编写下位机部分程序，实现对温度的采集和设定值的对比以及和上位机之间的传输。。
系统的组成结构如下：
图2-1 系统整体框图
2.2 主控制器方案设计
方案一：选用单片机鼻祖的STC89C52型号作为本次LoRa传输系统设计的核心模块。作为51系列单片机使用最多范围最广的STC89C52芯片已经经过了数十年的产品验证洗礼，正是说明该控制器有着得天独厚的产品性能和兼容性优势。STC89C52单片机管脚数量不多，所能搭载的外围IO设备受限，但正是因为其外围设备数量的限制可以最大优势的发挥其处理效率高的作用，单片机内部具有存储单元和烧录接口，很容易对单片机控制程序重新擦写和调试操作，非常便于开发者的尝试设计且无需再新增存储单元，片内的存储单元对于普通案例绰绰有余。STC89C52单片机的最大优势是在经过多年的产品验证和性能优化，已经将其性能提到最优状态并且成本控制的非常低。对于产品的市场化具有很好的推进作用，且性能稳定可满足大部分客户的需求[7]。
方案二：选用MSP系列的430型号处理器来作为本次LoRa传输系统设计的核心模块。MSP430处理器的驱动操控相对简单，处理器内部总线数量4条，数据通道最大可支持到16位数据同时进行收发操作，在开启全速处理频率时整体功耗仍能保持的很低。但是MSP430也存在致命的2个缺陷，一是其电压非通用的5V，而是偏低的3.3V，因此系统均需要配置一组电压转换电路，无法适应现代化的USB直供的便利趋势。二是片内存储单元仅支持单次烧录，若需重新烧录必须解除加密通道的读写限制，对于初学者来说添加了一道琐事，另外其IO接口电路未做静电和过压过流防护，对于此类需要搭载各种外设输入设备需求的课题背景下显得风险系数大，稳定性不足。
方案三：选用STM系列的STM32型号处理器来作为本次LoRa传输系统设计的核心模块。STM32处理器是高性能的单片机，处理频率属于最高级别，时钟频率跨度可实现36MHz到72MHz的过渡切换，其片内的SRAM容量相比其他处理器优势太明显，同时在此配置下其成本和功效相比51系列单片机无较大差异，STM32处理器在很多智能化领域广泛使用，特别是智能家居、智能环境监测等需大量采集参数的应用场景下。其强大的可编程性及兼容性也是吸引了一大波忠实的使用者，即便是初学者也不会在适应STM32芯片处理器上花过多的时间，综合评价很高[8]。
通过对各芯片的优劣分析，最终考虑到本次设计的背景，从易编程序、兼容性及成本上首先进行考量，排除了MSP430处理器方案，另再通过整体方案的接口评估，本次课题所需的处理速度要求高，因此可选用51单片机作为本次系统设计的主控制器，减少设计的复杂程度，并且有效控制成本，使整个方案更具有产品性。
2.3温度传感器选择
方案一：采用热电偶加模数转换芯片的形式来进行温度检测，热电偶是一种会随着温度的变化其相应的阻值会进行变化的器件，其工作的范围非常广，根据材料的不同其可以工作在几千摄氏度的高温环境和零下上百度的低温环境，其检测精度较高。但是由于其变化的是模拟量，所以需要配合高精度的模数转换芯片，通过单片机对热电偶输出的模拟量进行转换出来后才能对温度进行识别。因此其整体设计过程较为复杂。
方案二：采用数字式温度传感芯片DS18B20，该芯片为一线制工作，单片机只需要一根线对其进行控制就可以读取相应的温度。其工作范围可以达到零下40到正120摄氏度，可以满足一般的正常工作需要。其被大量的用于工业家居等日常生活中，稳定性好，价格便宜，可靠性高[9]。
综上所述，考虑到温度传感器的监测精确性的目的，所以采用方案二。
2.4 无线通信模块的选取
方案一：采用蓝牙无线通信模块。 蓝牙模块是一种在2.4G定频的一种电磁波，传输信息量大并且传输速度最高可达1024Kbps，蓝牙通信的距离目前可实现的最远通信指标为半径为10米的一个圆形区域，其实根据蓝牙通信理论是可以实现百米通信，但目前的技术瓶颈造成蓝牙远距离传输的功能暂时无法实现。
方案二：采用LoRa无线通信模块。LoRa的一个定频在2.4 GHz-2.5 GHz 的ISM频段，通信距离可实现的是5米内的方圆区域信号传输。因此该模块的收发频率不高，整体的工作功耗极低，很适合长期维持工作的应用[10]。
根据题目要求，在此选择LoRa进行无线通信设计。
3 系统硬件设计
3.1控制电路设计
在本次设计中选择了STC89C52单片机，其封装引脚如下图所示，其一共有40个引脚，封装形式主要有DIP和SOP两种封装形式。其引脚共有P1-P4四组，每组8个引脚。其本身为8位单片机，符合MCS-51单片机指令集，内部集成了16K大小的FLASH存储器，方便用户反复进行程序的烧写，同时还可以将数据保存在里面以便上电不丢失。其内部带有3个定时器和2个外部中断，通过简单的配置就可以实现相应的功能。鉴于其使用的简易性，在此围绕其进行设计。
图3-1 单片机引脚图
3.1.1 晶振电路
晶振即石英振荡器，它是一种对其加电就可以产生稳定频率信号的物体，而这种特性，被广泛用于控制器的基准时钟，即晶振电路决定了单片机的实际运行速度[11]。晶振电路产生相应的时钟信号给单片机，单片机对该信号进行倍频或者分频的处理后就给单片机的内核作为基准。在此外部晶振是12MHZ的，而STC89C52单片机内部对其进行12分频，则STC89C52单片机执行一步大约1微秒的时间。其晶振电路如下图所示，为了使得晶振产生时钟信号时稳定，通常会配置两个pF级别的小电容以使其更好的工作。
图3-2 振荡电路
3.1.2 复位电路
在实际工作环境中，由于存在着各种各样的干扰或者突发情况，因此有必要设计一种电路，可以使得整个系统重新开始运行，这种电路就叫复位电路。如下图所示为复位电路原理图，其主要由按键和电阻电容组成，虽然只有3个器件，但是其功能却包括上电复位和手动复位两种功能。手动复位，即当按键按下时，单片机的RST管脚从低变高，进入了复位状态，此时单片机内部会中断当前的程序执行，重新从整个程序的第一条指令开始运行。而上电复位，则是利用电容充电效应，在上电瞬间，电容处于短路状态RST为高，单片机也是复位状态，等电容充满电了，RST管脚才变低，单片机进入工作状态开始执行。
图3-3复位电路
3.2辅助电源供电
对于本系统来说，无论是51单片机芯片还是液晶显示等其他器件，在此都是采用的5V电压，且要求稳定，而系统的输入往往会有波动，因此需要采用稳压芯片，在此拟采用LM7805芯片，改芯片是一种三端稳压芯片，其只有三个引脚，分别是电压输入，电源输出脚和电源地。从封装来看它的结构和MOS管，三极管之类差不多[12]。
LM78系列芯片与LM79系列是相对的，LM78是应用在正压电压，而LM79是则是负压变换上，其结构也基本类似，对于LM7805，其输入范围高达30V，所以只要在30V以内的电压输入都可以转换成5V输出，当然也不能太低，输入的电压至少在6V以上。同时其内部还自带有过流、过热等保护电路，其电流输出能力达到1A以上[13]。
图3-4 LM7805CT芯片电路模块
3.3温度检测模块
在本次课题中需要对相应的温度进行检测，而对于温度的检测通常有热电偶和集成式的数字IC温度检测方式两种方式。在此选择了后者，具体在采用了DS18B20这数字型温度检测芯片。其封装形式有插件和贴片两种形式，除了电源供电外就只有一根线，因此主控制器只需要一个关键对其进行操作就可以进行温度的检测了[14]。
对于DS18B20温度芯片，其温度检测范围非常广，从零下55到正125都可以检测，且精度达到0.01度，满足本次设计的需求。
图3.5DS18B20的管脚图图
图3-6 温度传感器接口电路图
对于SOP封装的DS18B20，其有效引脚数依旧只有3个，其余都是NC空引脚。对于该温度传感器，其内部除了温度检测元件外，通过集成有数字IC将其转换为数字信号给主控制器，同时配备了存储器用于储存数据。其还用于温度报警功能，可以通过主控制器预置写入相应的报警预置到DS18B20芯片中，当其检测到的实际温度大于预置时，便会输出相应的信号，以便控制器及时作出响应。
3.4 LoRa传输模块
由于在次加入了LoRa传输控制功能，因此在硬件电路上需要选择合适的LoRa传输模块，在此采用的是ATK-LoRa-01传输模块，该模块内部集成了32位的高速精简MCU，性能强，速度快，工作可靠稳定。在工作频率上支持80M和160MHZ两种频率段，同时支持RTOS系统，当前LoRa传输的协议栈功能在处理能力上只用了一小部分，还预留有70%以上的空间给用户进行二次开发。在控制上，其可以通过存储器相连，也可以通过AHB接口等方式相连[15]。
ATK-LoRa-01的关键接口提供了丰富的操作空间，其主要可以分为SPI接口，PWM接口，IIC接口，UART接口等，几乎涵盖了主流的通信控制方式，工作电压支持3.3V到5V的宽电压工作区间，单片机只需要通过串口等方式对其进行命令操作就可以直接实现LoRa传输传输控制功能。
3.5 LCD显示电路
关于显示电路的设计部分，市场上的主流选择主要是OLED技术和LCD技术，前者显示具有自发光的功能，整体使用视角范围较大，具有较高的分辨率，同时拥有可弯曲的性能，大多是应用于智能设备上。而后者LCD技术在应用环节中，主要是利用电路控制来点亮背部光亮，但是在现实效果上一般。但是LCD技术主要可以利用单片机编程操作来实现显示的系统实时画面，能够方便显示系统数据参数，整体操作较为简单灵活。综合比较，此次设计主要是选择LCD作为整体系统的显示模块，这次设计是选择LCD1602液晶模块来对系统用进行显示操作，基本上可以满足所有字符输出的必要性。系统内部单片机利用数据口来对应时序接口，就可以实现对液晶显示内容进行控制，只需要通过改变软件就可以对指定位置进行显示操作，整体过程操作简单。同时由于液晶显示的电源参数与单片机系统保持一致，所以通用电源可以直接使用，减少了切换电源的设计复杂过程。LCD1602的具体电路图如图3-7所示，实物图如图3-8所示。
LCD1602液晶在显示过程中，主要是依靠数据库内部的多种数据以及字母组合，电块的明暗程度就可以显示出所要显示的字符，但是显示的字符数据会控制的对应的点亮。同时在使用过程中，LCD1602液晶显示还有许多附带功能，包括光标显示以及相对应的闪烁，在初始化的过程中进行控制，同时显示效果也可以进行控制精致或者是滚动显示。LCD1602液晶显示主要是通过数据口进行数据输入工作。数据口有8个输入的引脚，相对应的电路图如图3-7所示。不同端口的作用具体如下：WR主要针对读写进行操作控制，EN为使能控制，D0到D7为数据输入口。
4 软件设计
4.1 系统开发环境简介
4.1.1系统硬件开发环境
1985年Protel Systems Pty Ltd（后更名为Altium）推出基于DOS的PCB设计工具Protel PCB，在早些年的DOS环境下的PCB设计软件在国外得到了电子行业的大众普遍接受，在电子技术的不断进步中，利用PCB设计软件，Altium硬件开发加大设计产品的应用范围，能够在系统中进行原理图输入、PCB自动布线等设计工作。同时Altium可以帮助用户进行设计过程中的信息进行管理，可以根据自身需求，自动进行程序的配置工作。Altium应用功能完善，可以编辑输出的文本框，完善系统内部电路的分裂速度，特殊的管理器。同时可以制定笛卡尔坐标系和极坐标。在用户使用过程中，可以为原理图转移至PCB的过程中提供功能创建的支持。
图4-1 单片机硬件开发环境图
4.1.2系统软件开发环境
此次基于LoRa传输的温度控制系统设计编写过程中，主要要是利用LABVIEW环境下创建了上位机前面板，同时在Keil软件进行下位机系统程序的开发，Keil软件能够为程序开发过程中提供众多开发工具，同时可以为系统进行仿真调试，整体上提升系统设计中的开发速度。
LABVIEW是由国外的NI公司开发的一种程序开发环境，这与JAVA语言开发环境JDK比较类似。图形化编辑语言G语言是LABVIEW采用的是编写语言，编译后生成的程序是一种框图的形式。
Keil软件在开发工具上主要包括编译器、宏汇编器、调试器和仿真器，连接器，IDE，库管理，实时操作系统等。MDK-Keil开发环境对Keil进行了优化，以满足与MCU设备和嵌入式ARM处理器如Cortex-M的开发人员的要求。
4.2主程序流程图的设计
对于本次基于LoRa构建一个温度检测网络控制系统的设计来说，它采用了温度检测模块，按键模块等，其整体流程图如下图所示。
图4-4整体流程图
4.3 LoRa传输流程图的设计
在此采用LaRa传输进行数据的传输，其整体流程图如下图所示。
图4-5 LoRa传输流程图
5 系统测试及实现
单片机微控制系统通过前面部分的整体设计和功能完善，基本完成了设计的硬件部分和软件设计开发和调试。元器件布局和安装后，在系统的程序存储器中写入编制好的应用程序并且做好程序测试，系统即可运行。但编制好的程序或焊接好的线路不能按预计的那样正常工作是习以为常的事情，因为在实际的制作过程中多少会出现一些硬件、软件上的错误。这时候我们就需要经过多次对硬件和软件调试去发现并改正一些发现的错误。对于此次设计调试大体上可分为硬件调试和软件调试。我们可以在有条件的情况下，根据本设计系统的需求性首先采用在PC机上用模拟开发软件进行检测和调试，然后进行硬件的组装与调试。
5.1 软件调试
在搭建完原理图后，我们就需要进行软件编程调试，在对软件进行调试的过程中，首先需要做的是在软件上对系统内部应用到的主程序以及各项子功能模块的程序进行相对应的调试工作，并在软件上进行完成调试，在运行和调试的过程中，需要考虑到运行和调试各程序语法的准确性，同时保证程序逻辑的可实行性，一旦发生调试出错的情况，需要及时对相对应的代码语句进行修改，避免输入以及逻辑的错误出现。然后需要将已经经过调试的可以正常运行的主程序以及各个子模块程序烧写到单片机内部，在调试好程序之后，通过观察液晶显示的具体情况，查看显示是否正确，然后利用单片机上的按键查看按键与单片机是否连接正常，可实现正常通信。用软件模拟器调试不需任何在线仿真器，也不需要用户样机，直接就可以在PC机上开发和调试。调试和修改完毕后，对于实时性要求不高的应用系统可以直接使用编程器将软件固化在目标系统ROM中，然后独立投入运行。
5.2 硬件调试
在实物测试的过程中，需要利用万用表以及直流电源和示波器对已经焊接好的电路板进行系统的整体调试工作，主要目的是为了检查电路板上的各个部件是否可以保证正常的运行工作，这一过程主要可以分为动态调试以及静态调试两个部分。在静态调试的工程中，首先应当里用肉眼进行过观察，主要是为了查看各个焊接点是为焊接完整，电路板上各个模块器件之间是否相互连接，各个管脚是否焊接清楚，避免路线由于焊接问题造成的短路现象的出现。然后利用万用表进行系统的调试工作，在具体的调试过程中，查看电源是否出现了短路的现象，避免出现管脚或者接连的基础性错误的出现。然后接通电源，查看整个系统在通电的条件下，是否可以确保电路板上的每个器件保持正常的工作，并进行逐一的调试。最后进行综合性的检查操作，这一方法主要适用于利用单片机作为整体系统开发的情况。而在动态调试的具体情况中，是在静态调试的基础之上，查看每个器件正常工作的具体状态，能够满足系统开发的具体功能的实现，保障系统整体性能良好运行，在实际调试过程中，此次系统的设计整体符合要求，测试正常。
5.3实物演示
上电前调试，首先需要完成实物的焊接，组装，需要有详细的器件清单。进行实物焊接组装，按照设计的电路图连接关系，对实物进行焊接，首先完成最小系统的焊接，焊接完成每一部分功能电路都要对该部分的电路进行短路检测，防止在焊接过程中有短路出现，等所有电路焊接完成，检测短路就比较困难。组装完成后不可立即上电，首先需要用万用板测量电源正负是否短路，防止在焊接过程中有虚焊，造成电源短路，上电是烧坏电路板。电源不短路后。实物图如图所示。
图5-1上位机测试图
图5-2labview程序框图
图5-3温度测试图
图5-4驱动测试图
总 结
通过这次对基于LoRa传输技术构建一个温度检测系统及整体结构系统设计，相比较传统的传输方式而言，在性能上提高了很多，比如在传输距离和抗干扰上有很大的提高，传输距离远是最大的优势。可以用在很多的场景，像农场和大型车间。此次论文主要工作是利用单片机来进行温度的采集并通过LoRa传输模块传输到到PC电脑。 在硬件上，主要是利用STC89C52单片机来作为整体的核心控制元件，由温度采集模块LoRa传输采集模块以及其他相关电路组成。在软件上，则以KEIL软件为开发平台进行设计，采用C语言进行程序编写。整体系统在硬件设计以及软件调试的基础上，完成了整体系统的设计工作，能够对温度进行检测，同时利用LoRa进行信息数据的传输工作，基本上完成了系统的设计功能，能够在实践中具有应用的推广意义。但是此次设计不足之处在于单片机采用的是STC89C52，是一款入门级别的单片机功能和数据处理比较单一薄弱，导致此设计的延展性比较差。在之后的工作学习中，需要不断加强相关技术研究，提高系统在应用过程中的传输效率、提高精准度，实现更好的温度检测以及信息传输能力。
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