【正文】 tional temperature operation. After software and hardware testing, we basically realize our Initial target. Transmission distance30m, temperature range 0 to 125 degrees, 1 degree accuracy. Keywords: msp430f149。 在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留 在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室內(nèi)，這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題。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(jīng)不能滿足當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。 以上只是簡單列舉幾個現(xiàn)實的例子，在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似 于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。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(shù)范圍），耗電少的優(yōu)點，用于無線鍵鼠等室內(nèi)場合。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊 ,并融合了增強型ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 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。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過 nRF24L01 無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 單片機在各個技術(shù)領(lǐng)域中的迅猛發(fā)展，與單片機所構(gòu)成的計算機應(yīng)用系統(tǒng)的特點有關(guān)： （ 1） 單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性 ； （ 2） 系統(tǒng)構(gòu)建簡潔、易行，能方便的實現(xiàn)系統(tǒng)功能 ； （ 3） 由于構(gòu)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(xiàn)，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。 無線收發(fā)模塊 采用挪威 (Nordic)公司生產(chǎn)的 nRF24L01 及其外圍電路組成，軟件部分要熟悉內(nèi)部的標志及控制寄存器以及數(shù)據(jù)通道，發(fā)射頻率功率及收發(fā)模式等以利于編程。溫度測量范圍： 0176。具體內(nèi)容如下： 哈爾濱工程大學(xué)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)領(lǐng)域中已有的研究結(jié)果，該設(shè)計的預(yù)期結(jié)果和意義。 第 5 章 系統(tǒng)的 調(diào)試及實驗結(jié)果 本章根據(jù)已有的軟硬件，進行調(diào)試，得到的相應(yīng)成果。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中 [4]。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 （ 4） 片內(nèi)資源豐富 MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。 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。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。通過其內(nèi)置的針對不同芯片的代碼優(yōu)化器， IAR Embedded Workbench 可以為 MSP430 微控制器生成極為高效和可靠的代碼。而且本文采用nRF24L01 模塊對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行無線傳輸，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問題，使測溫操作更易實現(xiàn)。本系統(tǒng)中溫度傳感器輸出腳I/O 直接與單片機的 相連，外接 KΩ的上拉電阻到電源，采用 MSP430的電源供電 [8]。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ 1）光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實際溫度。 DS18B20 的工作原理 DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。在上電復(fù)位時其值將被刷新。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與 18B20哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 間的數(shù)據(jù)通信。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。存儲器操作指令的功能是命令 18B20 作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細介紹。芯片允許在讀過程中用復(fù)位信號中止讀取，即可以不讀后面不需要的字節(jié)以減少讀取時間。 與 DS18B20的所有通訊都是由一個單片機的復(fù)位脈沖和一個 DS18B20的應(yīng)答脈沖開始的。應(yīng)答脈沖能保持 60～240μs。 DS18B20在讀時隙開始 15μs后開始采樣總線電平。 無線收發(fā)模塊 該模塊由挪威 (Nordic)公司生產(chǎn)的 nRF24L01 及其外圍電路組成的。該 芯片功 耗低， 6dBm 功率發(fā)射時，工作電流 9mA，接收時工作電流只有哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 ，可選擇的掉電模式和空閑模式使其應(yīng)用設(shè)計更為方便。nRF24L01 功耗低 ,在以 6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9mA。 圖 nRF24L01 封裝圖 CE：使能發(fā)射或接收 ； CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01： IRQ：中斷標志位； VDD：電源輸入端； VSS：電源地； XC2， XC1：晶體振蕩器引腳 ； VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V； ANT1,ANT2：天線接口； IREF：參考電流輸入； CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5VSS20DVDD19VDD18VSS17IREF16IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15nRF24L01哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 工作模式 通過配置寄存器可將 nRF24L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表 。若自動應(yīng)答開啟，那么 nRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址 TX_ADDR 一致）。最后發(fā)射成功時 ,若 CE 為低則 nRF24L01 進入空閑模式 1。當接收方檢測到有效的地址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO 中，同時中斷標志位 RX_DR 置高， IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU 去取數(shù)據(jù)。 表 常用配置寄存器 地址（ H） 寄存器名稱 功能 00 CONFIG 設(shè)置 24L01 工作模式 01 EN_AA 設(shè)置接收通道及自動應(yīng)答 02 EN_RXADDR 使能接收通道地址 03 SETUP_AW 設(shè)置地址寬度 04 SETUP_RETR 設(shè)置自動重發(fā)數(shù)據(jù)時 間和次數(shù) 07 STATUS 狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài) 0A~0F RX_ADDR_P0~P5 設(shè)置接收通道地址 10 TX_ADDR 設(shè)置接收接點地址 11~16 RX_PW_P0~P5 設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 配置字 SPI 口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為 10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。 nRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI 口訪問。 圖 顯示部分電路圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 驅(qū)動電路選擇 SL74HC573 跟 LS/AL573 的管腳一樣。 輸出能直接接到 CMOS， NMOS 和 TTL 接口上 操作電壓范圍： ~ 低輸入電流： CMOS 器件的高噪聲抵抗特性 TTL電路的輸入端是遵循 TTL標準的，其 需要的輸入電流很小， 74HC573的輸入電流在電源電壓為 6V，輸入電壓為 6V 的情況下，其所需要的驅(qū)動電流僅僅為 。串行通信時可軟件選擇 UART／ SPI 模式，整個系統(tǒng)采用了 3． 3V供電，考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點，該硬件系統(tǒng)的電源部分采用 TI 公司的 TPS76033 芯片。這里設(shè)計了 MSP430 最小系統(tǒng)中下載電路、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路 并介紹了各部分的功能 [12]。標準的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù) 輸入和數(shù)據(jù)輸出線?，F(xiàn)在， JTAG 接口還常用于實現(xiàn) ISP（ InSystem Programmable 在線編程），對 FLASH 等器件進行編程。 TAP 控制器的狀態(tài)機 通過TCK 和 TMS 進行狀態(tài)的改變，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的輸入。以含JTAG 接口的 StrongARM SA1110 為例， Flash 為 Intel 28F128J32 16MB 容量。 通過 TCK、 TMS 的設(shè)置，可將 JTAG 設(shè)置為接收指令或數(shù)據(jù) 狀態(tài)。 軟件編程 在線寫 Flash 的程序用 Turbo C 編寫。寫 Flash 之前，必須對其先擦除。電壓是 5～ 電流 300mA～ 500mA 接口靠兩端的是正負極，中間兩條是數(shù)據(jù)的正負極，只要你的設(shè)備不接觸 “數(shù)據(jù)線 ”電腦不會識別為移動設(shè)備。 AS1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當輸出 1A電流時，輸入輸出的電壓差典型值僅為 。1%的精度范圍內(nèi)。這是為了解決系統(tǒng)的快速處理數(shù)據(jù)要求和低功耗要求的矛盾，通過設(shè)計多個時鐘源或為時鐘設(shè)計各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實時應(yīng)用的時鐘要求，如低頻通信、 LCD 顯示、定時器、計數(shù)器等。 高速晶振也稱為第二振蕩器 XT2，它為 MSP430F149 工作在高頻模式時提供時鐘， XT2 最高可達 8MHz。 表 發(fā)射部分管腳分配 管腳名稱 分配引腳 CE CSN CLK MOSI MISO IRQ VDD VCC GND GND DQ 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 圖 DS18B20 電路圖 圖 nRF24L01 電路圖 接收部分 數(shù)碼管選擇的是 P2 與 P6 口。詳細的介紹了各主要部分所用芯片的工作原理和性能特點。傳感器復(fù)位后，接收應(yīng)答信號，跳過讀 ROM 中序列號后，啟動溫度轉(zhuǎn)換，等待溫度轉(zhuǎn)換完畢后，保存數(shù)據(jù)。發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 nRF24L01 配置為發(fā)射模式。當接收方檢測到有效地 址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包儲存在接收堆棧中，同時狀態(tài)寄存器中的中斷標志位 RX—DR 置高，產(chǎn)生中斷使 IRQ引腳變?yōu)榈碗娖?，以便通?MCU 去取數(shù)據(jù) ， 其流程圖如圖 所示 。 圖 顯示部分軟件流程圖 軟件的總體設(shè) 計 發(fā)送部分 發(fā)送部分的 一個循環(huán)的 總體思路是這樣的 先 初始化 DS18B20，從DS18B20 讀出溫度（ DS18B20 采用默認的 12 位 精度），將得到的溫度值的開始設(shè)定 430引腳狀態(tài)初始化數(shù)碼管從高到低位顯示結(jié)束哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 34 反碼轉(zhuǎn)化成十進制，取溫度數(shù)組的高兩位（即 整數(shù)部分）寫入發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組，然后初始化 nRF24L01，將溫度發(fā)送 ， 其流程圖如圖 所示 [15]。 開始初始化判斷接收中斷從 RX _ FIFO buffer讀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)碼管顯示哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 第 5 章 系統(tǒng)的調(diào)試及實驗結(jié)果 調(diào)試步驟 步驟一 完成硬件電路的焊接。 步驟四 將 nRF24L01 的收發(fā)部分分別與兩片 430 相連，寫入發(fā)射一個常數(shù)的程序，檢測收發(fā)模塊及程序好使。 如圖 就是無線溫度檢測系統(tǒng)發(fā)射端的發(fā)射端 成品 ，發(fā)射端在接通電源的情況下會立即完成初始化，實時地發(fā)送溫度數(shù)值