基于MSP430的多点无线温度测控系统

本文介绍了一种无线温度测控系统的设计方案。本系统由MSP430单片机控制温度传感器DS18B20（数字温度传感器）采集每一路的12位数据，与2路开关量，一起送入无线收发模块PTR8000，进行发送，并在发送方显示当前的温度。同时51单片机控制另一块PTR8000接受数据，并把所接受到的数据通过串口通信传送到PC机显示，用户可以通过软件设定所需要的温度的上限和下限温度，实现报警功能。关键词430单片机51单片机PTR8000无线收发串口通信目录第一章选题依据111温度控制器的发展概况及现状112本设计的选题和研究内容1第二章方案设计与论证221总体方案设计222系统模块方案3221温度传感器方案3222无线传输方案4223报警提示系统方案4224发送端温度显示5225接收端监控方式523总体方案的选择524方案的论证6241方案的可行性6242方案的经济性6第三章硬件系统设计731串口通信部分设计732报警电路部分设计8第四章软件设计941单片机串口程序942上位机VB11第五章系统调试1351分步调试13511、测试环境及工具13512、测试方法13513、测试结果分析1352统一调试14结束语15参考文献16致谢17附录18附录一系统工作总图18附录二系统原理图18第一章选题依据11温度控制器的发展概况及现状在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下无线控制温度检测系统的应用领域在粮食存储过程中对温度要求是特别的严格，采用无线全数字温度监控系统，能实时检测粮仓中的温度，确保粮仓内合适的温度环境，应用十分方便和和灵活。在其他领域消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测，采用无线温度检测控制是十分的安全可靠。因此无线温度检测系统应用十分广阔。12本设计的选题和研究内容根据实际需要，本系统由上位机PC机、下位机（单片机）、收发模块及数据采集终端组成点对点的无线传输。PC机与单片机采集终端之间采用433MHZ的频段作为载波频率。系统的工作方式采用主从应答方式，单片机将采集数据指令下达给主收发器，从收发器对主收发器发出的地址信息进行处理，若与本机地址柏符则执行命令。采集终端将DS18B20温度传感器采集的数字信号由单片机传送到无线收发模块，PTR8000将接收到的数据按照一定的协议进行打包，加入字头和CRC循环冗余校验，发送给主收发模块，最后由单片机通过RS232将数据传送到PC机，由PC机处理显示。第二章方案设计与论证本课题是要求利用MSP430单片机设计一个多点温度检测系统，要求方便，安全。要求测量温度范围在1050度，误差小于1度；采集的温度数据通过无线传输，接收后显示采集的温度值（6位XXXXXX），显示分辩率00005度。在温度超过预定值的时候，能自动报警，并且能够启动降温系统对温度进行控制。本设计中采集温度用MSP430单片机完成，MSP430单片机是TI公司具有代表性的一种超低功耗单片机，其处理功能强大，功耗非常低。在数据接收方，采用51单片机，其价格便宜，功能较强。21总体方案设计经过分析，根据题目要求，现有如下三种方案方案一（框图如图21）图21现场监控方案框图此方案为一传统的设计方法，系统简单，采用现场监控，在工业中不方便。假设在易燃易爆环境中，那么，在现场监控，人生安全就存在隐患。方案二（框图如图22）图22MAX232串口通信监控方案方框图此方案实现了远程监控，能在现场和PC机上显示温度，但是MAX232的距离只能达到15米，与方案1相差不大。方案三（框图如图23）图23多点温度采集无线传输系统方框图此方案有效的利用了无线传输系统的优点，实现远程监控，能在距离很远的地方监控现场，方便人们工作和监控。22系统模块方案221温度传感器方案方案一采用热敏电阻温度传感器（如MF5E）采集温度数据，再通过三点式线性校正法将采集数据线性化，热敏电阻精度和灵敏度都还可以，但是线性转换电路相对复杂且难以调试。方案二采用数字温度传感器DS18B20采集温度数据，采集的数据不用作任何处理直接送给单片机，因为其为单总线器件，所以接口相对简单，而且相比热敏电阻传感器，其精度和灵敏度更具有优势，价格也便宜。222无线传输方案方案一蓝牙，采用蓝牙技术的设备使用方便，可自由移动。与无线局域网相比，蓝牙无线系统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强，但不同的产品有不同的特点和应用场合。在一些如无线抄表、无线点菜等低成本应用场合，蓝牙较高的成本和复杂的开发过程限制了其应用。方案二IRDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，它也许是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。IRDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适合传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输时安全性高。IRDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于两台（非多台）设备之间的连接。方案三NORDIC公司生产的NRF系列产品为国际通用的ISM频段，具有体积小、发射功率低、接收灵敏度高、外围元件少、对周围干扰小等特点，其中NRF905由于较低的价格、简单的开发，在低成本应用场合显示了其独特的优势。NRF905使用全球性开放的ISM频段，其特点是最高工作速率50KBPS，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；125频道，满足多点通信和跳频通信需要；内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制；低功耗1936V工作，待机模式下状态仅为25UA；收发模式切换时间650US；TXMODE在10DBM情况下，电流为30MANRF905的一个典型的应用是无线嵌入式模块PTR8000，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。223报警提示系统方案方案一ISD4003，该芯片采用多电平直接模拟量存贮技术，每个采样值直接存贮在片内的闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音，音乐、音调和效果声，但是价格较贵，调试麻烦，本设计中较浪费。方案二采用三极管驱动蜂鸣器来提示用户，电路较简单，价格便宜，也能将蜂鸣器前面加驱动电路，驱动喇叭，扩大音效，实用方便，能达到很好的提示和报警作用。224发送端温度显示方案一采用动态数码管显示，接收到的数据由单片机处理后直接通过11个端口（8个数据端3个位选端）送出显示，此法传统且占用单片机的I/O端口较多，并且本系统采集的是多路温度数据，显示不方便。方案二采用液晶1602显示，将接受到的各路数据进行编号显示，能同时显示二路数据，可以通过交替显示的方式显示很多路数据，占用I/O口少，人机界面友好，价格便宜。方案三采用12864液晶显示，12864液晶能显示中文，能同时分4行显示64个汉字，人机界面友好，但是价格为1602的4至5倍。225接收端监控方式方案一在数据接收端用液晶显示当前温度，这种方式在交替显示的期间有时间间隔，不能及时看到温度，会给监控带来很多不方便。方案二在51单片机端，利用MAX232串口通信，在PC机上显示，这样即不耽误人们工作，能同时看到多路温度数据，方便监控。23总体方案的选择根据以上分析比较，选用如下方案（1）温度测量采用DS18B20进行单总线多点采集环境温度，将采集的12位数据直接送到单片机进行处理；（2）无线传输采用NRF905构成的PTR8000，进行数据收发；（3）报警系统采用蜂鸣器，通过MSP430单片机处理检测判断温度，和报警；（4）发送端温度显示采用1602液晶显示，将MSP430单片机处理得到的温度显示在1602上面；（5）接收端监控方式采用MAX232串口通信在上位机显示，方便监控。24方案的论证241方案的可行性本设计从机所选用的控制模块为MSP430F247，主机采用51系列单片机，无线传输采用PTR8000。本设计利用MSP430单片机的超低功耗，和强大的运算处理能力，实现对多个DS18B20控制和进行无线收发数据，和进行温度显示。51单片机，做主机，直接控制无线模块将收到的数据通过串口传送到上位机进行显示。242方案的经济性随着数字技术的快速发展，智能化家电日趋受到人们的关注，单片机作为控制器以其体积小、功能全、价格低廉、开发方便的优势而被广泛采用。本设计基于MSP430F247单片机进行了无线温度传输系统的设计，利用了430单片机的超低功耗和强大的数据处理能力，硬件部分从机采用1602显示当前温度，并进行温度监控，从机主要进行温度数据的接收，和发送到电脑，进行上位机显示。综上所述，该方案具有一定的实用价值和经济价值。第三章硬件系统设计在本次设计中我主要设计51单片机与串口通信部分，51单片机主要负责采集MSP430单片机发来的温度数据，并传到上位机显示，在51和上位机间通信电平转换通过MAX232实现，本设计中，上位机通过VB界面显示，界面友好，方便人们监控。31串口通信部分设计51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。图31串口通信部分电路图32报警电路部分设计51单片机直接用I/O口控制蜂鸣器报警，其中蜂鸣器需要用三极管驱动，当温度超过用户要求范围时候，实现报警功能，其中蜂鸣器在工业控制中可以用扩音器代替，其前面加上驱动电路或则继电器便可方便，便宜，是普通报警电路的首选，报警电路与单片机连接如下图图32蜂鸣器电路第四章软件设计41单片机串口程序51与PC机间通信，协议如下1、一帧数据由1位起始位、8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位共10位组成。2波特率设为9600BPS。单片机串行口按方式1工作，波特率由定时器T1控制，单片机可以采用中断方式或查询RI（接受中断标志位）或TI（发送中断标志位）方式进行数据通信。设计采用查询方式，在定时器T2中断子程序中用于设置串口通信的波特率，由于单片机接收完数据，RI置“1”，那么为了连续接收在串口中断里面将RI寄存器清零，单片机发送完数据TI置“1”，为了连续发送，每法送一次数据，都将TI清零。单片机发送数据子程序流程图如图图41串口初始化程序如下TMOD0X20/设置定时器1为工作方式2TH10XFD/波特率为9600TL10XFDTR11REN1SM00SM11EA1ES1发送程序如下UART_PRINT“泸州职业技术学院RN“UART_PRINT“WELCOMETOLUZHOURN“UART_PRINT“今天温度是RN“SBUFDATE_ZCODE148WHILETITI0SBUFDATE_ZCODE248WHILETITI0SBUFWHILETITI0SBUFDATE_XCODE048WHILETITI0SBUFDATE_XCODE148WHILETITI0SBUFWHILETITI0UART_PRINT“度RN“UART_PRINT“RN“中断程序如下VOIDSERIAL_INTVOIDINTERRUPT4RI042上位机VB上位机利用VISUALBASIC60编程。用VB60开发串行通信程序有两种法，一种是利用WINDOWS的API函数；另一种是采用VB60的通信控件MSCOMM。利用API函数编写串行通信程序较为复杂，需要掌握大量的通信知识，其优点是可实现的功能更丰富、应用面更广泛，适合于编写较为复杂的低层次通信程序。而VB60的MSCOMM通信控件提供了标准的事件处理函数、事件、方法，并通过控件属性对串口参数进行设置，比较容易地解决了串口通信问题。MSCOMM是VB60提供的ACTIVEX控件，使用前需将该控件添加到VB工具栏。MSCOMM控件具有功能完善的串口数据发送和接受功能，有两种处理通信的方式，即事件驱动方式和查询方式，事件驱动方式是利用MSCOMM控件的ONCOMM事件捕获并处理通信错误事件，是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法；查询方式是通过检查COMMEVENT属性的值来判断事件和错误。本系统采用事件驱动方式进行串口通信设计，图4为上位机通信界面，本设计中，采集的温度精度为00625，在MSP430单片机采集数据时，显示为4位小数，在上位机上，就省略了后两位小数。图42上位机显示第五章系统调试51分步调试511、测试环境及工具测试温度080摄氏度。（模拟多点不同温度值环境）测试仪器数字万用表，温度计0100摄氏度，双踪示波器。测试软件串口调试助手测试方法PC机监控，目测。512、测试方法使系统运行，观察系统硬件检测是否正常（包括单片机最小系统，PTR8000测试电路，显示电路，温度测试电路等）。系统自带测试表格数据，观察显示数据是否相符合即可。采用温度传感器和温度计同时测温变化情况（取温度值不同的多点），目测显示电路是否正常。并观察电脑显示数据是否与单片机上的显示数据正常，并记录各点温度值，与实际温度值比较，得出系统的温度指标。远距离无线测量，主机和从机均接上天线，并调谐到相同频率，接上用火源和温度计做为测温源，逐步拉开主从机间的距离，当从机收到的温度信号不是很清晰时，测量主从机之间的距离，此即为最大通信测温距离，实测为250M内。干扰测温使用上位机与单片机通讯观察单片机与串口之间传输数据正确否。513、测试结果分析自检正常，主机，从机和上位机温度显示正常，串口传输数据正确。因为芯片是塑料封装，所以对温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间才能达到稳定。52统一调试将硬件及软件结合起来进行系统的统一调试。实现PC机与单片机通讯，两者可以实时更新显示各点温度值。经过测量得到在空旷地带,通信无误差范围为250米内，并且不受干扰；在空旷地带，250米至300米内传输数据有误差，受干扰影响较小；在有障碍地带，130米内无误差传输，不受外界干扰；在有障碍地带，130米到150米内传输数据有误差，受外界干扰较大；结束语MSP430单片机具有超低功耗的优点，IO口达48个，内部资源丰富，又SPI、AD等模块，都为实现电路功能提供了非常有利的条件。同时MSP430F247内部有32KB256BFLASHMEMORY,4KBRAM。开发环境友好、易用、方便，大大加快本系统设计开发。实时显示电路的设计，使温度信息更迅速，直观地发布。本制作的设计中使用了传感器的只是插座电路，因此，该系统的可扩展性很强。整个系统硬件简单、可靠，系统成本低。致此设计基本完成了预期的目标，系统在硬件自动测试，实时显示方面做的比较好。但是由于时间仓促、条件有限，设计成果并不是很完美，还存在下面问题串口通讯不稳定，未对温度数值统计处理以及存储。我准备在今后的工作过程中进一步完善此设计。参考文献1贾振国DS1820及高精度温度测量的实现J电子技术应用，2000（1）58592余永权单片机原理及应用北京电子工业出版社,19973邦田电子电路实用抗干扰技术北京人民邮电出版社，19944DALLASSEMICONDUCTORINC,DS18B20PROGRAMMABLERESOLUTION1WIREDIGITALTHERMOMETER2001Z5曲喜贵电子元件材料手册M北京电子工业出版社，19894224306黄贤武，郑筱霞，曲波等传感器实际应用电路设计M成都电子科技大学出版社，199741