CC430F5137的無線溫度采集報警系統(tǒng)設計

摘要：針對目前溫度采集報警系統(tǒng)功耗大、應用場合有限等缺陷，設計了一種基于CC430F5137單片機的低功耗無線通信溫度采集報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有功耗低、精度高、無線傳輸可靠性高等特點。介紹了CC430F5137芯片的特點和系統(tǒng)的硬件結構原理，給出了系統(tǒng)硬件設計框圖和軟件流程，并詳細地分析了溫度采集模塊和RF無線收發(fā)模塊。實驗結果驗證了采用CC430F5137設計溫度采集報警系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，有較好的應用前景。
關鍵詞：溫度采集，低功耗，無線傳輸，CC430F5137，MAX6613

引言
    隨著科技的不斷進步，現代化生產對溫度采集的實時性、高效率和低耗能的要求不斷提高，而且許多測量溫度的現場環(huán)境非常惡劣，使操作人員難以到達現場測量。對此，需要一種能夠自動采集、處理并能夠無線傳送數據的溫度采集系統(tǒng)。同時，為了節(jié)省使用成本以及維護，此系統(tǒng)還需要具備長期穩(wěn)定工作的性能。因此，開發(fā)一種低功耗并且能夠無線傳輸數據的溫度采集系統(tǒng)，能夠彌補目前溫度采集領域的缺陷。
    參考文獻設計的溫度采集系統(tǒng)雖然具有低功耗性能，但是都必須用線路連接才能進行通信，這大大限制了應用場合，使其應用具有一定的局限性。參考文獻設計的溫度采集系統(tǒng)利用的ZigBee無線通信技術作為通信工具，但是其必須利用單獨的外接ZigBee模塊才能完成通信功能，所以制作成本較高。針對以上缺點，本系統(tǒng)采用的CC430F5137芯片不但具有MSP430系列的低功耗性能，而且具有RF無線收發(fā)器的功能。這兩種性能充分滿足了低功耗和無線通信的要求，使得系統(tǒng)的成本降低，達到了目前應用的要求。

1 裝置整體運行原理
1．1 裝置運行原理
    無線溫度采集報警系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是溫度采集模塊，另一部分是中央控制模塊。中央控制模塊包括鍵盤及顯示模塊和報警模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時，首先由各個溫度采集模塊中的溫度傳感器完成對溫度的采集任務，然后CC430F5137單片機通過I／O口得到溫度參數，最后將采集的溫度信息通過CC430F5137內部集成的RF無線收發(fā)器傳輸給主控制器系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)對各個站點采集來的溫度數據進行系統(tǒng)的分析，并將結果利用數碼管進行顯示。當溫度超過上限值或下限值的時候，則觸發(fā)報警裝置，通過驅動一個蜂鳴器和報警燈來實現。報警溫度的上下限值可以通過鍵盤輸入模塊進行設置。主控制臺有兩組數碼管，一組數碼管顯示溫度采集模塊的序號，可以通過鍵盤來選擇要顯示的溫度采集模塊的序號，另一組則顯示溫度值。

2 系統(tǒng)硬件設計
    溫度采集報警系統(tǒng)的硬件設計包括溫度采集模塊設計和中央控制器設計。
2．1 溫度采集模塊設計
2．1．1 CC430F5137器件介紹
    CC430F5137是TI MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結合的產品，可實現極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無線網絡應用無需維修即可工作長達10年以上。此外，微型封裝所包含的高級功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網絡提供核心動力，以向中央采集點報告數據。CC430 F5137為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、2KB RAM、CC1101無線電、AES-128和USCI，供電電壓為1．8～3．6 V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，低功耗模式3消耗電流為2．0μA。
2．1．2 CC430F5137的RF無線收發(fā)模塊電路設計
    CC430F5137內部集成了CC1101無線電收發(fā)器，RF頻率為432．999 817 MHz，信道間隔為199．951 172 kHz，數據傳輸速率為38．383 484 kbps。在本系統(tǒng)設計中，可以設置無線發(fā)送功率。根據發(fā)射距離的遠近去設置功率的大小，可以使功耗達到最低，實現低功耗。其電路圖如圖2所示，CC430F5137的供電電源為兩節(jié)7號電池，電壓為+3 V，外接晶振為26 MHz，RF_N和RF_P為RF無線電發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達到-30 dBm，傳輸距離可以達到100m左右。

2．1．3 溫度采集電路設計
    考慮到設備低功耗的要求，所選的溫度傳感器必須具有低功耗特性，這里選擇了MAX6613型集成溫度傳感器。MAX6613是一款高速度、高精度的低功耗溫度傳感器，特別適合用于低功耗的產品中。MAX6613的電源供電電壓范圍為1.8～5.5V；低電源電流消耗，典型值為7．5μA；測量范圍為-55～+130℃；非線性誤差為1．3℃。其測量溫度與輸出電壓關系式為：
    Vout=-0．011 23T+1．8455Vref (1)
    式中Vout為傳感器的輸出電壓，T為被測溫度，Vref是通過參考電壓得到的傳感器的測得電壓。單片機通過模擬采集口采集傳感器的輸出電壓，通過公式(1)就可以計算出實際測量的溫度值。因為CC430F5137內部集成了ADC模塊，其輸入電壓范圍為0～3．6 V，可以滿足系統(tǒng)的要求，所以可以直接將MAX6613的電壓輸出口接在CC430F5137的ADC輸入口上，其電路圖如圖3所示。

2．2 主控制器設計
    主控制器的RF接收發(fā)射模塊與溫度采集模塊中的RF接收發(fā)射模塊設置相同，在此不再贅述。
2．2．1 報警系統(tǒng)硬件電路設計
    報警系統(tǒng)通過控制晶體管的開通與關斷去控制蜂鳴器和報警燈的導通與關閉，從而達到報警的目的。
CC430F5137單片機的P2．0口通過控制輸出信號的高低電平來控制晶體管的導通或截止，如圖4所示。如果晶體管導通，則蜂鳴器報警并且
觸動報警燈亮。當所測溫度的值超過預設的溫度上、下限值范圍時，會啟動報警系統(tǒng)。當溫度值調節(jié)在正常的工作范圍內，報警系統(tǒng)會自動停止報警。

2．2．2 鍵盤及顯示模塊硬件電路設計
    鍵盤采用4×2的鍵盤模式，一共8個按鍵，其功能按鈕分別為啟動按鈕、停止按鈕、功能1上限溫度值設定按鈕、功能2下限溫度值設定按鈕、功能3溫度采集模塊序號選擇按鈕、數值加1、數值減1、手動報警按鈕。
    CC430F5137共有16個外部中斷I／O口，分別為P0口和P1口。在此，采用P0口作為鍵盤掃描端口，只要有一個鍵被按下，相應的兩個I／O口就會被置為低電平，只要判斷是哪兩個I／O口有中斷發(fā)生，就能判斷出被按下的按鈕，進而執(zhí)行相應的操作。
2．2．3 顯示模塊硬件電路設計
    顯示模塊考慮到成本的要求，采用數碼管作為顯示界面，如圖5所示。系統(tǒng)中選用8個數碼管進行顯示溫度。其中前4個為一組，用來顯示溫度采集模塊的序號；后四個為一組，用來顯示溫度采集模塊采集的溫度值，其中第一個數碼管為符號位。系統(tǒng)采用74HC245總線驅動器用來驅動相應的LED數碼管，P1口作為LED數碼管的片選信號。

3 系統(tǒng)軟件設計
    溫度采集報警系統(tǒng)的軟件設計包括主控制器和溫度采集模塊的軟件設計。
3．1 主控制器軟件設計
    主控制器程序流程如圖6所示。首先按動開始按鈕系統(tǒng)開始運行，此時CC430F5137會發(fā)出一個控制指令給指定的溫度測量模塊，開始進行溫度采集，被指定的溫度采集模塊將所測溫度數據發(fā)送給主控制器(系統(tǒng)初始默認的是顯示第一個溫度采集模塊的測量數據)。主控制器接收到數據后，開始執(zhí)行顯示程序。首先在第一組數碼管上顯示溫度采集模塊的序號，第二組顯示溫度值。主控制器會連續(xù)判斷溫度值是否越限，如果越限，系統(tǒng)會觸發(fā)報警裝置，這時蜂鳴器會發(fā)出響聲，并且報警燈點亮，直到溫度值回到允許的范圍內。如果有按鍵被按下，會執(zhí)行相應的按鍵功能，并發(fā)送給指定的溫度采集模塊。

3．2 溫度采集模塊軟件程序設計
    溫度采集模塊程序流程如圖7所示。當主控制器發(fā)送控制指令后，溫度采集模塊開始接收指令，并執(zhí)行相應的指令功能。首先溫度采集模塊中的CC430F5137會采集MAX6613輸出的電壓信號，然后計算出相應的溫度值，并發(fā)送給主控制器。如果沒有接收到指令，系統(tǒng)不會采集MAX6613的電壓信號，溫度采集模塊會一直處于低功耗模式3中，這樣就能降低功耗。在低功耗模式3中，系統(tǒng)的DC發(fā)生器關斷，只有晶振是活動的，系統(tǒng)的總中斷允許位被打開。如果有RF無線收發(fā)器中斷，此時系統(tǒng)就會從低功耗模式3中喚醒，開始執(zhí)行溫度檢測程序。這樣就能使功耗降到最低，達到低功耗的要求。
    RF無線電中斷子程序：
   

結語
    本文設計了一種基于CC430F5137的無線溫度采集報警系統(tǒng)。此模塊主要是由主控制器和溫度采集模塊組成。經過測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，但是在距離較遠和傳輸中間有障礙物的情況下，發(fā)送的數據會有接收丟失的狀況，根據實際的應用場合還需要不斷改善。