无线温度和光照检测模拟装置.docx

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无线温度和光照检测模拟装置

摘要

随着科学技术的发展，人们对温度光照的要求越来越高，这样就功耗等方面对光照温度的检测系统提出了新的要求，基于MSP430制作的温度光照传感系统，则能很好的满足生物技术、农业生产、造纸工业、纺织工业等的民用需求，比如公共场所温度以及光照的调控，大棚种植等方面。

本文介绍了基于MSP430的温度光照无线传感系统的设计方法与过程，采用C语言到单片机进行编程，配合硬件电路，实现了温度和光照信息的采集、无线传输和显示。

关键词：

MSP430，温度，光照，无线传输

目录

第1章背景及要求1-3

1.1立项背景1-3

1.2项目要求1-3

第2章设计方案2-3

2.1总体设计方案2-3

2.2微处理器选择方案2-4

2.2温度信息采集方案2-6

2.3光照信息采集方案2-8

2.4无线传输方案2-9

第3章硬件电路设计3-10

3.1温度采集系统3-10

3.2光照采集系统3-10

3.3无线传输系统3-11

第4章软件设计4-11

4.1温度数字信号采集4-11

4.2光照信号的模数转换4-16

4.3无线发送模块4-18

4.4显示模块4-20

第5章结果仿真与测试5-21

4.1仿真结果5-21

4.2测试结果5-22

4.2.1测试仪器5-22

4.2．2功能描述5-22

参考文献5-22

背景及要求

1.1立项背景

现在市场上无线温度传感系统很多，但能同时调控温度和光照并能以一控多的系统却不多，仅有少数环境温度和光照监控系统，大多却只是应用于农业种植的温室控制一个方面，价格昂贵，而且功耗较高。

基于MSP430制作的系统，最明显的优势是以一控多，即使用一个终端系统对多个采集点的温度以及光照进行统一控制，操作更加简便。

另外，MSP430有较高的处理速度，可以保证了系统运行的高效性。

同时，MSP430在降低芯片的电源电压及灵活可控的运行时钟方面都有其独到之处，具有低功耗的特点。

由此，基于430的温度和光照控制系统相较于其他系统，有着稳定可靠，操作简单，控制精度高的特点，同时节约能耗。

基于MSP430，制作无线控制的恒温及恒光照系统，以满足生物技术、农业生产、造纸工业、纺织工业广泛的等民用需求，比如公共场所温度以及光照的调控，大棚种植等方面。

1.2项目要求

基于MSP430的温度光照传感系统主要将实现以下功能：

1、实现温度信息的采集、无线传输和显示；

2、实现光照信息的采集、无线传输和显示；

设计方案

2.1总体设计方案

基于MSP430的无线温度光照传感系统，顾名思义，其核心处理器采用MSP430。

而且，不仅仅是将MSP430作为一个连接输入端和输出端的过渡芯片，更重要的是充分利用MSP430的内部资源，提高芯片的利用率。

首先，我们将看到的是整个系统的设计结构，如下图所示：

图2-1系统结构

上图展示了整个系统的设计思路，主要的模块都已包含。

2.2微处理器选择方案

无线温度传感系统使用的核心处理器的可选器件很多，可以胜任的主流处理器有：

1．）51系列单片机（如80c51）

2．）AVR系列单片机（如ATmega系列）

3．）MSP430系列（MSP430x2系列）

以下部分，均以80c51，ATmega16以及MSP430x2系列为对象，不再另外注明。

选择该系统核心处理器，有以下需要考虑的要素：

1．）无线系统，尤其是前端处理器要求低功耗

2．）前端要求尽量简洁的系统结构

3．）前端要求足够的I/O接口

4．）后端处理器要求足够的处理多路数据的能力

5．）软件部分的设计

基于上述要求并综合考虑，选择MSP430作为核心处理器，理由有以下几点：

1．）MSP430是优秀的低功耗器件，由下图可知，MSP430拥有4种低功耗状态。

在低功耗状态下，片内电流Icc不超过100uA，甚至达到1uA以下。

2．）工作频率意味着更高的处理速度。

以下是AVR单片，51单片机以及MSP430单片机的主频能力对比：

AVR外部最高频率16MHz，MSP430外部最高频率16MHz，实际中51的最高频率也不大于10MHz。

所以，可以看出，MSP430能够具有很高的处理速率，但此速率视系统要求而定，不一定要达到最大值。

3．）I/O接口是相当重要的部分，80c51系列单片机，具有4组I/O口，其中，3组I/O，AVR单片机拥有4组I/O，并且为双向I/O，MSP430拥有6组I/O口，皆为双向I/O，并为三态输出

另外，3种单片机的驱动能力对比如下

Imax（Voh）

Imax（Vol）

MSP430

IOH（max）=-6mA,

IOL（max）=6mA,

ATmege16

IOH=-20mA

IOL=20mA,

AT89S52

IOH=-60μA

IOL=1.6mA

由于驱动能力涉及到外部I/O接口，从上图我们可以看出，在mA量级上，MSP430用能力提供足够的电流，虽然ATmega可以提供更大的输出电流，但是对于我们的系统而言显然是多余的。

足够的驱动电流输出可以简化外围缓冲器件的设计，这对电路简化有益。

4．）电路结构复杂度，本次项目的前端部分包括温度采集，光照采集部分，无线发送部分，后端有LCD驱动部分，无线接收部分。

保证精度情况下，集成的信号处理部分对于简化电路很有益处。

51系列单片机数模转化必须用外部AD器件，AVR拥有8路10位内部A/D，MSP430拥有12位内部A/D，拥有8路通道，16组存储器，4种工作模式。

MSP430的内部A/D具有更优的性能，并且，综合I/O接口电路的设计，MSP430益于前端电路简化。

5．）软件部分的设计可以说是项目的核心之一。

C51，AVR，MSP430都可以使用c语言编程。

其中，MSP430编译软件IARembeddedworkbench提供了强大的编译支持，编辑功能，同时，能够直接与JTAG配合调试仿真，缩短了程序开发的周期。

除了上述因素，选择MSP430还有以下因素：

1．）MSP16位RISC处理内核具有很强大处理能力；2．）10kb的片内集成Flash；3．）足够的通讯接口，内部模块（如UART，DA，定时比较器），为系统扩展提供了可能；3．）多个驱动时钟（MCLK,SMCLK,ACLK,DCO）,使系统时钟选择具有多样性，尤其是时钟精度要求不高的环境下，使用内部DCO降低电路复杂度，节约成本；4．）看门狗模块可以有效防止程序跑飞；

综合上述考虑，所以，本系统采用MSP430系列作为核心处理器，并且，我们的目标就是充分利用MSP430提供的资源，优化系统设计。

2.2温度信息采集方案

围绕温度信息采集，我们提出了两种备选方案：

方案一外围模拟电路实现温度采集,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦,可选用PT100温敏电阻。

以下列出了PT100的部分参数：

测量范围：

-200℃～+850℃；A级精度为（0.15+0.002*|t|）摄氏度；B级精度为（0.30+0.005*|t|）摄氏度，其中|t|为实际温度的绝对值；测量精度（根据传感器类型）：

±0.05℃至±0.5℃；反应时间（63%）：

1秒（高温），0.5秒（其他）。

模拟电路采集温度信息，在理论上是有很高性能的，但是模拟电路采集有以下的一些缺点：

1）电路较为复杂，占用过多前端空间，对电路优化不利；2）模拟信号输入要经过A/D转换，损失精度；3）模拟信号采集存在极大的偶然误差。

方案二使用集成温度测量模块，进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求，可选用DS18B20。

DS18B20是一款性能优良的温度测量芯片，本系统采用DS18B20作为温度测量部分的前端芯片。

DS18B20具有以下特点：

1.单总线时序。

所谓单总线就是区别于其他多总线通信协议，在主机与丛机（比如本系统中的MSP430与DS18B20）之间只有一根总线联系。

这一点包含两层意思，第一，在该总线上分时完成命令传输，数据读取等通信功能；第二，多个丛机可以同时挂在一条总线上,依靠各丛机序列号进行识别。

单总线时序在时间控制上有极其苛刻的要求（比如，在对DS18B20写数据时，要求总线拉低15us左右，然后写数据在30us左右，5us左右之后，等待丛机响应），因此，采用DS18B20就要求本系统具有精确的时间控制手段，让时间控制精确到10us的数量级。

在程序部分，我们将详细介绍精确时间控制模块。

2.高精度宽范围的温度测量性能。

高精度是指DS18B20在－10’C到85’C范围测量时，误差（忽略与主机通信时引入的误差）只有0.5’C。

宽范围是指DS18B20可以测量－55’C到125’C的范围，这样的温度测量性能显然是非常重要的。

3.片内实现模拟信号到数字信号的转化。

DS18B20采集的温度信息为模拟信息，但是输出的信号为数字信号，且输出信号位数可变，最大可以有12Bit输出模式。

4.DS18B20外围电路非常简单。

DS18B20将温度传感器以及相应的控制电路集成在了片内，因此，在实际使用中，只需要考虑DS18B20的程序实现以及与主机的接口，把它放在有需求的位置，便可以进行测量，相当方便。

当然，DS18B20并不是没有瑕疵。

12Bit的数字信号获取要消耗将近800ms的时间，对于系统实时性有一定影响。

另外，其严格的单总线时序控制对程序实现提出了严酷的要求，增加了开发难度。

从上面的论述我们决定采用DS18B20作为温度信息采集的核心部件。

2.3光照信息采集方案

方案1为直接使用光敏电阻，其阻值随着光源强度而变化。

再加上分压电阻构成一个简单的电路，当外界环境温度变化时，就会引起光敏电阻的阻值变化，经过分压后输出的电压就会变化，将采集到的电压值送入单片机，再根据光敏电阻的特性参数在程序中实现标度变换还原成对应的光照值。

此方案可选择Φ5系列LXD5539光敏电阻，最大电压150v，环境温度-30～+70摄氏度，光谱峰值540（nm），亮电阻30-90KΩ，暗电阻5.0（MΩ）。

方案二为采用光电集成传感器，与光敏电阻的使用基本相同，其阻值的变化随光照变化更趋于线性，这校结果会更加精确。

此方案可选用On9658光电集成传感器，典型入射波长为λp=520nm，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。

适合电视机、LCD背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制。

它且有如下的电气特性：

1．暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化，如下图所示：

2．内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线；

3．内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；

4．可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；

更值得一提的是，MSP430系列单处机内部有集成的AD模块，光照传感器的阻值变化而引起的变化的输出电压就能直接输入到单处机中进进转化，而不再需是外部加ADC模块，大大地简化了外部电路。

这样就充分利用了MSP430内部的A/D转换器，提高单片机利用率，且结果精确，所以我们选择了方案二。

2.4无线传输方案

无线我们采用集成的单片