基于单片机的多路无线温度检测系统

     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。同时由于系统没有报警功能，故需要人为来判断是否需要进行升温或者降温,这使系统的检测丧失了实时性。另外，在某些环境恶劣的工业环境，以人工方式直接操作设置仪表测量温度也不现实，因此采用无线方式进行温度检测尤为必要。

　　目前有些设计能够实现无线温度采集，但功耗过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性，又需要使系统功耗低及保证温度的均匀性，因此设计一种低功耗的多点无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用低功耗单片机MSP430F149 单片机实现的多点无线温度测量系统，解决了上述问题。该系统能实现对温度智能化的检测，能够同时进行多点温度检测，是可以实现远程控制的无线温度检测系统。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。

　　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，其最主要特点为低功耗。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NT C100 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NT C100 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。

　　式中: RT 为温度T( 单位: K) 时的NTC 热敏电阻阻值；RN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

　　通过式( 1) 可得，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，R3 为200 kΩ电阻，R2 为0~ 20 kΩ 的可调电阻，用来调整温度计的准确性。U0 为检测到的电压，将U0 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( HT 1621) 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对NT C 热敏电阻进行线性化。线性插值法软件流程如图5 所示。

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，R1 ，R2 ，，R K 是曲线上横坐标取值；0,T1 ，T2 ，，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。

　　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

　　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 uA 左右。证明系统很好地实现了超低功耗。

　　4. 3   无线模块测试

　　将无线模块连接好，先进行一对一的收发调试。

　　让下位机1 控制无线收发模块发送一连串有规律的数,观察上位机接收的数字。经过测试，3 路下位机系统都可以与上位机进行稳定的一对一收发。然后3 个下位机都与上位机通信，进行一对三的收发调试，上位机接收3 路数据，并且显示。

　　经过测试，3 路都能正常的工作，且误码率低，工作稳定。无线模块nRF24L01 的最大传输距离大约为100 m。

　　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。