基于msp430的多點無線溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于msp430的多點無線溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

0基于信號傳輸?shù)亩帱c無線溫度檢測系統(tǒng)溫度在人類日常生活中起著非常重要的作用。同時，溫度檢測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用。現(xiàn)階段溫度檢測主要是有線定點溫度檢測,其溫度檢測原理為單片機(jī)利用溫度傳感器檢測溫度,并在數(shù)碼管或LCD上進(jìn)行溫度顯示。同時由于系統(tǒng)沒有報警功能,故需要人為來判斷是否需要進(jìn)行升溫或者降溫,這使系統(tǒng)的檢測喪失了實時性。另外,在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境,以人工方式直接操作設(shè)置儀表測量溫度也不現(xiàn)實,因此采用無線方式進(jìn)行溫度檢測尤為必要。目前有些設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)無線溫度采集,但功耗過高是其最大的缺點。在實際溫度控制過程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實時性,又需要使系統(tǒng)功耗低及保證溫度的均勻性,因此設(shè)計一種低功耗的多點無線溫度檢測系統(tǒng)很有意義。本文提出一種采用低功耗單片機(jī)MSP430F149單片機(jī)實現(xiàn)的多點無線溫度測量系統(tǒng),解決了上述問題。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對溫度智能化的檢測,能夠同時進(jìn)行多點溫度檢測,是可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無線溫度檢測系統(tǒng)。低功耗、實時性的無線溫度檢測是該設(shè)計的最大特點。1溫度控制模塊msp430系統(tǒng)分為下位機(jī)、上位機(jī)和PC機(jī)三部分。PC機(jī)是整個系統(tǒng)的最上層,負(fù)責(zé)對下位機(jī)的控制和管理,并對收集到的各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理。由于下位機(jī)無法直接與PC機(jī)通信,這就需要使用上位機(jī)作為中間媒介。上位機(jī)與下位機(jī)通過無線模塊通信,與PC機(jī)采用有線連接。該設(shè)計采用MSP430F149單片機(jī)作為核心控制模塊,其最主要特點為低功耗。MSP430F149具有雙串口的特點,利用其中的一個串行口與PC機(jī)進(jìn)行通訊時,兩者之間必須通過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)與無線發(fā)射模塊nRF24L01通訊時可通過通用I/O口模擬串口通訊。現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集是利用NTC100熱敏電阻和MSP430F149單片機(jī)部帶有的12位A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。這里不需要外加ADC,可以簡化電路,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將按鍵作為輸入模塊,用來改變溫度報警的上下限。由于設(shè)計要求不需要太多內(nèi)容的顯示,考慮到功耗及性價比,可以自制一個簡易段碼液晶用于顯示。下位機(jī)設(shè)計方案和系統(tǒng)整體構(gòu)成框圖分別如圖1,圖2所示。2硬件設(shè)計2.1增強(qiáng)保護(hù)模塊的應(yīng)用nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4～2.5GHzISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù),其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,有多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便,圖3為它的應(yīng)用電路。從單片機(jī)控制的角度來看,只需要將圖3中左邊的6個控制和數(shù)據(jù)信號與單片機(jī)通用I/O口相連。2.2溫度采集模塊t為了使整個系統(tǒng)的功耗更低,采用低功耗的熱敏電阻NTC100和MSP430149內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)溫度的采集功能。其理論分析與計算電阻值和溫度變化之間的關(guān)系。RT=RNeB(1/T?1/TN)(1)RΤ=RΝeB(1/Τ-1/ΤΝ)(1)式中:RT為溫度T(單位:K)時的NTC熱敏電阻阻值;RN為額定溫度TN(單位:K)時的NTC熱敏電阻阻值;T為規(guī)定溫度(單位:K);B為NTC熱敏電阻的材料常數(shù),又叫熱敏指數(shù)。常溫環(huán)境中,溫度為28℃,換算成開氏溫度為273.15+28=301.15K。通過多次測28℃及30℃環(huán)境下的數(shù)據(jù),如表1所示,取平均值,盡量減小誤差,算得B值。通過式(1)可得B=TTNTN?TlnRTRNB=ΤΤΝΤΝ-ΤlnRΤRΝ,將T,TN都轉(zhuǎn)化成開爾文溫度進(jìn)行計算得B=4064.34。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn),求得的阻值與測得的阻值很相近。圖4為溫度采集模塊,其中R1為熱敏電阻,R3為200kΩ電阻,R2為0～20kΩ的可調(diào)電阻,用來調(diào)整溫度計的準(zhǔn)確性。U0為檢測到的電壓,將U0接到單片機(jī)管腳,通過A/D轉(zhuǎn)換,將得到的電壓值轉(zhuǎn)換成溫度值,在LCD上顯示出來。2.3晶驅(qū)動icht121及配套圖像本次設(shè)計采用自制的16位段碼液晶進(jìn)行顯示。利用液晶驅(qū)動IC(HT1621)以及配套的液晶LCD玻璃片,自制16位段碼液晶。另外,驅(qū)動IC上裝有兩種頻率的蜂鳴驅(qū)動電路,可以實現(xiàn)報警功能。2.4pc機(jī)和分液模塊在溫度采集過程中,由于系統(tǒng)隨時需要將采集到的溫度數(shù)值通過PC機(jī)上的VC界面進(jìn)行顯示,因此需要在PC機(jī)和單片機(jī)之間進(jìn)行相互通信。由于PC機(jī)的RS232電平與單片機(jī)的TTL電平不同,因此用MAX3232芯片實現(xiàn)電平的相互轉(zhuǎn)換,這樣就可以實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的相互通信。3網(wǎng)絡(luò)熱敏電阻的模擬系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。下位機(jī)利用定時中斷發(fā)送溫度數(shù)據(jù),利用端口中斷設(shè)置溫度報警的上下限,其他時間處于低功耗模式3的狀態(tài)下,這樣可以大大降低功耗。上位機(jī)利用接收中斷接收數(shù)據(jù),并且利用MAX3232與PC機(jī)通信。NTC熱敏電阻的主要缺點是熱電特性的非線性現(xiàn)象嚴(yán)重,本次設(shè)計采用查表法對NTC熱敏電阻進(jìn)行線性化。線性插值法軟件流程如圖5所示。圖5中,0,R1,R2,…,RK是曲線上橫坐標(biāo)取值;0,T1,T2,…,TK是其對應(yīng)的縱坐標(biāo)。K的取值可根據(jù)所需溫度精度確定。溫度T的表達(dá)式為:T=TK+TK+1?TKRK+1?RK(Ri?RK)(2)Τ=ΤΚ+ΤΚ+1-ΤΚRΚ+1-RΚ(Ri-RΚ)(2)4測試結(jié)果和分析4.1東北部顯示系統(tǒng)溫度誤差的測試將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中,連好硬件線路,通過鍵盤設(shè)置好溫度上下限后,單片機(jī)開始采集溫度數(shù)值。如圖6所示,是下位機(jī)顯示界面,LCD顯示報警溫度的上下限、當(dāng)前溫度以及下位機(jī)的代號。經(jīng)過多次測試,將LCD顯示的溫度與普通溫度計進(jìn)行比較,得到表2中的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試,溫度誤差在允許范圍內(nèi),系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。當(dāng)采集到的溫度數(shù)值超過設(shè)定的上下限時,單片機(jī)就會發(fā)出報警信號,提醒用戶進(jìn)行溫度控制。4.2電流q測量當(dāng)下位機(jī)進(jìn)入LPM3(睡眠)模式,LCD不顯示,但內(nèi)部時鐘仍運(yùn)行,串入電流表,測量電流值,測得電流為4μA左右。證明系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了超低功耗。4.3觀察上位機(jī)接收的數(shù)字將無線模塊連接好,先進(jìn)行一對一的收發(fā)調(diào)試。讓下位機(jī)1控制無線收發(fā)模塊發(fā)送一連串有規(guī)律的數(shù),觀察上位機(jī)接收的數(shù)字。經(jīng)過測試,3路下位機(jī)系統(tǒng)都可以與上位機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的一對一收發(fā)。然后3個下位機(jī)都與上位機(jī)通信,進(jìn)行一對三的收發(fā)調(diào)試,上位機(jī)接收3路數(shù)據(jù),并且顯示。經(jīng)過測試,3路都能正常的工作,且誤碼率低,工作穩(wěn)定。無線模塊nRF24L01的最大傳輸距離大約為100m。4.4b檢查選取口腔通道是否正常首先進(jìn)行上位機(jī)的硬件連接,連接完成后進(jìn)行上電初始化并打開PC機(jī)的VC界面。當(dāng)VC界面正常打開時,會出現(xiàn)“串口已打開”的提示;當(dāng)VC界面無法正常打開時,會出現(xiàn)“串口無法打開”的提示,出現(xiàn)此情況時首先檢測硬件連接,再檢查選定串口通道是否正確。PC機(jī)最終顯示如圖7所示。5溫度精度的確定本文描述了基于MSP430單片機(jī)的無線溫度控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。通過調(diào)試證明系統(tǒng)運(yùn)行正常,各項指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計要求。整個系統(tǒng)集