【正文】 ................................................................... 34 本章小結 ..................................................................................................... 35 第 5 章 系統(tǒng)的調試及實驗結果 ................................................................ 36 調試步驟 ..................................................................................................... 36 實驗結果 ..................................................................................................... 36 本章小結 ..................................................................................................... 38 結論 ................................................................................................. 39 參考文獻 ............................................................................................. 41 致謝 ................................................................................................. 42 附錄 ................................................................................................. 43 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 課題的背景與意 義 隨著社會的進步和生產的需要，利用無線通信進行溫度數據采集的方式應用已經滲透到生活各個方面。 在工業(yè)現場，由于生產環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留 在現場觀察設備是否運行正常，就需要采集數據并傳輸數據到一個環(huán)境相對好的操控室內，這樣就會產生數據傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數據多，使用傳統(tǒng)的有線數據傳輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現錯誤換線困難。而且，當數據采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設電纜時，數據甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸的方式進行數據采集。 在農業(yè)生產上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標分 散，測點較多，傳統(tǒng)的方法已經不能滿足當前農業(yè)發(fā)展的需要。當前的科技水平下，無線通信技術的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。 在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術采集室內溫度數據，并根據室內溫度情況進行遙控通風等操作，自動調節(jié)室內溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。 以上只是簡單列舉幾個現實的例子，在現實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經被成功應用于工農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領域，而且類似 于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網絡已經被廣泛的應用到民用和軍事領域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設計相應的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 2 靠穩(wěn)定的無線數據通信，這樣的研究也變得更加有意義了 [1]。 國內外研究狀況及相關領域中已有的研究成果 在 非授權頻段上 ,目前已經云集了藍牙、 WiFi、 Zigbee 等多個標準無線協議 。，具有帶寬高（ 2Mbps），雙向傳輸，抗干擾性強，傳輸距離遠（短距離無線技術范圍），耗電少的優(yōu)點，用于無線鍵鼠等室內場合。 Nordic公司等公司已成功推出 nRF24L01 芯片， 全球開發(fā) ISM 頻段免許可證使用。同時許多公司也相繼推出基于 nRF24L01 的無線傳輸模塊。 模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊 ,并融合了增強型ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 nRF24L01功耗低 ,在以 6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9mA。接收時，工作電流只有 ，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設計更方便。至此這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟 [2]。 同樣隨著傳感器及 電子電路的發(fā)展，集成的溫度檢測器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。類似美國 DALLAS 公司推出的數字測溫芯片DS18B20 層出不窮，國內外的研究在這方面的研究也趨近完善 [3]。 對設計任務的分析 本系統(tǒng)的設計采用了工作于 頻段 nRF24L01 射頻芯片，并有低功耗單片機 MSP430F149 控制實現短距離無線數據通信。該接口設計具有成本低、功耗低、傳輸速率高、軟件設計簡單以及通信穩(wěn)定可 靠等特點。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過 nRF24L01 無線數據通信收發(fā)模塊來實現無線數據傳輸。發(fā)送部分以單片機 MSP430F149 為核心，使用溫度轉換芯片DS18B20 實時采集溫度并通過數碼管顯示。將采集的溫度無線傳送給接收部分，然后再在數碼管上顯示 。 本系統(tǒng)的核心控制芯片選用的是 MSP430F149。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 3 單片機在各個技術領域中的迅猛發(fā)展，與單片機所構成的計算機應用系統(tǒng)的特點有關： （ 1） 單片機構成的應用系統(tǒng)有較大的可靠性 ； （ 2） 系統(tǒng)構建簡潔、易行，能方便的實現系統(tǒng)功能 ； （ 3） 由于構成的系統(tǒng)是一個計算機系 統(tǒng)，相當多的功能由軟件實現，故具有柔性特點和優(yōu)異的性能價格比 ； 對 msp430f149 可以制作兩個最小系統(tǒng)（一個控制發(fā)送端，一個控制接受部分）最小系統(tǒng)包括電源電路，下載電路采用 JTAG 接口及主控芯片和一些基本外圍電路。 對于 DS18B20 的溫度檢測模塊，硬件部分較簡單，由于是單腳傳輸導致軟件時序的時間精確度控制上要求比較高，要做到精確。 數碼管顯示部分雖然較簡單但是在調試過程有重要作用，是顯示軟硬件好使的必要條件，不可忽視。另外為了降低 430 的輸出功率，采用鎖存器對數碼管進行驅動。 無線收發(fā)模塊 采用挪威 (Nordic)公司生產的 nRF24L01 及其外圍電路組成，軟件部分要熟悉內部的標志及控制寄存器以及數據通道，發(fā)射頻率功率及收發(fā)模式等以利于編程。 預 期 結 果 采用 MSP430F149 單片機作為主控 CPU， DS18B20 作為溫度采集模塊，nRF24L01 作為無線收發(fā)模塊，加上 LED 顯示模塊構成系統(tǒng)。要求完成硬件模塊的設計和電路板的制作。軟件模塊包括溫度檢測模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和顯示模塊。溫度測量范圍： 0176。C 至 125176。C，傳輸距離 30m。 論文的結構安排 本文基于本次畢業(yè)設計的過 程與要求，將論文分為五章。具體內容如下： 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 4 第 1 章 緒論 本章簡單介紹了課題的研究背景、目的和意義，無線溫度檢測的國內外發(fā)展現狀和相關領域中已有的研究結果，該設計的預期結果和意義。 第 2 章 主控芯片及編程環(huán)境的介紹 本章介紹了本次畢業(yè)設計的主控芯片及相應 的編程環(huán)境，讓我們熟悉了整個系統(tǒng)的調試方法。 第 3 章 硬件系統(tǒng)的設計與實現 本章介紹本課題硬件系統(tǒng)各部分電路的設計、實現 ，講述了各模塊的功能。 第 4 章 軟件 系統(tǒng)的設計與實現 本章根據系統(tǒng) 的總方案，設計出程序的總流程圖，并利用 C 語言編寫相應的程序。 第 5 章 系統(tǒng)的 調試及實驗結果 本章根據已有的軟硬件，進行調試，得到的相應成果。 最后總結本論文，得出相關結論。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 5 第 2 章 主控芯片及編程環(huán)境的介紹 MSP430 簡介 MSP430 系列單片機是美國德州儀器（ TI） 1996 年開始推向市場的一種16 位超低 MSP430 單片機功耗、具有精簡指令集（ RISC）的混合信號處理器（ Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供 “單片 ”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中 [4]。 MSP430 單片機的特點 ： （ 1） 處理能力強 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC）結構，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數尋址、 4 種目的操作數尋址）； 簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 （ 2） 運算速度快 MSP430 系列單片機能在 25MHz 晶體的驅動下，實現 40ns 的指 令周期。 16 位的數據寬度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加運算）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。 （ 3） 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在 165μA左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在 MSP430 系列中 有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時鐘系統(tǒng)和 DCO 數字振蕩器時鐘系統(tǒng)。可以只使用一個晶體振蕩器（ 32768Hz），哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 6 也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM）和五種低功耗模式（ LPM0～ LPM4）。在實時時鐘模式下，可達 ，在 RAM 保持模式下，最低可達 。 （ 4） 片內資源豐富 MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時器 A0（ Timer_A0）、定時器 A1（ Timer_A1）、定時器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時器（ Basic Timer）、實時時鐘（ RTC）和 USB 控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合 定時器，可設計出 A/D 轉換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計數、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口， P0、 PP2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 10/12 位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現兩路的 12 位 D/A 轉換；硬件 I2C 串行總線接口實現存儲器串行擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用的 DMA模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 另外， MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需 5μs。 （ 5） 方便高效的開發(fā)環(huán)境 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調試環(huán)境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可 以 電擦哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 7 寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下