基于ST C15单片机的白酒窖池无线温度监测节点设计

陈 杭，王小刚，2，谭 飞，刘 丹，2

（1.四川轻化工大学，自动化与信息工程学院，四川宜宾643000；2四川轻化工大学，人工智能四川省重点实验室，四川宜宾643000）

根据白酒行业的“十二五”规划，用现代化技术改造白酒工艺过程中各生产单元的传统操作模式，彻底将白酒生产从手工劳动生产方式中解脱出来，全面提高企业生产效益。与此同时，物联网的崛起和推广应用极大地促进了工业信息化进程，为酿造白酒精确测量、精细生产、信息无缝共享、高效管理提供了强有力的手段，使之成为可能。

目前白酒窖池温度采集方式主要有两种：一种为人工采集方式，由酒厂工人向窖池中插入温度计，频繁的插拔温度计不仅会浪费大量的人力和时间，而且窖池内部处于全封闭状态，温度计的出入会导致发酵环境被破坏，影响发酵工艺，每次插入的深度位置不同以及工人的主观读取因素都会导致测温数据的不准确；另一种为布线自动测温模式，将多根温度计插入窖池位置固定不动后通过电缆传送温度至电脑中，这种方式需要电缆密布在窖池周围，成本较高，且安全性不高，所以不适用。落后的测量装置和测量方式以及额外测量劳动力的加入，这些因素都影响着白酒的质量和产量，这种方式有三大弊端：一是测量范围有限，只能测量窖池内某点的温度，无法反映发酵过程中不同部位的升温变化；二是无法连续记录，并存在主观测量误差；三是破坏发酵环境，测量时会破坏酒醅发酵的厌氧环境。

采用无线监测技术不需要任何额外的布线，安装简单方便，稳定可靠，可维护性和可扩充性好[1-3]。在不改变现有的工作流程和方式的情况下，即可实现环境数据的自动采集、实现酿酒过程自动报警与查询生产状况。对于上述窖池温度采集问题，如何设计低功耗高性能的智能监测节点，准确采集窖池温度数据，是本文的设计重点和关键[4-6]。针对上述弊端，本文基于蓝牙技术设计一种无线的固态发酵窖池温度监测节点，该节点是一种利用STC15单片机读取温度传感器数据并将数据发送至接收端显示的设备。

1 节点模块设计

本文设计的无线监测节点的最终应用系统架构如图1所示，其中以无线的感知Sink节点实现对所在窖池发酵信息的采集，通过无线射频将信息上传到区域汇聚节点或中继，再由汇聚节点通过有线或者无线的方式传送到基站Base，厂房监测平台处理来自基站的信息，进而由车间技术人员得到窖池内部发酵信息从而对其发酵设备的参数进行调整，保证白酒的发酵质量。

图1 无线监测网络系统

对于图1中的无线监测节点，本文是基于无线蓝牙技术设计的一种无线的固态发酵窖池温度监测节点，该节点是一种利用STC15单片机读取温度传感器数据并将数据发送至接收端显示的设备，节点采用分辨率可达0.0625℃的温度传感器DS18B20，同时选用STC15W4K32S4单片机（图3）来控制整个系统运行，实现温度采集、发送与接收功能[7-8]。接收端节点的温度显示则选用LCD1602液晶模块，管理人员和用户不用就地测量即可实时查看所测窖池的温度值。

通过对本设计需求及白酒发酵窖池环境的分析，无线的监测节点拟采用图2所示的设计方案。在该设计中利用数字化温度传感器模块DS18B20对窖池内的环境温度进行采集，并通过与STC15W4K32S4单片机相连的信号线将所测温度数据传送给控制芯片；获取数据后，STC15W4K32S4单片机对数据进行分析和整理，再经过无线蓝牙模块发送至接收端；接收节点获取数据后，通过LCD1602液晶模块显示出来，可供检测人员实时查看。相对于传统的白酒发酵窖池测温方法，该系统能够更准确、更方便的实现测温功能，同时，在很大程度上减少工作人员的劳动量。

图2 节点模块设计图

图3 STC15W4K32S4引脚示意图

2 硬件设计

本设计中的硬件主要包括控制芯片、DS18B20温度传感器、蓝牙数据传输模块、LCD1602液晶显示模块。通过各模块协调工作实现温度采集与显示。

2.1 芯片选型

控制芯片是整个系统最核心的部分，就本设计而言，选用STC15W4K32S4这款单片机，因为其具有价格低廉、性能优良的特点。在实现系统所需功能的同时，还可以在用户不需要查看温度的时候进入低功耗模式，达到节约资源的效果。相对于传统的8051单片机来说，该款芯片运行指令的速度要快8～12倍，可以更方便地实现实时监测与显示。其次，STC15W4K32S4的晶振电路与复位电路都集成在片内，不需要外加。因此，选择该款芯片使得整个系统更加稳定，大大降低了故障率和系统成本。主控芯片引脚图如图3所示。

2.2 DS18B20温度测量模块

DS18B20是一种数字温度传感器，具有体积小、功耗低、工作电源宽泛的特点。其输出的是数字信号，将它的信号线与单片机的引脚相连接，通过编写程序即可控制该温度模块进行测量并获取温度数据。

相对于直插式封装而言，贴片式的封装更具有模块化的优势，在密封性及抗干扰能力方面的性能会更加优异，而本设计面向的是白酒窖池中不稳定的工作环境，因此贴片式的封装应当是不二选择。DS18B20引脚示意图如图4所示，该模块共8个引脚，其中VDD引脚接电源输入；GND为接地端；DQ是信号端，用于模块和单片机之间的数据与控制信号传输；其余NC则为空引脚，使用时不需要做任何连接。

图4 DS18B20引脚示意图

DS18B20的工作电源为直流3.0～5.5 V，也可以使用数据线寄生电源，此时其电源引脚需接地处理。正常供电的情况下，将其信号线与控制芯片直接相连，另外在信号引脚接4.7～10 K的上拉电阻即可，不需要再接其他外围原件。该模块的测温范围为-55℃～+125℃，完全可以满足商业级与大部分工业级测温的需求。4种配置的分辨率分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可通过设置实现不同精度的温度测量。

2.3 蓝牙传输模块

本设计中采用HC-05主从一体的蓝牙模块（图5、图6）来进行窖池温度数据的传输，当STC15W4K32S4单片机将温度传感器所测的窖池温度读出来并经过处理之后，再通过HC-05模块发送至接收端进行显示。该模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，输入电压在3.6 V～6 V之间。模块自带连接状态指示灯：LED快闪时无蓝牙连接，LED慢闪时表示进入AT命令模式。

图5 HC-05引脚图

HC-05蓝牙模块具有两种工作模式：命令相应工作模式和自动连接工作模式，通过控制模块外部引脚输入电平，可以实现两种模式的动态转换。当发送端与接收端的两个蓝牙模块配对成功后即可当做一条有线串口使用，此时支持8位数据位，1位停止位，无奇偶效验的全双工通信格式，这种常用的通信格式完全满足本设计的需求。值得注意的是两个模块必须设置为相同的波特率才可正常的传输数据。在与单片机相连时，HC-05模块的RXD(接收端)与单片机的TXD（发送端）相连，其TXD与单片机的RXD相连。图7所示为单片机与蓝牙模块的正确连接方式。

图6 HC-05实物图

图7 单片机与蓝牙模块连接示意图

2.4 LCD显示模块

系统在接收端收到温度的数据后，应当通过显示器将所测温度显示出来供检测人员查看，此处采用LCD1602液晶显示模块来实现，该模块是一种用5*7点阵图形来显示字符的液晶显示器，将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和液晶显示面板用PCB连接在一起，可显示16x2个字符，工作电压为直流4.5～5.5 V，模块引脚包括8条数据线，控制线与电源线均为3条，如表1所示。通过控制芯片向模块写入命令和数据，就可选择显示方式和显示内容。最终窖池温度将通过动态刷新的方式显示在LCD模块上，以确保温度数据的实时更新。

2.5 硬件电路设计

整个系统的硬件分为接收端和发送端，其实现原理大同小异。以接收端为例，如图8所示，STC15W4K32S4单片机的P0口与LCD1602模块的8位数据端对应相连，用于传输数据与命令字；P4.5口与LCD1602的使能端相连接，进行读操作时该使能端应为高电平，进行写操作时应输入脉冲；单片机P2.7口与其读/写选择端相连，用于对读写操作进行选择；P2.6口连接数据/命令选择端，可进行对数据/命令操作的切换。LCD1602的电源和接地端之间接一个可变电阻器，可用于调节显示的对比度。在与HC-05蓝牙模块连接方面，单片机则使用P3.0和P3.1的第二功能，即串口的发送与接收端，分别连接蓝牙模块的接收和发送端。当需要进行温度测量时，蓝牙模块将接受到的窖池温度数据通过固定的波特率由其TXD引脚传输给单片机，再由单片机控制LCD1602模块显示出来。需要注意的是整个接收系统必须使用同一个接地端，这样系统才可正常工作。

表1 LCD1602接口信号说明

图8 节点硬件电路设计图

3 软件设计

节点软件设计流程如图9所示，由于本设计利用蓝牙模块来传输窖池温度数据，所以在判断需要进行温度采集之后应进行蓝牙模块的配对，只有在建立连接的前提下才能获取数据进行显示。

图9 系统软件设计流程图

首先通过发送端的STC15W4K32S4单片机来控制传感器DS18B20采集窖池内温度，初始化测温模块，并根据时序发送温度转换命令，从模块中获取温度值的字节，最终将数据转化为十进制形式的数据，以便处理和发送；其次是通过HC-05蓝牙模块发送窖池温度数值，当发送端与接收端配对成功（双方指示灯常亮），并设置相同的波特率后即可进行数据传输，发送端单片机将要传输的字节放入特殊功能寄存器SBUF中，等待串口发送标志位置1时即表示已成功发送一个字节的数据，同样，传输进来的数据也是放在接收端的SBUF寄存器中，单片机从中获取数据进行处理即可。

就本设计而言，将波特率设置为9600时便可达到实时显示的目的。接收到数据后单片机控制LCD1602模块将温度显示出来：首先对该模块进行初始化，此时即可设置需要显示的模式以及光标是否闪烁/显示等，接下来便可对液晶模块写入数据，在对LCD1602模块进行写操作的时候需要注意的是应当在程序中首先对其进行“判忙”，即判断模块内部是否还有没完成的上一步操作，只有返回的参数表明模块处于空闲状态时才能写入新的显示数据，当然，这个过程是很短暂的，一般情况下都可在微秒级的时间内完成。因此，采用该显示器不会对实时显示的要求产生任何影响。当用户不需要查看温度时，整个系统处于低功耗模式，直至下一次启动工作时唤醒。

4 结论

本文设计的基于STC15W4K32S4单片机的无线温度监测节点，以单片机为主控芯片，通过与温度传感器、蓝牙模块、液晶显示模块的相互连接及程序控制实现温度的实时检测。极大地方便了用户对温度参数的测量。本设计根据实际需要充分考虑了功耗、测量精度、器件工作环境等因素，能够解放人力，提高温度监测精度，能为搭建白酒生产物联网监测系统提供基础数据采集模块。综上可以看出，该设计具有很大的可行性和实际意义。