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。
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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