基于MSP430的多点无线温度测控系统.docx

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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 1

§1.1温度控制器的发展概况及现状 1

§1.2本设计的选题和研究内容 1

第二章方案设计与论证 2

§2.1总体方案设计 2

§2.2系统模块方案 3

§2.2.1温度传感器方案 3

§2.2.2无线传输方案 4

§2.2.3报警提示系统方案 4

§2.2.4发送端温度显示 5

§2.2.5接收端监控方式 5

§2.3总体方案的选择 5

§2.4方案的论证 6

§2.4.1方案的可行性 6

§2.4.2方案的经济性 6

第三章硬件系统设计 7

§3.1串口通信部分设计 7

§3.2报警电路部分设计 8

第四章 软件设计 9

§4.1单片机串口程序 9

§4.2上位机VB 11

第五章 系统调试 13

§5.1分步调试 13

§5.1.1、测试环境及工具 13

§5.1.2、测试方法 13

§5.1.3、测试结果分析 13

§5.2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§1.1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。

§1.2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RS-232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-10～50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XX.XXXX），显示分辩率0.0005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。

§2.1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2-1）

图2-1 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2-2）

图2-2  MAX232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2-3）

图2-3 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。

§2.2系统模块方案§2.2.1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。

§2.2.2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1.9-3.6V工作，待机模式下状态仅为2.5uA；收发模式切换时间<650us；TXMode:

在+10dBm情况下，电流为30mA;Nrf905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。

§2.2.3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。

§2.2.4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。

§2.2.5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。

§2.3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。

§2.4方案的论证§2.4.1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。

§2.4.2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。

§3.1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3-1  串口通信部分电路图

§3.2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3-2 蜂鸣器电路

第四章 软件设计§4.1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4-1

串口初始化程序如下

  TMOD=0x20;//设置定时器1为工作方式2

   TH1=0xfd;  //波特率为9600

   TL1=0xfd;

   TR1=1;

   REN=1;

   SM0=0;

   SM1=1;

   EA=1;

   ES=1;

发送程序如下：

   uart_print（"泸州职业技术学院！

\r\n"）;  

    uart_print（"Welcometoluzhou!

  \r\n"）;

    uart_print（"今天温度是  \r\n "）;

    SBUF=DATE_ZCODE[1]+48;

    while（!

TI）;

    TI=0;

    SBUF=DATE_ZCODE[2]+48;

    while（!

TI）;

    TI=0;

    SBUF='.';

    while（!

TI）;

    TI=0;

    SBUF=DATE_XCODE[0]+48;

    while（!

TI）;

    TI=0;

    SBUF=DATE_XCODE[1]+48;

    while（!

TI）;

    TI=0;

    SBUF='';

    while（!

TI）;

    TI=0;

    uart_print（"度   \r\n"）;

    uart_print（" \r\n"）; 

中断程序如下：

voidserial_int（void）interrupt4

{

   RI=0;

}

§4.2上位机VB

上位机利用VisualBasic6.0编程。

用VB6.0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VB6.0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VB6.0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VB6.0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0.0625，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4-2上位机显示

第五章 系统调试§5.1分步调试§5.1.1、测试环境及工具

测试温度：

0~80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0~100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。

§5.1.2、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。

§5.1.3、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。

§5.2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32KB+256BFlashMemory,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

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电子工业出版社，1997.

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[17].伟正.单线数字温度传感器的原理与应用[1].电子技术应用，2000,6.66-68

[18].DALLAS公司.DS18B20数据手册[Z]

致 谢

本设计能够顺利的完成得到了院系领导老师的大力支持和帮助，尤其是我们的指导老师龙老师和吴老师，在百忙之中抽出宝贵的休息时间，仔细耐心为我为我指导。

设计过程中，龙老师和吴老师一并帮我分析遇到的种种困难。

一直支持，鼓励我要有解决问题的信心，使设计得以顺利的完成。

在开发的同时，和同学们之间的相互探讨也使我获益匪浅。

在此，对他们表示由衷的感谢！

电子信息技术日新月异地飞速发展，人们总是处在不断学习阶段，再加上我水平有限，所以本设计肯定存在许多不尽如人意的地方，欢迎广大老师和同学批评指正。

最后，要感谢电信系所有老师，他们精心的栽培为我以后的学习工作打下了坚实的基础。

附录：

附录一：

系统工作总图

附录二：

系统原理图

 51单片机部分

430单片机部分