基于MSP430单片机的多路无线温度检测系统

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

中图分类号：TN919-34文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)01-0125-03

Multi-spots Wireless Temperature Detecting System Based on MSP430

WANG Ling，WANG Zhong-xun，WANG Heng

(Institute of Science and Technology for Opto-electronics Information, Yantai University, Yantai 264005, China)

Abstract： The multi-spots wireless temperature detecting system based on MSP430 is designed, which uses the low power consumption MSP430F149 microcontroller as the core control unit. Its hardware is composed of wireless communication module, temperature acquisition circuits, display module and serial communication modules. Its software adopts modular design methods. The system tests show that the components and running modes of the whole system are selected under ultra-low power consumption, and each base station can get long working hours by using 3V battery. This system greatly realized ultra-low power consumption.

Keywords： MSP430 MCU; NRF24L01; NTC thermistor; ultra-low power

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\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［5-6］，其最主要特点为低功耗［7］。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。

图1 下位机设计方案

图2 系统的整体构成

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。

图3 NRF24L01 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。

RT=RNeB(1/T－1/TN)

(1)

式中：RT为温度T(单位：K)时的NTC热敏电阻阻值；RN为额定温度TN(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。

表1 测量NTC100热敏电阻B值

温度 /℃282828电阻均值

NTC阻值(K)RT /Ω103.87104.18103.63103.89

温度TN /℃303030电阻均值

NTC阻值(K)RN /Ω94.92694.07895.37694.793

通过式(1)可得B=TTNTN-TlnRTRN,将T,TN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。

图4为温度采集模块，其中R1为热敏电阻，R3为200 kΩ电阻，R2为0~20 kΩ的可调电阻，用来调整温度计的准确性。U0为检测到的电压，将U0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。

图4 温度采集模块

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

图5 线性插值法热敏电阻非线性自校正程序流程图

图5中，0,R1,R2,…,RK是曲线上横坐标取值;0,T1,T2,…,TK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：

T=TK+TK+1－TKRK+1－RK(Ri－RK)

(2)

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。

图6 下位机显示界面

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。

表2 LCD显示的温度值与普通温度计的温度值的对比表

项目测试次数

123456

LCD显示温度 /℃11.414．225.426.230.233.2

实际温度 /℃11.314.025.426.430.633

误差 /℃0.10.200.20.40.2

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。

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4 μA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\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界面无法正常打开时，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。

图7 PC机显示图

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。

参 考 文 献

［1］姜薇,丁明.单片机在多通道温度检测系统中的应用［J］.现代化农业，2003(3)：30-31.

［2］王振,胡清,黄杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计［J］.电子设计工程，2009,17(12):24-26.

［3］周航慈.单片机应用程序设计技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［4］杨守义，杨宏丽，王静霞.单片机应用技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

［5］楼然苗，李广飞.51系列单片机设计实例［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

［6］李广第.单片机基础［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［7］谢兴红，林凡强，吴雄英.MSP430单片机基础与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［8］孟凡文.NTC热敏电阻的非线性误差及其补偿［J］.传感器世界，2003,5(3):12-16.

［9］吴键，袁慎芳.无线传感器网络节点的设计和实现［J］.仪器仪表学报，2006,27(9)：140-144.

［10］英庆,王代华,张志杰.基于nRF24L01的无线数据传输系统

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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