1、 物聯網溫度檢測報警系統設計與實現摘要物聯網的定義是：通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。從技術上理解，物聯網理解是指物體通過智能感應裝置，經過傳輸網絡，到達指定的信息處理中心，最終實現物與物、人與物之間的自動化信息交互與處理的智能網絡。從應用上理解，物聯網是指把世界上所有的物體都連接到一個網絡中，形成“物聯網”，然后“物聯網”又與先有的互聯網結合，實現人類社會與物理系統的整合，達到更加精細和生動的方式管理生產和生活。對全部的硬件電路進行了詳細的討論，

2、包括串行LED驅動器的控制方式和工作原理，A/D轉換器，查詢式鍵盤，溫度傳感器的應用等。接著對軟件部分也作了仔細的思考，按模塊進行結構化程序設計，包括顯示、鍵盤、A/D轉換、溫度控制和溫度傳感器的程序說明并畫出各子程序流程圖等。最后進行了系統整體調試。溫度控制系統可以實現將溫度經過熱敏電阻轉換為電壓信號，經放大器放大后進入單片機進行A/D轉換成數字量后，通過LED靜態顯示電路以十進制形式顯示出來，同時顯示電路還將顯示設定的恒溫值且通過鍵盤可以改變設定值的大小。物聯網應該具備三個特征，一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融

3、合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。在業界，物聯網大致被公認為有三個層次，底層是用來感知數據的感知層，第二層是數據傳輸的網絡層，最上面則是內容應用層。感知層是物聯網的皮膚和五官識別物體，采集信息。感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網絡等，主要是識別物體，采集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用相似。網絡層是物聯網的神經中樞和大腦信息傳遞和處理。網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心、信息中心和智能處理中心等。網絡層將感知層獲取

4、的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經中樞和大腦。應用層是物聯網的“社會分工”與行業需求結合，實現廣泛智能化。應用層是物聯網與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現行業智能化，這類似于人的社會分工，最終構成人類社會。 物聯網的核心技術物聯網核心技術包括射頻識別（RFID）裝置、WSN網絡、紅外感應器、傳感器、全球定位系統、Internet與移動網絡，網絡服務，行業應用軟件。在這些技術中，又以底層嵌入式設備芯片開發最為關鍵，引領整個行業的上游發展。 RFID技術 RFID(Radio Frequency Identification的)，即射頻識別，俗稱電子標簽。 RFID射頻識別是

5、一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。 RFID是一種簡單的無線系統，只有兩個基本器件，該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。系統由一個詢問器（或閱讀器）和很多應答器（或標簽）組成。一套完整的RFID系統, 是由閱讀器(Reader)與電子標簽(TAG)也就是所謂的應答器(Transponder)及應用軟件系統三個部份所組成, 其工作原理是Reader 發射一特定頻率的無線電波能量給Transponder, 用以驅動 Transponder電路將內部的數據

6、送出，此時 Reader 便依序接收解讀數據, 送給應用程序做相應的處理。 WSN技術WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網絡。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。 傳感器 溫度傳感器是一種將溫度變化轉換為電量變化裝置。將溫度變化轉換為熱電勢變化的稱熱電偶傳感器。將溫度變化轉換為電阻變化

7、的稱為熱電阻傳感器；金屬熱電阻式傳感器簡稱為熱電阻，半導體熱電阻式傳感器簡稱為熱敏電阻。溫度傳感在工業生產、科學研究、民用生活等許多領域得到廣泛應用。電阻式傳感器廣泛被用于-200960范圍內的溫度。是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化而變化的性質而工作的，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值對應的溫度值。電阻式傳感器分為金屬熱電阻傳感器和半導體熱電阻傳感器兩大類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。對于熱敏電阻，需要了解以下幾點：（1）測溫原理及特性NTC熱敏電阻研制的較早，也較成熟。最常見的是由金屬氧化物組成。根據不同的用途，NTC又可以分為兩大類。第一類用于測量溫度。它的電阻值與溫

8、度之間呈負的指數關系。第二類為負的突變型，當其溫度上升到某設定值時，其電阻值突然下降，多用于各種電子電路中抑制浪涌電流，起保護作用。典型的PTC熱敏電阻通常是在鈦酸鋇陶瓷中加入施主雜質以增大電阻溫度系數。（2）熱敏電阻的應用熱敏電阻具有尺寸小、響應速度快、阻值大、靈敏度高等特點，因此它在許多領域被廣泛應用。（3）熱敏電阻的溫度補償熱敏電阻可以在一定的溫度范圍內對某些元件進行溫度補償。熱敏電阻可以用于溫度控制：溫度傳感器的作用是將溫度經過熱敏電阻Rt轉換為電壓信號。 設計要求設計任務和要求 檢測溫度范圍為0º100 º，采用箔電阻、精密電阻及電位器組成測量電橋作為溫度傳感器；

9、 可設定報警溫度上限值0º100 º，我們選的是超過60攝氏度的時候報警； 當檢測溫度超過設定上限值時，發出蜂鳴器報警聲，要求報警聲喃喃間斷發聲，頻率約1Hz； 系統組成及工作原理1.1溫度采集和放大首先，通過溫度傳感器(PT100,I<35MA)將溫度模擬信號轉化成一定的電信號，由于這個信號是一個相對較小和變化相對緩慢的信號，此時就需要一個對該信號放大的電路，考慮到有一定的干擾信號，而又要避免對干擾信號的放大，所以我們將采取差分放大電路，通過理倫計算當溫度100的時候，對應的電信號最大，約等于0.15，所以我們的差分放大倍數在30-100內可調節。1.2 信號的過濾

10、 信號采集和放大處理好了，我們知道任何一個信號的采集都會夾雜著一些干擾信號，所以這個時候要對這個信號進行過濾了，而我們需要的信號是一個變化很緩慢的信號，所以我們選擇2階低通濾波器，上限頻率約為100HZ，根據fh=1/2piRC，于是我們取R=5.1k，C=0.33uF.1.3信號的控制 如圖所示我們用到的是最普通的比較器，通過設定相應的閾值（0-5.6V可調），然后與采集到的信號做比較，當大于設置的信號時輸出低電平，當小于設置的信號輸出高電平。其中跟隨器是輸出電壓穩定，增加帶負載的能力。1.4蜂鳴器的驅動 根據設計要求當超過一定的溫度時蜂鳴器要以1HZ的頻率響，因此我們選了一個周期為1秒的方

11、波振蕩器，根據公式我們選R3=1.39M，C=0.33uF.當溫度超過設定的溫度時，比較器輸出低電平，有方波產生，蜂鳴器響，反之不響。1.5電源 先通過變壓器變壓，然后通過整流，濾波，問呀，最終我們得到正負12V和5V 的電壓。圖2-1 直流電源電路方框圖 信號的采集及報警電路的設計2.1溫度采集檢測 圖 3-1 PT100實物圖 pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0 時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工業原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。 PT100分度表溫度/

12、度阻值/歐姆溫度/度阻值/歐姆溫度/度阻值/歐姆0100.0040115.5480130.9010103.9050119.4090134.7120107.7960123.24100138.5130111.6770127.08110149.29表 3-1方案一： 1.電路圖 圖 3-2 方案一原理圖2.參數的選擇 由上圖可知PT100的在100-200之間變化，而通過PT100的電流不能大于35MA，所以我們選1K 的電阻來限流。3. 工作原理和調試方法（1）、調試方法： 當溫度是0攝氏度的時候，調節200歐姆電位器，使從1、2出來的電壓差為0， 并保持這個阻值不變。（2）、工作原理： 隨著溫度

13、升高，pt100的阻值也會隨著溫度的升高而增大，根據分壓原理，從1出來的電勢勢必會比1處高，形成一定的壓差，這樣就把溫度信號轉化了電信號了。方案二：1.電路圖 圖3-3 方案二原理圖2.參數的選擇 選取電阻R1為200歐姆，輸入的信號為直流電源5伏。3.工作原理 當外界溫度改變的時候，PT100的阻值R也會隨著改變，根據U0=-5R/R1可知此時輸出的電壓也隨著溫度的變化而發生了變化，這樣就把變化的溫度轉化了可變的電壓。方案的比較和選擇1.方案一（1） 、PT100總會存在一定的誤差，理論上0攝氏度的是對應的阻值是100歐姆，而實際上是有誤差的，我們在邊上加一個可調電阻可以通過調節減少這個誤差

14、。（2） 、電路只有電阻組成因此造價便宜。而且又能很好的實現電路的效果。2.方案二（1） 、外圍電阻的構造簡單，直觀而且不需要進行任何調試就能實現一定的效果。（2） 、由于運放會因為輸出電壓過大而工作在非線性區，所以檢測溫度的范圍比較小，同時方案二不能像方案一通過可調電阻去減少誤差，所以最后的誤差會大于方案一的誤差。2.2蜂鳴器驅動模塊1.設計原因 該系統是溫度檢測報警系統，當溫度超過某個溫度時，要通過一定去告知人們現在處于超溫狀態，所以我們通過去驅動蜂鳴器發出報警的聲音來告知人們。2.設計原理當運放的反相端輸入高電平，由于這是個比較器電路因此輸出的是就是低電平，這個時候（溫度沒有超過設定的溫

15、度），三極管工作在截止區，蜂鳴器不會響，當反相端輸入的是低電平，輸出高電平，通過給電容充電，然后放電產生方波，這個時候在半個周期工作在截止，在另外半個周期工作在飽和，從而控制了蜂鳴器以1HZ的頻率報警。3.參數的選擇 如上面的仿真電路圖1.3，產生的方波，周期接近一秒，根據公式T=2R3Cln(1+R2/R1),所以我們選擇了R1=R2=10K,C=0.33UF,R3=1.39M。如圖1.4蜂鳴器的驅動部分，其中二極管是防止基電極和射極電壓過高的，我們選了放大倍數為100倍的三極管9013，電阻選10k都是為讓三極管不在截止狀態時工作在飽和區。4.芯片資料LM324是常見的一種常見的集成運算放

16、大器，它具有14個管腳，其引腳圖見圖3-2，具體相關介紹見附錄2。 圖3-4 LM324管腳圖實驗中的電路如圖3-5所示圖3-5 蜂鳴器報警電路圖5. 報警模塊元器件清單序號名稱數量規格1電阻310k2電阻11M3電阻1390K4電容10.33UF5運算放大器1LM3246三極管1IN90137蜂鳴器18二極管1IN40076.仿真模塊 圖3-5 仿真 電路及系統調試4.1 組裝調試為了驗證實驗系統的合理性和可行性,需要對系統進行組裝調試。調試儀器：主要用到的是萬用表。1.直流電源的裝調選用一個變壓器，一個IN4007橋堆，一個LM7812，一個LM7912，一個LM7805，1個1k電阻，1

17、個發光二極管以及若干電容，接好直流穩壓電源電路。問題 用萬用表測量從LM7812和LM7912輸出的電壓值不對。故障排除 誤以為LM7812和LM7912是同樣的，導致電壓值不對。通過對這兩個穩壓芯片的拆裝，并不斷用萬用表在一旁測量，然后用萬用表測得LM7812和LM7912分別輸出12V和12V，滿足要求。最后，用萬用表測量從LM7812輸出的電壓值約為12V，從LM7805輸出的電壓值約為5V，從LM7912輸出的電壓值約為12V后，就完成了直流電源部分。2.溫度檢測放大電路的裝調選用一個PT100，兩個1k電阻和一個200電位器組成測量電橋作為溫度傳感器；選用一個LM324中的三個集成運

18、放，兩個1k、兩個390、兩個20k電阻和1個10k電位器組成放大電路。問題 組裝過程中由于LM324管腳多，易于弄錯，有接錯管腳的現象發生。故障排除 仔細核對檢查各管腳所對應的集運放和輸出電路，并用萬用表測試其輸入和輸出電壓。最后，通過改變電位器數值至最大阻值10k，經萬用表的測量，放大倍數約為60。3.濾波電路的裝調選用兩個5.1k、一個1k電阻，兩個0.33F電容和一個LM324中的一個集成運放，組成一個二階低通濾波電路。濾波電路起到對信號過濾作用，其所用元器件較少且電路連接較為簡單，基本上沒什么問題。4.控制比較電路的裝調選用一個510、一個1k電阻，LM324中的兩個集成運放，一個1

19、0k電位器，一個5.6V穩壓管和一個發光二極管，接好比較電路。這部分電路連接也較為簡單。最后，通過改變放大電路中10k的電位器阻值，并用萬用表測得電壓跟隨器的輸出電壓在05.6V變化；通過改變與比較器相連接的10k電位器阻值，控制電壓值來控制報警溫度。5.驅動報警電路的裝調選用三個10k、一個1M、1個390k電阻，一個0.33F電容，LM324中的一個集運放，一個IN4007二極管，一個IN9013三極管和一個蜂鳴器，連接好驅動蜂鳴器電路。問題 連接上比較麻煩，管腳易接錯。故障排除 通過個管腳接線的標示明朗化，使得各個管腳所對應的連線明確。由于這是系統的最后一個部分，也可以通過對整個電路的調

20、試來發現其問題所在，同樣可以對其它部分加以檢驗。4.2 總系統調試在各個部分都連接完成后，進行整個系統的調試工作。圖4-1系統電路圖（1） 、將PT100放入冰水混合物中，調節電橋中的電位器使U3的電壓為0伏，并一直保持R1的阻值不變。（2） 、將PT100放入剛加熱完的熱水中，保持U4的電壓為5.6伏（可調的最大的電壓），調節電位器R2使U3的電壓為5.6伏。（3） 、我們的溫度報警系統是在溫度超過60攝氏度的時候報警，因此我們的調試過程是，先將溫度加熱到60攝氏度，調節電位器R3直至讓蜂鳴器發聲。溫度（攝氏度） U1(V) U2(V) U3(V) U4(V) 0 60 100 附1元器件清

21、單：序號名稱規格數量1電阻1M12電阻390k13電阻20k24電阻10k45電阻1k66電阻51017電位器10k28電位器20019電容1000F210電容100F211電容0.33F512電容0.1F113二極管IN4007114穩壓二極管5.6V115發光二極管216三極管IN9013117橋堆IN4007118穩壓芯片LM7812119穩壓芯片LM7912120穩壓芯片LM7805121溫度傳感器PT100122運算放大器LM324223變壓器124蜂鳴器125萬用板2附2部分元件介紹：1.lm324簡介：LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標