基于msp430的数据采集装置设计与实现.docx
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基于msp430的数据采集装置设计与实现
基于MSP430的数据采集装置设计与实现
摘要
本文介绍了以高性能，低功耗的16位msp430f5529单片机为核心，对室内温湿度数据采集功能的设计与实现。
本设计的硬件设计中，根据所设计功能需要，选取了的元器件不仅能满足设计需求而且具有较高的可靠性，同时还分别介绍了各个元器件的功能，特点和模块电路的设计。
软件设计部分，展示了本设计简单而又合理的思路，然而此部分主要分为三个部分：
温湿度数据采集部分，温湿度数据的无线传输部分以及数据通过串口通信在PC机上的显示部分。
由于新型单总线数字温湿度传感器DHT11具有体积小，接口简单，响应速度快等优点，所以室内温湿度数据的采集部分采用DHT11来完成温湿度传感及数字模块采集；而YL-800IL具有低功耗、抗干扰能力强、低误码率等优点，因此数据无线传输部分采用了微功率扩频无线模块YL800IL来完成数据的扩频无线传输；而显示部分是通过简单的读取串口数据来实现的。
本系统具有数字式传感，无线通信等功能，体积小节约空间，功耗低，操作简单，十分适于推广，并且遵循了可靠性和稳定性的设计原则，因此，在实际应用中取得了良好的效果。
关键词：
msp430；温湿度数据采集；扩频无线传输；
Abstract
Thepaperdescribesadesignofthesystem,withthehigh-performancelow-power16bitmicrocontrollermsp430f5529asthecoretoaqcuisttheindoortemperatureandhumidity.Inthehardwaredesignofthesystem,selectedcomponentscannotonlymeetthedesignrequirementsbutalsohavehighraliabilitydepengdingonthefeaturerequired.Atthesametimethepaperintroducesthefunction,thefeatureandmodulecircuitofallcomponents.Thepartofsoftwaredesignshowsasimpleandreasonabledesignthought,however,thispartmainlycanbedividedintothreeparts:
partoftemperatureandhumiditydataacquisition,wirelesstransmissionofthetemperatureandhumiditydataanddatadisplayedonPCbyserialportcommunication.BecauseofthenewtypeofsinglebusdigitaltemperatureandhumiditysensorDHT11hastheadvantagesofsmallvolume,simpleinterfaceandfastresponse,sotheindoortemperatureandhumiditydataacquisitionpartadoptsDHT11tocompleteanddigitaltemperatureandhumiditysensormoduleacquisition;withlowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,lowerrorrateetc,sothedatawirelesstransmissionpartadoptsthemicropowerYL800ILspreadspectrumwirelessmoduletocompletethespreadspectrumofwirelessdatatransmission;Andthedisplaypartisimplementedthroughsimplelyreadserialdata.Thissystemhasadigitalsensor,wirelesscommunications,andotherfunctions,savesthespaceofsmallsize,lowpowerconsumption,simpleoperation,verysuitableforpromotion,andfollowthedesignprincipleofthereliabilityandstability,therefore,hasobtainedthegoodeffectinpracticalapplication.
Keywords:
msp430;Temperatureandhumiditydataacquisition;Spreadspectrumwirelesstransmission;
基于MSP430的数据采集装置设计与实现
第1章绪论
1.1论文选题的意义
科技的发展推动着社会的脚步不断向前的同时，人们的生活水平也大幅度地提升，人们对生活质量和生产质量的要求也越来越高，然而，良好的生活生产质量和一个好的环境是密不可分的。
由于温度和湿度是两个最基本最重要的参数，对温湿度值的良好控制是一个高品质生活的开端。
因此，在现代生产生活中，需要人们有能力对环境进行良好的监测与控制，如粮仓，仓库，生产车间等。
过往的人们大多采用人工抄表的方式，这样不仅实时性差，而且效率低下。
而有线传输又给系统的安装带来了很大的工作量。
以这些不够科学的方式，不仅效率低下不利于人才资源的充分利用，而且误差大精准度不够高，缺乏科学性。
因此人们需要一种更加高效便捷的采集系统。
本文设计的无线采集系统能够满足使用简单，易于观察，误差小等要求，方便人们对环境进行有效监测。
若将本系统进一步扩展还能发展成分布式无线温湿度采集系统。
这不仅仅给人们生产生活带来便利，同时也体现了科技与社会的发展与进步。
1.2国内外关于该课题的研究现状
1.2.1传感器技术的发展
信息技术对社会发展，科学进步起了重要作用。
而信息技术主要包括信息采集，信息传输和信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。
因此，传感器被称为是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。
传感器技术受到普遍重视是从80年代起，随即掀起一片对传感器技术的热潮，不久之后就将技术应用到实际。
温湿度传感器是使用范围最广使用数量最多的一种传感器，其发展历程经历了以下几个阶段：
初期为分立式温湿度传感器，通过电量之间的转换来测量温湿度；而后是模拟集成温湿度控制器/传感器，向集成化方向发展；最后是智能温湿度传感器，免去了人工现场操作步骤。
随着信息技术的不断发展，传感器在生产生活中的重要性日渐增加，由模拟信号向数字信号、由集成向人工智能及网络控制方向发展。
我国在传感器的应用方面由于起步较其他发达国家晚所以还比较落后，在产业化程度、配套装备及技术方面还有一定差距，但是我国的传感器技术研究人员不仅努力学习国外先进技术与经验，而且勇于创新敢于探索。
相信我国的传感器技术处于国际领先指日可待。
1.2.2单片机的发展
世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004于1971年由Intel公司的霍夫研制成功，这标志着第一代微处理器的问世，微处理器和微机时代由此开始。
随后就有许多微处理器相继被推出，具有代表性的还属80年代初，Intel公司在MCS-48基础上推出的MCS-51系列8位高档单片机。
其指令采用的被称为“CISC”的复杂指令集，具有111条指令，由于其自身的一些特点被广泛应用于各个方面。
然而1996年德州仪器推出了MSP430系列16位超低功耗单片机，它采用精简指令结构，只有27条指令，同时众多的寄存器以及片内的存储器都能参加各种运算，功能强大运算速度快。
与MSC-51具有的两种低功耗模式相比MSP430具有四种低功耗方式，更加适用于便携式应用设备。
加上其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线，加上其自身的混合型结构，对其这种开放型的架构而言，无论是想要扩展8位的功能模块还是16位的功能模块更是十分方便的。
并且该系列单片机经过多年的优化升级为用户提供了一个更具方便，廉价，实用等优点的一个较为理想的样机开发方式。
1.2.3通信技术的发展
从古代的声光通信，到后来的有线通信再到今天的无线通信，可以容易的看出通信技术已经得到了迅猛的发展。
本系统采用的是无线端距离通信。
而在现代通信技术的无线短距离通信中，主要有Zigbee，WiFi和433MHz三种无线技术，以上三种技术都使用ISM免执照频段，但它们各有特点。
具有高传输速率，支持“永远在线”的WiFi技术对于某些应用或场合而言，这些功能或许能派上用场，但是这些功能带来的负面作用也有不少，如功耗的增加，可靠性及其他性能的降低。
相比于WiFi技术，Zigbee是定位于低传输速率的应用，并且Zigbee和433Hhz技术的正常工作模式是只在有数据收发的时刻才创建一条无线链路，所以很大程度的降低了对网络中其它设备的干扰和设备本身的功耗。
由于433MHz技术使用的是433MHz无线频段，所以与WiFi和Zigbee相比，433MHz技术的无线信号的穿透性更强而且能够传播得更远。
因为它具有远远小于WiFi和Zigbee的9600bps数据速率，因此433Mhz技术一般适合应用在数据传输量较少的系统。
而本系统所需要传输的数据较少所以采用的是433MHz无线技术来实现短距离无线通信。
1.3本文研究的主要内容
本文研究的内容主要按照下面几个模块分别进行设计的：
msp430f5529单片机和温湿度采集模块，是本文的核心模块，主要负责温湿度的采集以及将采集来的数据进行处理发送给上位机；上位机接收模块，主要负责将无线传输的数据进行接收并传输给主机。
本设计的主要特点：
1、实时采集当前温湿度值
系统上电完成初始化后，通过数字传感器实时采集当前室内温湿度值。
2、数据通过无线传输至上位机
对各监测点测量值通过无线通信上传至上位机，利用的是无线扩频技术，设备简洁，精确度高，方便使用。
3、数据显示
利用上位机通信，将采集到的室内温湿度值在计算机上显示。
第2章系统的总体设计
2.1系统功能设计
本系统主要实现以下两点功能：
1、利用dht11温湿度传感器对室内的温湿度值进行实时采样，根据实际情况的需求，可在多个地点设置合理的采集装置，所在采样点的温湿度传感器会进行实时的采集温湿度值，采集到的数据会在msp430f5529单片机中进行处理。
2、通过YL-800IL扩频无线模块将采集到的温湿度数据发送到一定范围内的另一个扩频无线模块，并通过串口通信将采集到的数据在电脑上显示。
2.2系统设计原则
1.安装和操作简单。
在设计系统时，要充分考虑使用该设备的人群知识领域与范围，尽可能降低适用人群的专业要求，使得对该领域只是不熟知的人们也能轻易地学会使用，才能充分体现该系统的实用价值，才能被广大的消费群体所接纳，从而实现便民利民的设计初衷。
2.可靠性要高。
笔者认为可靠性是一个系统关键所在，若没有较高的可靠性作支撑，则一定会严重影响到采集的数据的准确性，一旦数据不准确，那么设计该系统的意义也荡然无存。
因此，为了保证较高的可靠性，本文选择了通过严格要求使用器件的方式，即选用可靠性高的器件，同时还要对软硬件滤波来加强系统的抗干扰性。
3.各项数据指标要合理准确。
该设计系统被应用在室内环境，所以一般不会出现极端的情形，所以温度的测量范围为0-50℃，精度为±2℃，湿度测量范围为20-90%RH，精度为±5%RH。
4.器件的选择要合理。
在选择器件时，不能一味追求器件的高性能，还要中分考虑实际情况的需要来合理的选择器件，选择是主要按照以下几点要求：
首先以满足系统的基本要求为底线，然后按照实际需求来选择测量温湿度的精度，最后所选择器件的外围电路尽可能简单，这样不仅能增强系统的抗干扰能力而且提高了系统的可应用性。
2.3系统硬件设计的总体方案
设计系统时，把系统总体大致分为了三部分，第一部分为室内温湿度数据的实时采集并对其进行AD转换，主要由dht11温湿度采集模块来实现；第二部分为单片机对数字化数据的分析与处理，主要包括msp430f5529单片机控制模块；第三部分为对所采集数据的扩频无线传输，主要包括YL-800IL扩频无线传输模块；最后还包括一些MCU与PC机的串口通信部分以及终端PC的显示。
系统总体框图如下：
温度传感器
扩频无线模块
MCU
PC
扩频无线模块
MCU
图2.1温湿度监测系统的总体框图
2.4系统各部分功能介绍
2.4.1温湿度的采集
多年来，温湿度传感器已经由模拟化向着数字化的方向发展，而且数字传感器也已经有了很广泛的应用，由于数字传感器与的单片机通信更加方便，所以本设计系统采用dht11数字式温湿度传感器。
该温湿度传感器不仅能采集温度还能采集湿度，利用这个器件能对温湿度两组数据进行统一采集，同时该传感器设计了校准参数，因此测量到的数据比较可靠，人们使用简单方便，而且数字信号传输的方式使得电路的设计也变得十分简单。
dht11温湿度传感器自身集成了一个高性能单片机，该单片机为确保器件运行的良好性会时刻对其进行分析。
dht11中含有两个主要的元件，分别为电阻式感湿和NTC测温元件，感湿元件时利用电阻在不同湿度时的电阻值不同来测量温度值，测温元件是利用温度敏感元件做的测温探头，都具有灵敏的优点。
由于具有以上所述特点，该器件同时具有成本低，质量好两大优点，十分适合应用于实际系统电路中。
DHT11采用了SPI串行接口的连接方式，仅仅需要一条线就能完成与单片机的连接，这样不仅大大地建华可电路的设计，同时提高了系统的集成度，所以该系统的占用空间较小，减小了体积，与此同时它还拥有低功耗，产热少，利于环保与节点，传输稳定，失真小等特点。
其电路图如下：
图2.2DHT11与单片机的电路连接图
DHT11与单片机的连接采用单路连接方式，电路连接十分简单，数据线长度小于20m时可以使用5
上拉电阻，大于20m时可以根据实际情况选择合适的上拉电阻。
由于本设计中单片机与DHT11数字温湿度传感器的连接数据线小于20m,所以选择了5
的电阻作为上拉电阻。
连接上拉电阻不仅能通过这个电阻把不确定的信号嵌位在高电平上，还能避免因电流过大而造成期间烧坏，起到了限流的作用。
在本设计中，DHT11不仅接有上拉电阻，同时在电源端连接了一个滤波电容。
这是因为该温湿度传感器的电压范围在3-5.5V，电压无论是过高还是过低都会对传感器带来损坏，接通电源以后，由于需要跨越刚刚接通电源的不稳定状态，所以需要等待一段时间才能发送指令。
因此在电源端加这个电容是为了避免或抑制来自电源的干扰。
单片机对DHT11发送一次启动信号，DHT11则从低功耗模式转换到高速模式，并等待单片机的启动信号结束，而当开始信号结束后DHT11就向单片机回复响应信号，发出一个40位的测量数据，同时触发一次信号采集。
若传感器接收到了由主机发来的开始信号则触发一次温湿度采集，若没有收到开始信号则温湿度传感器不主动进行温湿度的采集工作。
而在采集数据之后就转换为低功耗模式。
通信过程如图所示：
GND
主机发
开始信号
VCC
从机拉，，低
50us
数据“0”
数据传送结束
上拉电阻
拉高总线
DHT相应
输出
拉高延时
准备输出
数据“1”
拉高并
延时等待
单总线
图2.3DHT11通信过程
采集信息传输过程大体如上图所示，总线空闲时状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，且拉低时间必须超过18ms,从而使得DHT11能收到开始信号，之后主机再把总线拉高20-40us。
而在DHT11收到开始信号之后，需要等待开始信号结束再向主机发送80us低电平的响应信号，再把总线拉高80us，而后准备发送数据，然而每一比特数据都死以50us的低电平开始，数据位是0还是1由高电平的长短决定总线被拉高26-28us则表示0，若总线被拉高70us则表示1。
表2.1DHT11引脚说明
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3-5.5V
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
悬空
4
GND
接地，电源负极
图2.4DHT11封装信息
2.4.2数据的无线传输
现代通信现如今的快速发展，无线通信系统已经在当今通信系统中占据了一个不可或缺的位置。
不论是在民用领域还是军事领域，都起到了至关重要的作用。
而本文遵从操作简单，使用方便的原则，在该系统中也利用了一个简单的无线通信系统。
本系统采用的是深圳捷迅易联科技公司生产的YL-800IL扩频无线模块。
YL-800IL是一款高性能、低功耗、远距离的微功率射频无线数据收发模块，内部自动扩频计算和前导CRC纠错治理，不改变用户的任何数据和协议，采用半双工透明传输机制，实现无线代替的功能；模块的射频芯片基于扩频跳频技术，在稳定性刚、抗干扰能力以及接收灵敏度上都有超越了现有的GFSK模块，同时配置有STM低功耗高速处理器，数据处理能力、运算速度均有所提高[5]。
并且能够通过捷迅易联公司配置的上位机软件根据用户需要来灵活的配置扩频无线模块的工作频率、串口频率、扩频因子、有效数据比以及扩频带宽等多个参数，为用户带来的很大的便利。
它可以被应用在多个领域，如：
智能家居、传感网络、工农业自动化、自动集抄表系统等一切需要无限代替TTL/RS232/RS485有线通讯情况。
YL-800IL引脚及尺寸信
图2.5YL-800IL尺寸示意图
表2.2YL-800IL引脚说明
引脚符号
引脚功能
引脚说明
VCC
电源
电源范围3.4-5.5V
GND
电源地
0V
TXD
数据输出
接RXD
RXD
数据输入
接TXD
AUX
指示控制
提示模块处理状态
YL-800IL扩频无线模块工作时分为三个模式，分别为全速模式，低电流模式和休眠模式。
各模式下功率消耗情况如下：
表2.3功耗消耗情况
工作模式
无线接收
串口接收
处理器状态
最小
平均
最大
单位
速模式
全速打开
全速打开
全速打开
18.5
19.2
20
mA
等待模式
间隙CAD检测
中断唤醒
等待
790
800
850
uA
休眠模式
间隙CAD检测
关闭
停止
155
170
190
uA
模块处于全速模式是状态为告诉无线监听状态，不管是空中数据还是串口数据能得到及时的处理，同时AUX引脚会提前转换为低电平来唤醒用户设备。
图2.6全速模式下的数据波形图
低电流模式也称等待模式，模块处于低电流模式时状态为CAD间隙监听状态，当在间隙内CAD监听到了有效数据时，则打开无线接收并将对数据践行解析和过滤，后将从串口把数据送出，而且AUX引脚的提前置低可以降低整个器件的功率。
图2.7低电流模式下的数据波形图
然而扩频无线模块处在休眠模式时很多种功能是处在关闭状态下的，若两个模块都处在休眠模式下，那么是无法实现通信的，因此必须至少有一个模块处在低电流模式下才可能完成正常通信。
休眠模式下的数据处理过程与低电流模式下的相同，但是处在休眠模式下的模块是不能对串口数据进行监听的，只有在客户端被唤醒之后，才能实现串口监听。
但是若在1s时间内串口都没有数据，则扩频无线模块将关闭对串口的监听，只打开CAD无线监听。
RXD
发送模块时序图
2ms
无线传送时间加上间隙打开时间
TXD
AUX
AUX
接收模块时序图
图2.8休眠模式下的数据波形图
YL-800IL扩频无线模块与用户设备连接时需要注意一些细节。
要想确保模块正常工作，无线模块与设备需要工地连接。
两边的串口速率、串口校验、收发频率、扩频因子、扩频带宽、有效数据比以及工作模式必须一致。
2.4.3数据的分析处理
本设计中的单片机控制模块选择的是由美国德州仪器生产的MSP430F5529单片机。
然而由德州仪器生产的MSP430TM家族的超低功耗微控制处理器是由多种具有不同外围模块并同时能针对各种应用程序的设备构成。
在便携式测量的应用中，通过结合广泛的低功耗模式从而使其架构得到优化进一步实现延长电池寿命的功能。
MSP430的设备功能十分强大，具有16位的RISCCUP，16位的寄存器，并且发电机能够不断地产生最大编码效率。
数控振荡器（DCO）能在3.5μs内完成有低功耗模式向主动模式之间的转换。
该系列中的MSP430F5527，MSP430F5529，MSP430F5525，以及MSP430F5521单片机配置和集成的USB层及物理层均支持USB2.0，并且他们都拥有4个16定时器，一个高性能的数模转换器（ADC），两个通用串口通信接口（USCI）。
该系列单片机典型的应用包括模拟和数字传感器系统，数字记录仪等需要连接到各种USB主机的系统。
MSP430F5XX特点总结：
超低功率。
低至230μA/MHz，19μA待机模式，并且从待机模式被唤醒仅需不到5μs。
性能更加强大。
全线产品8MHz（1.8V-3.6V）；1.8VISP闪存擦除及写入；具有灵活的时钟系统，能自动防止故障的发生。
具有创新性。
集成了LDO,BOR,WDT+,RTC；多通道的DMA能够支持在待机模式下也能进行数据的传送；具有更加丰富的连接方式如USB,RF；具有AES加密，RTC后备电池；具有由用户定义的引导装入程序；同时还具有业界领先的代码密度。
MSP430TM家族的成员可以总结在下表中:
表2.4成员总结示意图
Device
Flash
SRAM
Timer_A
Timer_B
ADC12_A
Comp_B
I/O
MSP430F5529
128
8+2
5,3,3
7
14ext,2int
12
63
MSP430F5528
128
8+2
5,3,3
7
10ext,2int
8
47
MSP430F5527
96
6+2
5,3,3
7
14ext,2int
12
63
MSP430F5526
96
6+2
5,3,3
7
10ext,2int
8
47
MSP430F5525
64
4+2
5,3,3
7
14ext,2int
12
63
MSP430F5524
64
4+2
5,3,3
7
10ext,2int
8
47
MSP430F5522
32
8+2
5,3,3
7
10ext,2int
8
47
MSP430F5521
32
6+2
5,3,3
7
14ext,2int
12
63
MSP430F5519
128
8+2
5,3,3
7
-
12
63
MSP430F5517
96
6+2
5,3,3
7
-
12
63
MSP430F5515
64
4+2
5,3,
升级会员 