童珊

摘要：本文論述了一種基于MSP430單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器以及nRF24L01無線收發(fā)模塊的多點(diǎn)無線溫度檢測系統(tǒng)， 利用 MSP430 單片機(jī)的超低功耗以及 DS18B20 的單線接口方式，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的低功耗和遠(yuǎn)程控制的無線收發(fā)，其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

關(guān)鍵詞：MSP430 DS18B20 nRF24L01 多點(diǎn)無線測溫系統(tǒng)

1.引言

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中某些測溫場合要求設(shè)備性能穩(wěn)定功耗低，測溫過程溫度信號處理易實(shí)現(xiàn)并且要便于集中處理，傳統(tǒng)溫度檢測方法采用模擬傳感器采集溫度信號，信號經(jīng)過一系列的模擬和數(shù)字電路處理后，再交由微處理器或DSP處理，元器件數(shù)量多而且整個檢測系統(tǒng)有較大的偏差， 穩(wěn)定性和抗干擾性能都較差。相比之下，多點(diǎn)測量及遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)脑O(shè)計方案成為最佳選擇，本設(shè)計是基于MSP430單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器以及nRF24L01無線收發(fā)模塊的多點(diǎn)無線溫度檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測和無線傳輸，具有可靠性高、線路簡單、測量精度高、功能便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

2.硬件電路簡介

本設(shè)計采用的主控芯片及主電路模塊基于美國 TI 公司的超低功耗 16位單片機(jī)芯片MSP430G2553；溫度檢測模塊采用智能溫度傳感器DS18B20；電源部分采用可控型升壓型 DC- DC 電源模塊TPS73033，對各功能單元的供電與否進(jìn)行管理；溫度顯示單元采用 TFT2.4液晶顯示屏；射頻無線收發(fā)模塊nRF24L01能將相距甚遠(yuǎn)的不同節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)將送入基站，其通過Motorola公司推出的三線同步接口SPI與單片機(jī)連接， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 抗干擾能力強(qiáng)， 適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行多點(diǎn)無線溫度檢測，可以保證把傳送到單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)迅速安全的進(jìn)行一站式處理。因溫度變化緩慢，本設(shè)計采用外設(shè)及MCU睡眠+定時喚醒模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大幅降低系統(tǒng)功耗，延長了系統(tǒng)的使用周期，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.各模塊特點(diǎn)及簡介

3.1 傳感器DS18B20

DS18B20是美國Dalas 半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，讀取速度快，具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器， 從而簡化測溫裝置與各傳感器的接口， 克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且，可以通過總線供電，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低，體積小，可靠性高。DS18B20 的測溫范圍為-5V～+125V，最高分辨率可達(dá)0.0625℃， 由于每一個DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別， 從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。

3.2 MSP430單片機(jī)

現(xiàn)今已投入運(yùn)作的溫度檢測及控制系統(tǒng)大多采用89C51單片機(jī)作為主控制芯片。89C51單片機(jī)的工作電壓為5V，有兩種低功耗模式：待機(jī)方式和掉電方式，但是正常情況下消耗的電流為24mA，在掉電狀態(tài)下其耗電電流為3mA。即使在掉電狀態(tài)下電源電壓降到2V，但耗電電流仍達(dá)到50uA，功耗比較大。為了改善這種缺點(diǎn)，提高設(shè)備的性能，本設(shè)計采用美國 TI 公司生產(chǎn)的超低功耗16位混合信號微控制器MSP430G2533作為主控制器。其具有低電壓、超低功耗、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、片內(nèi)外資源豐富、性價比高的特點(diǎn)，而且有16個中斷源，可以嵌套使用，通過中斷將CPU從低功耗模式下喚醒，所以可以編寫出實(shí)時性很高的程序且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的要求。

3.3 液晶屏顯示單元TFT2.4

它是一塊高畫質(zhì)的TFT真彩LCD模塊，具有豐富多樣的接口、編程方便、易于擴(kuò)展等良好性能。內(nèi)置專用驅(qū)動和控制IC（ILI9325），并且驅(qū)動IC自己集成顯示緩存，無需外部顯示緩存。為了方便用戶的擴(kuò)展使用，模塊將顯示器主供電源和顯示器背光電源分開供電，顯示器內(nèi)嵌TFT-LCD驅(qū)動控制芯片模塊的2.4 英TFT-LCD顯示面板上，共分布著240×320 個像素點(diǎn)。模塊的總線接口是8位的，對顯存的某一個地址操作時，需要連續(xù)傳送高字節(jié)及低字節(jié)方可完成操作。

3.4無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01

NRF24L01 是Nordic 公司推出的高集成的單片無線收發(fā)解決方案，芯片內(nèi)置鏈路層，具備自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能，速度可達(dá)2 Mbps ，125 個可選工作頻道，很短的頻道切換時間，可用于跳頻，其輸出功率，頻道選擇以及協(xié)議設(shè)置都可以通過SPI口進(jìn)行設(shè)置，Enhanced ShockBurst 模式可以同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加微控制器的工作量。NRF24L01 還具備同一頻道接收六路不同通道數(shù)據(jù)的功能，利用FDMA 技術(shù)最多可實(shí)現(xiàn)750 個點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，這使它成為無線溫度測量系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的最佳選擇。

4.測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計方案將測量系統(tǒng)分為傳感器子節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理基站兩大部分，傳感器子節(jié)點(diǎn)分布在應(yīng)用測量場所的不同區(qū)域，通過數(shù)字傳感器DS18B20采集各點(diǎn)溫度信息，并通過無線收發(fā)模塊將測量數(shù)據(jù)傳送回基站，基站主要負(fù)責(zé)對接收的各個子節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過LunchPad虛擬串口，把對應(yīng)數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，再利用VB客戶端對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析并處理。

系統(tǒng)初始化之后，基站MSP430分別與各個子節(jié)點(diǎn)的MSP430建立通信連接，并逐個對子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼標(biāo)識，然后讓子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式并設(shè)定定時喚醒時間。通信連接建立好后基站轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)定時喚醒后，首先進(jìn)行一次溫度采集并進(jìn)行編碼，然后發(fā)送給基站，完成后再次進(jìn)入睡眠模式，如此反復(fù)?；緞t對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、分析、處理和顯示，然后通過LunchPad的虛擬串口上傳至PC。若溫度超出預(yù)置范圍則蜂鳴器報警。這種對子節(jié)點(diǎn)逐一編碼的方式自然的將各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射時間間隔開，很好的避免了信道阻塞的情況。

5.結(jié)論

本文所設(shè)計的基于MSP430單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器以及NRF24L01無線收發(fā)模塊的多點(diǎn)無線溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能夠方便的布設(shè)到已建設(shè)完成或正在建設(shè)的應(yīng)用場所，相信能在儲糧倉庫、智能空調(diào)控制及其它的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。

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