基于MSP430单片机的多路无线温度检测系统

2万 · 2013-4-7 22:49

      摘要：设计了基于MSP430的多点无线温度检测系统。系统采用低功耗的MSP430F149单片机作为核心控制部件，硬件由无线通信模块、温度采集电路、显示模块和串口通信模块组成，软件采用模块化的设计方法。测试表明，整个系统都是在超低功耗的要求下进行元件及运行方式的选择，各个基站只需要3 V电池供电就能实现长时间运作，能很好地实现超低功耗，并且实现了测量温度的实时性。
      关键词：MSP430单片机；NRF24L01；NTC热敏电阻；超低功耗
      0 引言
         温度在人类日常生活中扮演着极其重要的角色，同时在工农业生产过程中，温度检测具有十分重要的意义。现阶段温度检测主要是有线定点温度检测，其温度检测原理为单片机利用温度传感器检测温度，并在数码管或LCD上进行温度显示。同时由于系统没有报警功能，故需要人为来判断是否需要进行升温或者降温，这使系统的检测丧失了实时性。另外，在某些环境恶劣的工业环境，以人工方式直接操作设置仪表测量温度也不现实，因此采用无线方式进行温度检测尤为必要。
         目前有些设计能够实现无线温度采集，但功耗过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性，又需要使系统功耗低及保证温度的均匀性，因此设计一种低功耗的多点无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用低功耗单片机MSP430F149单片机实现的多点无线温度测量系统，解决了上述问题。该系统能实现对温度智能化的检测，能够同时进行多点温度检测，是可以实现远程控制的无线温度检测系统。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。
      1 系统构成
         系统分为下位机、上位机和PC机三部分。PC机是整个系统的最上层，负责对下位机的控制和管理，并对收集到的各个节点的数据进行存储和处理。由于下位机无法直接与PC机通信，这就需要使用上位机作为中间媒介。上位机与下位机通过无线模块通信,与PC机采用有线连接。
         该设计采用MSP430F149单片机作为核心控制模块，其最主要特点为低功耗。MSP430F149具有双串口的特点，利用其中的一个串行口与PC机进行通讯时，两者之间必须通过RS 232电平转换芯片。单片机与无线发射模块nRF24L01通讯时可通过通用I／O口模拟串口通讯。现场温度数据的采集是利用NTC100热敏电阻和MSP430F149单片机部带有的12位A／D转换器来实现的。这里不需要外加ADC，可以简化电路，提高系统的稳定性。将按键作为输入模块，用来改变温度报警的上下限。由于设计要求不需要太多内容的显示，考虑到功耗及性价比，可以自制一个简易段码液晶用于显示。下位机设计方案和系统整体构成框图分别如图1，图2所示。

      2 硬件设计
      2．1 无线通信模块设计
         nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurSt技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，有多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便，图3为它的应用电路。

         从单片机控制的角度来看，只需要将图3中左边的6个控制和数据信号与单片机通用I／O口相连。

      2．2 温度采集电路
         为了使整个系统的功耗更低，采用低功耗的热敏电阻NTC100和MSP430149内部自带的12位A／D转换器实现温度的采集功能。其理论分析与计算电阻值和温度变化之间的关系。

         式中：RT为温度T(单位：K)时的NTC热敏电阻阻值；RN为额定温度TN(单位：K)时的NTC热敏电阻阻值；T为规定温度(单位：K)；B为NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
         常温环境中，温度为28℃，换算成开氏温度为273．15+28=301．15 K。通过多次测28℃及30℃环境下的数据，如表1所示，取平均值，尽量减小误差，算得B值。

         通过式(1)可得，将T，TN都转化成开尔文温度进行计算得B=4 064．34。经过比较发现，求得的阻值与测得的阻值很相近。

2万 · 2013-4-7 22:50

  图4为温度采集模块，其中R1为热敏电阻，R3为200 kΩ电阻，R2为0～20 kΩ的可调电阻，用来调整温度计的准确性。U0为检测到的电压，将U0接到单片机管脚，通过A／D转换，将得到的电压值转换成温度值，在LCD上显示出来。
2．3 显示模块
      本次设计采用自制的16位段码液晶进行显示。利用液晶驱动IC(HT1621)以及配套的液晶LCD玻璃片，自制16位段码液晶。另外，驱动IC上装有两种频率的蜂鸣驱动电路，可以实现报警功能。
2．4 串口通信模块
      在温度采集过程中，由于系统随时需要将采集到的温度数值通过PC机上的VC界面进行显示，因此需要在PC机和单片机之间进行相互通信。由于PC机的RS 232电平与单片机的TTL电平不同，因此用MAX3232芯片实现电平的相互转换，这样就可以实现单片机与PC机之间的相互通信。
3 软件设计
      系统的软件设计采用模块化设计方法。下位机利用定时中断发送温度数据，利用端口中断设置温度报警的上下限，其他时间处于低功耗模式3的状态下，这样可以大大降低功耗。上位机利用接收中断接收数据，并且利用MAX3232与PC机通信。
      NTC热敏电阻的主要缺点是热电特性的非线性现象严重，本次设计采用查表法对NTC热敏电阻进行线性化。线性插值法软件流程如图5所示。

      图5中，0，R1，R2，…，RK是曲线上横坐标取值；0，T1，T2，…，TK是其对应的纵坐标。K的取值可根据所需温度精度确定。温度T的表达式为：


4 测试结果及分析
4．1 温度采集及显示
      将程序写入单片机中，连好硬件线路，通过键盘设置好温度上下限后，单片机开始采集温度数值。如图6所示，是下位机显示界面，LCD显示报警温度的上下限、当前温度以及下位机的代号。

      经过多次测试，将LCD显示的温度与普通温度计进行比较，得到表2中的数据。

      经过测试，温度误差在允许范围内，系统能够稳定的运行。当采集到的温度数值超过设定的上下限时，单片机就会发出报警信号，提醒用户进行温度控制。

2万 · 2013-4-7 22:50

4．2 功耗测试
      当下位机进入LPM3(睡眠)模式，LCD不显示，但内部时钟仍运行，串入电流表，测量电流值，测得电流为4μA左右。证明系统很好地实现了超低功耗。
4．3 无线模块测试
      将无线模块连接好，先进行一对一的收发调试。让下位机1控制无线收发模块发送一连串有规律的数，观察上位机接收的数字。经过测试，3路下位机系统都可以与上位机进行稳定的一对一收发。然后3个下位机都与上位机通信，进行一对三的收发调试，上位机接收3路数据，并且显示。
      经过测试，3路都能正常的工作，且误码率低，工作稳定。无线模块nRF24L01的最大传输距离大约为100 m。
4．4 VC界面显示
      首先进行上位机的硬件连接，连接完成后进行上电初始化并打开PC机的VC界面。当VC界面正常打开时，会出现“串口已打开”的提示；当VC界面无**常打开时，会出现“串口无法打开”的提示，出现此情况时首先检测硬件连接，再检查选定串口通道是否正确。PC机最终显示如图7所示。
5 结语
      本文描述了基于MSP430单片机的无线温度控制系统的软、硬件设计。通过调试证明系统运行正常，各项指标均能达到设计要求。整个系统集成度高，功耗低，温度采集和无线传输速度快，误码低，且具有体积小，重量轻，可靠性高，易于控制和使用灵活等优点，因而性价比极高。
      本次设计的温度精度为0．5℃，可以根据实际需求进一步提高精度；基站为了实现断电存储，可以将数据存储于单片机的FLASH中，上电时单片机从FLASH中取出所需的数值进行显示。