课程设计（论文）-基于MSP430的无线温度光照传感系统.doc

摘要 I 摘 要 随着科学技术的发展，人们对温度光照的要求越来越高，这样就功耗等方 面对光照温度的检测系统提出了新的要求，基于 MSP430 制作的温度光照传 感系统，则能很好的满足生物技术、农业生产、造纸工业、纺织工业等的民用 需求，比如公共场所温度以及光照的调控，大棚种植等方面。本文介绍了基于 MSP430 的温度光照无线传感系统的设计方法与过程，采用 C 语言到单片机 进行编程，配合硬件电路，实现了温度和光照信息的采集、无线传输和显示。 关键词：关键词：MSP430，温度，光照，无线传输 目录 II 目 录 第第 1 章章 背景及要求背景及要求.1-3 1.1立项背景.1-3 1.2项目要求.1-3 第第 2 章章 设计方案设计方案.2-3 2.1 总体设计方案 .2-3 2.2 微处理器选择方案 .2-3 2.2 温度信息采集方案 .2-3 2.3 光照信息采集方案 .2-3 2.4 无线传输方案 .2-3 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计.3-3 3.1 温度采集系统 .3-3 3.2 光照采集系统 .3-3 3.3 无线传输系统 .3-3 第第 4 章章 软件设计软件设计.4-3 4.1 温度数字信号采集 .4-3 4.2 光照信号的模数转换 .4-3 4.3 无线发送模块 .4-3 4.4 显示模块 .4-3 第第 5 章章 结果仿真与测试结果仿真与测试.5-3 4.1 仿真结果 .5-3 4.2 测试结果 .5-3 4.2.1 测试仪器.5-3 4.22 功能描述.5-3 参考文献参考文献.5-3 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-3 第 1 章 背景及要求 1.1 立项背景立项背景 现在市场上无线温度传感系统很多，但能同时调控温度和光照并能以 一控多的系统却不多，仅有少数环境温度和光照监控系统，大多却只是应 用于农业种植的温室控制一个方面，价格昂贵，而且功耗较高。 基于 MSP430 制作的系统，最明显的优势是以一控多，即使用一个终端系 统对多个采集点的温度以及光照进行统一控制，操作更加简便。另外，MSP430 有较高的处理速度，可以保证了系统运行的高效性。同时，MSP430 在降低芯片 的电源电压及灵活可控的运行时钟方面都有其独到之处，具有低功耗的特点。 由此，基于 430 的温度和光照控制系统相较于其他系统，有着稳定可靠，操作 简单，控制精度高的特点，同时节约能耗。 基于 MSP430，制作无线控制的恒温及恒光照系统，以满足生物技术、农 业生产、造纸工业、纺织工业广泛的等民用需求，比如公共场所温度以及光照 的调控，大棚种植等方面。 1.2项目要求项目要求 基于 MSP430 的温度光照传感系统主要将实现以下功能： 1、 实现温度信息的采集、无线传输和显示； 2、 实现光照信息的采集、无线传输和显示； 第 2 章 设计方案 2.1 总体设计方案总体设计方案 基于 MSP430 的无线温度光照传感系统，顾名思义，其核心处理器采用 MSP430。而且，不仅仅是将 MSP430 作为一个连接输入端和输出端的过渡芯 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-4 片，更重要的是充分利用 MSP430 的内部资源，提高芯片的利用率。 首先，我们将看到的是整个系统的设计结构，如下图所示： 图 2-1 系统结构 上图展示了整个系统的设计思路，主要的模块都已包含。 2.2 微处理器选择方案微处理器选择方案 无线温度传感系统使用的核心处理器的可选器件很多，可以胜任的主流处 理器有： 1 ）51 系列单片机（如 80c51） 2 ）AVR 系列单片机（如 ATmega 系列） 3 ）MSP430 系列（MSP430 x2 系列） 以下部分，均以 80c51，ATmega16 以及 MSP430 x2 系列为对象，不再另外 光照 传感 器 光照 传感 器 光照 传感 器 光照 传感 器 数据采集板数据采集板 MSP-430 分控制块 无线发收模块 无线收发模块 MSP-430 主控制块 LCD 显示模 块 键 盘 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-5 注明。 选择该系统核心处理器，有以下需要考虑的要素： 1 ）无线系统，尤其是前端处理器要求低功耗 2 ）前端要求尽量简洁的系统结构 3 ）前端要求足够的 I/O 接口 4 ）后端处理器要求足够的处理多路数据的能力 5 ）软件部分的设计 基于上述要求并综合考虑，选择 MSP430 作为核心处理器，理由有以下几 点： 1 ）MSP430 是优秀的低功耗器件，由下图可知，MSP430 拥有 4 种低功耗 状态。在低功耗状态下，片内电流 Icc 不超过 100uA，甚至达到 1uA 以下。 2 ）工作频率意味着更高的处理速度。以下是 AVR 单片，51 单片机以及 MSP430 单片机的主频能力对比：AVR 外部最高频率 16MHz，MSP430 外部最高频 率 16MHz，实际中 51 的最高频率也不大于 10MHz。 所以，可以看出，MSP430 能够具有很高的处理速率，但此速率视系统要 求而定，不一定要达到最大值。 3 ）I/O 接口是相当重要的部分，80c51 系列单片机，具有 4 组 I/O 口， 其中，3 组 I/O，AVR 单片机拥有 4 组 I/O，并且为双向 I/O，MSP430 拥有 6 组 I/O 口，皆为双向 I/O，并为三态输出 另外，3 种单片机的驱动能力对比如下 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-6 I max（Voh）I max（Vol） MSP430IOH(max) = -6 mA,IOL(max)= 6 mA, ATmege16IOH = -20 mAIOL = 20 mA, AT89S52IOH = -60 AIOL = 1.6 mA 由于驱动能力涉及到外部 I/O 接口，从上图我们可以看出，在 mA 量级上， MSP430 用能力提供足够的电流，虽然 ATmega 可以提供更大的输出电流，但是 对于我们的系统而言显然是多余的。足够的驱动电流输出可以简化外围缓冲器 件的设计，这对电路简化有益。 4 ）电路结构复杂度，本次项目的前端部分包括温度采集，光照采集部分， 无线发送部分，后端有 LCD 驱动部分，无线接收部分。保证精度情况下，集成 的信号处理部分对于简化电路很有益处。51 系列单片机数模转化必须用外部 AD 器件，AVR 拥有 8 路 10 位内部 A/D，MSP430 拥有 12 位内部 A/D，拥有 8 路 通道，16 组存储器，4 种工作模式。MSP430 的内部 A/D 具有更优的性能，并且， 综合 I/O 接口电路的设计，MSP430 益于前端电路简化。 5 ）软件部分的设计可以说是项目的核心之一。C51，AVR，MSP430 都可 以使用 c 语言编程。其中，MSP430 编译软件 IAR embedded workbench 提供了 强大的编译支持，编辑功能，同时，能够直接与 JTAG 配合调试仿真，缩短了 程序开发的周期。 除了上述因素，选择 MSP430 还有以下因素：1 ）MSP 16 位 RISC 处理内 核具有很强大处理能力； 2 ）10kb 的片内集成 Flash；3 ）足够的通讯接口， 内部模块（如 UART，DA，定时比较器） ，为系统扩展提供了可能；3 ）多个驱 动时钟（MCLK,SMCLK,ACLK,DCO）,使系统时钟选择具有多样性，尤其是时钟精 度要求不高的环境下，使用内部 DCO 降低电路复杂度，节约成本；4 ）看门狗 模块可以有效防止程序跑飞； 综合上述考虑，所以，本系统采用 MSP430 系列作为核心处理器，并且，我们 的目标就是充分利用 MSP430 提供的资源，优化系统设计。 2.2 温度信息采集方案温度信息采集方案 围绕温度信息采集，我们提出了两种备选方案： 方案一 外围模拟电路实现温度采集,可以使用热敏电阻之类的器件利用其 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-7 感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，就 可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来， 这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦,可选用 PT100 温敏电阻。 以下列出了 PT100 的部分参数：测量范围：-200+850；A 级 精度为 （0.15+0.002*|t|）摄氏度；B 级 精度为（0.30+0.005*|t|）摄氏度，其中 |t|为实际温度的绝对值；测量精度（根据传感器类型）：0.05至0.5； 反应时间（63%）：1 秒（高温），0.5 秒（其他）。 模拟电路采集温度信息，在理论上是有很高性能的，但是模拟电路采集有 以下的一些缺点：1）电路较为复杂，占用过多前端空间，对电路优化不利； 2）模拟信号输入要经过 A/D 转换，损失精度；3）模拟信号采集存在极大的偶 然误差。 方案二 使用集成温度测量模块，进而考虑到用温度传感器，在单片机电 路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一 只温度传感器直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求，可选用 DS18B20。 DS18B20 是一款性能优良的温度测量芯片，本系统采用 DS18B20 作为温度 测量部分的前端芯片。DS18B20 具有以下特点： 1.单总线时序。 所谓单总线就是区别于其他多总线通信协议，在主机与丛机（比如本系统 中的 MSP430 与 DS18B20）之间只有一根总线联系。这一点包含两层意思，第一， 在该总线上分时完成命令传输，数据读取等通信功能；第二，多个丛机可以同 时挂在一条总线上,依靠各丛机序列号进行识别。 单总线时序在时间控制上有极其苛刻的要求（比如，在对 DS18B20 写数据 时，要求总线拉低 15us 左右，然后写数据在 30us 左右，5us 左右之后，等待 丛机响应） ，因此，采用 DS18B20 就要求本系统具有精确的时间控制手段，让 时间控制精确到 10us 的数量级。在程序部分，我们将详细介绍精确时间控制 模块。 2.高精度宽范围的温度测量性能。高精度是指 DS18B20 在10C 到 85 C 范围测量时，误差（忽略与主机通信时引入的误差）只有 0.5C。宽范围是 指 DS18B20 可以测量55C 到 125C 的范围，这样的温度测量性能显然是非 常重要的。 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-8 3.片内实现模拟信号到数字信号的转化。DS18B20 采集的温度信息为模拟 信息，但是输出的信号为数字信号，且输出信号位数可变，最大可以有 12Bit 输出模式。 4.DS18B20 外围电路非常简单。DS18B20 将温度传感器以及相应的控制电 路集成在了片内，因此，在实际使用中，只需要考虑 DS18B20 的程序实现以及 与主机的接口，把它放在有需求的位置，便可以进行测量，相当方便。 当然，DS18B20 并不是没有瑕疵。12Bit 的数字信号获取要消耗将近 800ms 的时间，对于系统实时性有一定影响。另外，其严格的单总线时序控制对程序 实现提出了严酷的要求，增加了开发难度。 从上面的论述我们决定采用 DS18B20 作为温度信息采集的核心部件。 2.3 光照信息采集方案光照信息采集方案 方案 1 为直接使用光敏电阻，其阻值随着光源强度而变化。再加上分压电 阻构成一个简单的电路，当外界环境温度变化时，就会引起光敏电阻的阻值变 化，经过分压后输出的电压就会变化，将采集到的电压值送入单片机，再根据 光敏电阻的特性参数在程序中实现标度变换还原成对应的光照值。 此方案可选择 5 系列 LXD5539 光敏电阻，最大电压 150v，环境温度- 30+70 摄氏度，光谱峰值 540(nm)，亮电阻 30-90K，暗电阻 5.0(M)。 方案二为采用光电集成传感器，与光敏电阻的使用基本相同，其阻值的变 化随光照变化更趋于线性，这校结果会更加精确。 此方案可选用 On9658 光电集成传感器，典型入射波长为 p=520nm， 内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。 适合电视机、LCD 背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能 控制、自动感光、自适应控制。它且有如下的电气特性： 1 暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化， 如下图所示： 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 2-9 2 内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线； 3 内置微信号 CMOS 放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大， 工作电压范围宽，温度稳定性好； 4 可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减， 增强了光学滤波效果； 更值得一提的是，MSP430 系列单处机内部有集成的 AD 模块，光照传感 器的阻值变化而引起的变化的输出电压就能直接输入到单处机中进进转化，而 不再需是外部加 ADC 模块，大大地简化了外部电路。这样就充分利用了 MSP430 内部的 A/D 转换器，提高单片机利用率，且结果精确，所以我们选 择了方案二。 2.4 无线传输方案无线传输方案 无线我们采用集成的单片无线收发芯片 nRF2401，它是 NORDIC 公司最近 生产的一款无线通信通信芯片， ，内部集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。它具有以下特点：1) 2.4Ghz 全球开放 ISM 频段免许可证使用；2) 最高工作速率 2Mbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；3) 126 频道，满足多点通信 和跳频通信需要；4) 内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制；5) 低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为 22uA；掉电模式下为 900nA；6) 内置 2.4Ghz 天线，体积小巧 15mm X29mm；7) 模块可软件设地址，只有收到本机地 址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非 常方便；8) 内置专门稳压电路，使用各种电源包括 DC/DC 开关电源均有很好 的通信效果；9) 标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用；10)工作于 Enhanced ShockBurst 具有 Automatic packet handling, Auto packet transaction handling,具有可选的内置包应答机制，极大的降低丢包率。 nRF2401 包括：频率发生器、增强型模式控制器、功率放大器、晶体振荡 器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过 SPI 接口进 行设置。极低的电流消耗：当式作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗 为 9mA,接收模式为 12.3mA。掉电模式和待机模式下电流的消耗更低。 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 3-10 第 3 章 硬件电路设计 3.1 温度采集系统温度采集系统 温度采集系统直接使用 DS18B20，其操作及电路简单，管脚排列如图所示。 1 脚为 GND 为电源地，2 脚为 DQ 为数字信号输入输出端，3 脚为 VDD 外接供 电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。 由此得温度采集系统的电路图如下所示： 3.2 光照采集系统光照采集系统 光照采集系统采用 On9658 光电集成传感器，电路如下图所示： I/O 接口接口 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-11 3.3 无线传输系统无线传输系统 无线传输系统采用单片无线收发芯片 nRF2401，其工作电路如下图所示： 第 4 章 软件设计 4.1 温度数字信号采集温度数字信号采集 DS18B20 的基本描述已经出现在本文第二部分，下面将要详细讨论的是 DS18B20 的程序实现。 Msp430 系统中，DS18B20 的控制框图： 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-12 1.由于 DS18B20 不是 MCU，我们只能通过对 MSP430 的程序书写来控 DS18B20。 2.由于前端硬件接口充裕，本系统并没有使用单总线挂多个 DS18B20 的方 法，而是采用了一个 I/O 对应一个 DS18B20 的方法，用 POS 参数控制相应的 DS18B20。比如，在 PX.0 口的 DS18B20 的 POS 参量值为 0 x01，在 PX.1 口的 DS18B20 的 POS 参量为 0 x02，依次类推，对于 PX.y 口 POS 0 x01y （0 y 8） 以下就是 DS18B20 的控制程序介绍，由于 DS18B20 程序比较繁杂，下面将 给出核心的函数设计。 1.）延时精确控制模块 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-13 void delay(unsigned int n) /延时程序，参数 n 为延时参数 CCR0 = n; /装入计数值 TACTL |= MC_1; /设置为增计数模式 while(!(TACTL /等待计数至 n，此时 TACTL /第一位为标志位 TACTL /关闭本次计数，等待下次计数 TACTL /清楚计数标识位 int main( void ) /延时程序在主函数中的设置 TACTL |= TASSEL_2 + ID_3; /使用 8MHz，8 分频 由于本系统采用的是 c 语言进行开发，而一条 c 语句在编译过程中会编译 出多条汇编指令，导致使用软件延时无法精确实现延时，所以，本延时模块就 没有使用软件延时的手段。 而该延时精确控制模块的核心思想就是利用 MSP430 内部的计数器，依靠 硬件电路计数进行定时。 由于 MSP430 外部工作频率可选，我们选择使用 8MHz 的工作频率，同时， 经过 8 分频之后送给片内计数器模块，使其工作在 1MHz 的频率上，这样，计数 器每数一个数就耗时 1/1MHz 1us 因此，delay 函数的参变量 n 就决定了延时时间，即 n * 1/1MHz n us delay (n) = 延时 n us 除去在 delay 函数中其他的控制命令，该模块的延时性能确实能精确到 us 量级。 2.）初始化命令模块 unsigned char DBinitial(unsigned char pos) /pos 为端口位置参量 _DINT(); /关闭中断，防止影响延时准确性 P2OUT /对应 I/O 拉低 delay(500); / 延时 480us P2OUT |= pos; /对应 I/O 拉高 delay(55); /延时 55us P2DIR /改变输出为输入，准备接受 DS18B20 的响应 _NOP(); /短暂延时 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-14 if(P2IN /错误标志位（用于检测初始化错误）置高 P2DIR |= pos; /I/O 方向改变为输出 else error = 0; /DS18B20 回复低电平，初始化正确 P2DIR |= pos; /改变 I/O 为输出方向 P2OUT |= pos; /响应位置输出为高，回到默认状态 _EINT(); /初始化程序结束，可以打开中断 delay(400); /延时 400us，等待系统稳定 return error; /返回初始化错误标志位，进行后续判断 如此控制时序逻辑，是依照 DS18B20 的模块要求，其基本初始化时序要求 为： 由图可以看出，其基本的时序逻辑为：1.主机拉低，延时 480us 左右；2. 主机拉高，等待丛机响应；3.丛机拉低，维持 60240us，主机检测响应；4.总 线拉高，回复原始状态 3.）写命令模块，模块程序可以与初始化类似，这里不再赘述。 DS18B20 采用的单总线协议，所以其数据书写不可能采用并行方式，因此， 只能采用串行数据输入的方式。即在程序中体现出来，为按位发送。向 DS18B20 书写数据应首先发送 LSB。DS18B20 有自己的写时序逻辑，其时序图为： 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-15 由图可以看出，其基本的写时序逻辑为：1.主机将总线拉低，维持 15us；2.若写 0，则主机持续拉低 45us，等待从机采样；若写 1，则主机在第 一步之后将总线拉高 45us，等待采样；3.总线拉高。 4.）读程序模块，模块程序可以与初始化类似，这里不再赘述。DS18B20 的读时序同样必须串行接受。DS18B20 首先向主机发送 LSB，所以 temp 向右移 位。其基本的读时序图为： 由图可见，DS18B20 基本的读时序逻辑为：1.总线拉低 15us 左右； 2.DS18B20 发送数据，主机采样保持 45us；3.拉高回到初始态。 刚才说到的仅仅是读模块中的字节读取命令，实际上 DS18B20 发回的数据 不只一字节，而总共要读两个字节，以下是读程序中的整合 1 字数据模块。 unsigned int readtemp(unsigned char pos) /读取操作 unsigned int temp_low,temp; /设置低字节以及高字节存储空间 temp_low = read(pos); /先读低字节 temp = read(pos); /再读高字节 temp = (temp8)|temp_low; /合成温度信息 return temp; /返回 temp 为 2 字节温度信息 5.）前台控制程序中的部分控制函数，值得说明的是，模块中的一些子模 块为： void skip(unsigned char pos) /跳过阅读 ROM 指令 write(0 xcc,pos); void conver(unsigned char pos) /开始转换命令 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-16 write(0 x44,pos); void read_sp(unsigned char pos) /自从机临时空间取数据 write(0 xbe,pos); 这些程序都是向 DS18B20 写 ROM 指令（比如 0 xcc，0 x44，0 xbe） ，作用与 DS18B20 的内部指令集有关。 1. skip 命令：在单总线单机下，使用此命令跳过读取从机 ROM 序列号以及 匹配操作。由于我们的系统实质上是采用多线单机方式，所以需要 skip 命令， 相应的序列号以及匹配操作已经通过 pos 参量的引入得到了解决。 2. conver 命令：就是出发从机开始采样转换。 3. read_sp 命令：从机转化后不会主动向主机发送数据，因此，需要这个 命令通知从机，主机对转换的数据有需求，从机应该随时准备发送。 6.）主函数中的控制部分 在主函数中，我们只需要调用 convert_sum，就可以轻松地实现温度信息 的采集，例如： convert_sum(BIT0); /不断从 0，1，2 端口收集数据 convert_sum(BIT1); /转化中可以有其他的执行处理程序 convert_sum(BIT2); 由此看出，由于模块化程序的运用，使主函数中的转化控制命令相当简洁。 4.2 光照信号的模数转换光照信号的模数转换 系统 ADC 部分主要用于将光敏电阻上的电信号转换为数字信号，采用 4 路输入，不间断地转换模拟信号。此外，ADC 采用中断处理。 另外，值得一提的是，在 DS18B20 转换部分，等待转换耗费的时间非常 长，接近 1s，而 ADC 完场一次序列转换的时间不超过 30ms，所以，我们采用 了在等待 DS18B20 转换期间，进行 ADC 的转换采集。 其基本的程序结构如图所示： 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-17 下面给出完整的 ADC 的程序框图： 另外值得说明的是，ADC 转换的结果会有一定的偏移量，这部分修正随 具体电路具体情况而定，修正部分在 LCD 显示部分给出。 基于 430 的无线光照温度传感调节系统 4-18 ADC 模块有集成内部稳定电阻，当然，依靠外接稳定电阻可以实现稳定 的信号 从上图我们可以看出，转换结果成线性，其中 OFFSET 正是要具体考虑的。 4.3 无线发送模块无线发送模块 NRF24L01 的状态机见所示，对于 NRF24L01 的固件编程工作主要是参照 NRF24L01 的状态机。主要有以下几个状态 ： Power Down Mode：掉电模式 Tx Mode：发射模式 Rx Mode：接收模式 Standby-1Mode：待机