基于單片機(jī)的多路無線溫度檢測系統(tǒng)

     溫度在人類日常生活中扮演著極其重要的角色，同時在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度檢測具有十分重要的意義。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   系統(tǒng)構(gòu)成

　　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RS 232 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?，F(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集是利用NT C100 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。

圖1  下位機(jī)設(shè)計方案

圖2  系統(tǒng)的整體構(gòu)成

　　2   硬件設(shè)計

　　2. 1   無線通信模塊設(shè)計

　　nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2. 4~ 2. 5 GHz ISM 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。

圖3  NRF24L01 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   溫度采集電路

　　為了使整個系統(tǒng)的功耗更低，采用低功耗的熱敏電阻NT C100 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。

　　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T N ( 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. 15 K。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。

表1   測量NTC100 熱敏電阻B 值

　　通過式( 1) 可得，將T ，T N 都轉(zhuǎn)化成開爾文溫度進(jìn)行計算得B = 4 064. 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R 1 為熱敏電阻，R3 為200 kΩ電阻，R2 為0~ 20 kΩ 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。

圖4  溫度采集模塊

　　2. 3   顯示模塊

　　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( HT 1621) 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. 4   串口通信模塊

　　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RS 232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   軟件設(shè)計

　　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NT C 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   線性插值法熱敏電阻非線性自校正程序流程圖

　　圖5 中，0，R1 ，R2 ，，R K 是曲線上橫坐標(biāo)取值；0,T1 ，T2 ，，T K 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。

　　4   測試結(jié)果及分析

　　4. 1   溫度采集及顯示

　　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。

圖6  下位機(jī)顯示界面

　　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)。

表2   LCD 顯示的溫度值與普通溫度計的溫度值的對比表

　　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   功耗測試

　　當(dāng)下位機(jī)進(jìn)入LPM3( 睡眠) 模式，LCD 不顯示，但內(nèi)部時鐘仍運行，串入電流表，測量電流值，測得電流為4 uA 左右。證明系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了超低功耗。

　　4. 3   無線模塊測試

　　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100 m。

　　4. 4   VC 界面顯示

　　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。

圖7   PC 機(jī)顯示圖

　　5   結(jié)  語

　　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)運行正常，各項指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計要求。整個系統(tǒng)集成度高，功耗低，溫度采集和無線傳輸速度快，誤碼低，且具有體積小，重量輕，可靠性高，易于控制和使用靈活等優(yōu)點，因而性價比極高。

　　本次設(shè)計的溫度精度為0. 5 ℃，可以根據(jù)實際需求進(jìn)一步提高精度；基站為了實現(xiàn)斷電存儲，可以將數(shù)據(jù)存儲于單片機(jī)的FLASH 中，上電時單片機(jī)從FLASH中取出所需的數(shù)值進(jìn)行顯示。