溫度" title="溫度">溫度在人類日常生活中扮演著極其重要的角色，同時在工農業(yè)生產過程中，溫度檢測具有十分重要的意義。現(xiàn)階段溫度檢測主要是有線定點溫度檢測，其溫度檢測原理為單片機" title="單片機">單片機利用溫度傳感器檢測溫度，并在數碼管或LCD 上進行溫度顯示。同時由于系統(tǒng)沒有報警功能，故需要人為來判斷是否需要進行升溫或者降溫,這使系統(tǒng)的檢測喪失了實時性。另外，在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境，以人工方式直接操作設置儀表測量溫度也不現(xiàn)實，因此采用無線方式進行溫度檢測尤為必要。

　　目前有些設計能夠實現(xiàn)無線溫度采集，但功耗過高是其最大的缺點。在實際溫度控制過程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實時性，又需要使系統(tǒng)功耗低及保證溫度的均勻性，因此設計一種低功耗的多點無線溫度檢測系統(tǒng)" title="檢測系統(tǒng)">檢測系統(tǒng)很有意義。本文提出一種采用低功耗單片機MSP430F149 單片機實現(xiàn)的多點無線溫度測量系統(tǒng)，解決了上述問題。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對溫度智能化的檢測，能夠同時進行多點溫度檢測，是可以實現(xiàn)遠程控制的無線溫度檢測系統(tǒng)。低功耗、實時性的無線溫度檢測是該設計的最大特點。

　　1   系統(tǒng)構成

　　系統(tǒng)分為下位機、上位機和PC 機三部分。PC 機是整個系統(tǒng)的最上層，負責對下位機的控制和管理，并對收集到的各個節(jié)點的數據進行存儲和處理。由于下位機無法直接與PC 機通信，這就需要使用上位機作為中間媒介。上位機與下位機通過無線模塊通信，與PC機采用有線連接。

　　該設計采用MSP430F149 單片機作為核心控制模塊，其最主要特點為低功耗。MSP430F149 具有雙串口的特點，利用其中的一個串行口與PC 機進行通訊時，兩者之間必須通過RS 232 電平轉換芯片。單片機與無線發(fā)射模塊nRF24L01 通訊時可通過通用I/ O口模擬串口通訊?，F(xiàn)場溫度數據的采集是利用NT C100 熱敏電阻和MSP430F149 單片機部帶有的12 位A/ D轉換器來實現(xiàn)的。這里不需要外加ADC，可以簡化電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將按鍵作為輸入模塊，用來改變溫度報警的上下限。由于設計要求不需要太多內容的顯示，考慮到功耗及性價比，可以自制一個簡易段碼液晶用于顯示。下位機設計方案和系統(tǒng)整體構成框圖分別如圖1，圖2 所示。

圖1  下位機設計方案

圖2  系統(tǒng)的整體構成

　　2   硬件設計

　　2. 1   無線通信模塊設計

　　nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2. 4~ 2. 5 GHz ISM 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01 功耗低，有多種低功率工作模式( 掉電模式和空閑模式) 使節(jié)能設計更方便，圖3 為它的應用電路。

圖3  NRF24L01 應用電路

　　從單片機控制的角度來看，只需要將圖3 中左邊的6 個控制和數據信號與單片機通用I/ O 口相連。

　　2. 2   溫度采集電路

　　為了使整個系統(tǒng)的功耗更低，采用低功耗的熱敏電阻NT C100 和MSP430149 內部自帶的12 位A/ D 轉換器實現(xiàn)溫度的采集功能。其理論分析與計算電阻值和溫度變化之間的關系。

　　式中: RT 為溫度T( 單位: K) 時的NTC 熱敏電阻阻值；RN為額定溫度T N ( 單位: K) 時的NTC 熱敏電阻阻值；T 為規(guī)定溫度( 單位: K) ；B 為NTC 熱敏電阻的材料常數，又叫熱敏指數。

　　常溫環(huán)境中，溫度為28℃，換算成開氏溫度為273. 15+ 28= 301. 15 K。通過多次測28℃及30℃環(huán)境下的數據，如表1 所示，取平均值，盡量減小誤差，算得B 值。

表1   測量NTC100 熱敏電阻B 值

　　通過式( 1) 可得，將T ，T N 都轉化成開爾文溫度進行計算得B = 4 064. 34。經過比較發(fā)現(xiàn)，求得的阻值與測得的阻值很相近。

　　圖4 為溫度采集模塊，其中R 1 為熱敏電阻，R3 為200 kΩ電阻，R2 為0~ 20 kΩ 的可調電阻，用來調整溫度計的準確性。U0 為檢測到的電壓，將U0 接到單片機管腳，通過A/ D 轉換，將得到的電壓值轉換成溫度值,在LCD 上顯示出來。

圖4  溫度采集模塊

　　2. 3   顯示模塊

　　本次設計采用自制的16 位段碼液晶進行顯示。利用液晶驅動IC( HT 1621) 以及配套的液晶LCD 玻璃片，自制16 位段碼液晶。另外，驅動IC 上裝有兩種頻率的蜂鳴驅動電路，可以實現(xiàn)報警功能。

　　2. 4   串口通信模塊

　　在溫度采集過程中，由于系統(tǒng)隨時需要將采集到的溫度數值通過PC 機上的VC 界面進行顯示，因此需要在PC 機和單片機之間進行相互通信。由于PC 機的RS 232電平與單片機的TTL 電平不同，因此用MAX3232 芯片實現(xiàn)電平的相互轉換，這樣就可以實現(xiàn)單片機與PC 機之間的相互通信。

　　3   軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計方法。下位機利用定時中斷發(fā)送溫度數據，利用端口中斷設置溫度報警的上下限，其他時間處于低功耗模式3 的狀態(tài)下，這樣可以大大降低功耗。上位機利用接收中斷接收數據，并且利用MAX3232 與PC 機通信。

　　NTC 熱敏電阻的主要缺點是熱電特性的非線性現(xiàn)象嚴重，本次設計采用查表法對NT C 熱敏電阻進行線性化。線性插值法軟件流程如圖5 所示。

圖5   線性插值法熱敏電阻非線性自校正程序流程圖

　　圖5 中，0，R1 ，R2 ，，R K 是曲線上橫坐標取值；0,T1 ，T2 ，，T K 是其對應的縱坐標。K 的取值可根據所需溫度精度確定。

　　4   測試結果及分析

　　4. 1   溫度采集及顯示

　　將程序寫入單片機中，連好硬件線路，通過鍵盤設置好溫度上下限后，單片機開始采集溫度數值。如圖6所示，是下位機顯示界面，LCD 顯示報警溫度的上下限、當前溫度以及下位機的代號。

圖6  下位機顯示界面

　　經過多次測試，將LCD 顯示的溫度與普通溫度計進行比較，得到表2 中的數據。

表2   LCD 顯示的溫度值與普通溫度計的溫度值的對比表

　　經過測試，溫度誤差在允許范圍內，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行。當采集到的溫度數值超過設定的上下限時，單片機就會發(fā)出報警信號，提醒用戶進行溫度控制。

　　4. 2   功耗測試

　　當下位機進入LPM3( 睡眠) 模式，LCD 不顯示，但內部時鐘仍運行，串入電流表，測量電流值，測得電流為4 uA 左右。證明系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了超低功耗。

　　4. 3   無線模塊測試

　　將無線模塊連接好，先進行一對一的收發(fā)調試。

　　讓下位機1 控制無線收發(fā)模塊發(fā)送一連串有規(guī)律的數,觀察上位機接收的數字。經過測試，3 路下位機系統(tǒng)都可以與上位機進行穩(wěn)定的一對一收發(fā)。然后3 個下位機都與上位機通信，進行一對三的收發(fā)調試，上位機接收3 路數據，并且顯示。

　　經過測試，3 路都能正常的工作，且誤碼率低，工作穩(wěn)定。無線模塊nRF24L01 的最大傳輸距離大約為100 m。

　　4. 4   VC 界面顯示

　　首先進行上位機的硬件連接，連接完成后進行上電初始化并打開PC 機的VC 界面。當VC 界面正常打開時，會出現(xiàn)“串口已打開”的提示；當VC 界面無法正常打開時，會出現(xiàn)“ 串口無法打開”的提示，出現(xiàn)此情況時首先檢測硬件連接，再檢查選定串口通道是否正確。

　　PC 機最終顯示如圖7 所示。

圖7   PC 機顯示圖

　　5   結  語

　　本文描述了基于" title="基于">基于MSP430 單片機的無線溫度控制系統(tǒng)的軟、硬件設計。通過調試證明系統(tǒng)運行正常，各項指標均能達到設計要求。整個系統(tǒng)集成度高，功耗低，溫度采集和無線傳輸速度快，誤碼低，且具有體積小，重量輕，可靠性高，易于控制和使用靈活等優(yōu)點，因而性價比極高。

　　本次設計的溫度精度為0. 5 ℃，可以根據實際需求進一步提高精度；基站為了實現(xiàn)斷電存儲，可以將數據存儲于單片機的FLASH 中，上電時單片機從FLASH中取出所需的數值進行顯示。