【文章內(nèi)容簡介】 隨著微電子技術(shù)和信號分析處理技術(shù)的推廣，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到廣闊地應(yīng)用，在工業(yè)的生產(chǎn)與控制中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集實(shí)時(shí)的溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量等諸多工業(yè)參數(shù)，在將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的同時(shí)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將所得的結(jié)果，以不同的反方式反饋給用戶和控制系統(tǒng)，在科學(xué)研究上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以為我們提供大量的幫助，成為探索科學(xué)奧秘的重要途徑。目前，數(shù)據(jù)采集應(yīng)用在方方面面，它已滲透 到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達(dá)、通訊、遙感遙測等各個(gè)領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。 無線溫度檢測的 使用對我們的生活也產(chǎn)生了巨大的影響，隨著科學(xué)進(jìn)步以及對物質(zhì)的需求更多，各種惡劣的工作環(huán)境也隨之出現(xiàn)，人身安全也成了我們關(guān)注的對象，在冶金行業(yè)中，這里的高溫不是人可以承受的，所以無線溫度檢測的出現(xiàn)大大解放了人們的工作，同時(shí)對于檢測的精確度同樣大大高于人的測量?？傊?，本課題將數(shù)據(jù)采集與無線傳輸相結(jié)合，發(fā)揮無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，并且解決硬件、軟件及通信協(xié)議優(yōu)化等問題。 研究意義 溫度是日常生活中，化學(xué)工業(yè)，環(huán)保，醫(yī)藥，石油和最常遇到的其它區(qū)域的一個(gè)物理量。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度控制 系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中的長時(shí)間運(yùn)行的工藝設(shè)備，開關(guān)柜，母線接點(diǎn)，高壓電纜接頭和因老化或接觸電阻過大等部位需要散熱方面，相鄰的絕緣部件的性能下降，甚至破裂并造成事故。并有溫度的許多領(lǐng)域可能會更高或更低，該網(wǎng)站將更加復(fù)雜，有時(shí)人們無法生活，而不必關(guān)閉或人力進(jìn)行監(jiān)控。然而，大多數(shù)這些廠家用一個(gè)簡 緒論 2 單的 溫度控制和溫度控制電路控制的控制精度低，大過沖等缺點(diǎn)的存在，這是很難實(shí)現(xiàn)的制造方法。和熱處理行業(yè)在很多類似的問題，所以更一般的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的。 所以 我們可以用單片機(jī) 進(jìn)行 控制，這些控制技術(shù) 將會 大大提高控制 的 精 度， 而且 簡單的控制不 但 降低了產(chǎn)品的成本，還可以 同 計(jì)算機(jī)通信， 大大 提高了生產(chǎn)效率。由于單片機(jī)自成立以來，業(yè)績不斷提高，并提高其資源，而且還滿足了很多應(yīng)用程序，結(jié)合高集成單芯片，功能強(qiáng)大，速度快，體積小，低功耗，易用性低，價(jià)格等方面，因此，日益廣泛，并逐步取代現(xiàn)有的多芯片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用。 國內(nèi)外現(xiàn)狀 溫濕度是影響紡織品質(zhì)量的重要因素，但紡織企業(yè)對溫度的測控手段仍很粗糙，十分落后，絕大多數(shù)仍在使用濕度計(jì)，靠人自身觀測與感受，在控制方面上靠人工控制，其控制效果可想而知。在制藥行業(yè)里這種情況也是隨處 可見。要的風(fēng)化對溫度的要求也是很高。而在食品加工行業(yè)里，人們很少使用溫度傳感器，所以實(shí)物的變質(zhì)期大大提前。值得一提的是，隨著農(nóng)業(yè)行業(yè)的快速發(fā)展，目前我國已然是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，各種大棚層出不窮，對已溫度的掌握有為重要?，F(xiàn)在溫度控制大多采用智能調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器有國產(chǎn)的也有國外的，國產(chǎn)調(diào)節(jié)器分辨率和精度較低，溫度控制效果不是很理想，但價(jià)格便宜，國外調(diào)節(jié)器分辨率和精度較高，價(jià)格較貴。溫室度監(jiān)控系統(tǒng)還是蠻有發(fā)展前途的，現(xiàn)在好多地方都需要溫度監(jiān)控，國內(nèi)外的需求都很大。 系統(tǒng) 總體概要 3 2 系統(tǒng)總體概要 工作原理 本系統(tǒng) 為無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊，兩個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊，無線傳輸模塊， LCD顯示模塊，上位機(jī)顯示模塊，按鍵和蜂鳴器模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊組要采用的硬件設(shè)備是 DS18B20 溫度傳感器，對于溫度采集時(shí)我們需要考慮周圍環(huán)境的一切影響，有時(shí)濕度可能導(dǎo)致溫度傳感器采集的溫度有一定的誤差。所以對于這些外在的因素我們必須加以分析，然后才通過采集傳感器本身的溫度來測量周圍環(huán)境的溫度。無線傳輸模塊采用的是 nRF24L01 芯片，在無線傳輸?shù)倪^程中，我們要清楚該芯片的傳輸距離，否則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失，當(dāng)數(shù)據(jù)采集成功后， 將采集到的數(shù)據(jù)由處理器（ 1）處理后發(fā)送給處理器（ 2）。 LCD 顯示模塊是采用的 LCD1602 液晶顯示屏，該顯示屏操作簡單，顯示數(shù)據(jù)直觀清楚。上位機(jī)采用的是一塊由 VisualC++ 開發(fā)的波形軟件。該軟件能實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前的溫度變化曲線。按鍵模塊是有 4 個(gè)按鍵組成的一個(gè)模塊，分別用于設(shè)定溫度的上下限值。蜂鳴器模塊則用于報(bào)警，當(dāng)前溫度不在設(shè)定的安全范圍內(nèi)時(shí)， 則 產(chǎn)生報(bào)警。系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如圖 所示 圖 單 片 機(jī) MSP430F149 單 片 機(jī) MSP430F149 溫度傳感器 復(fù)位電路 復(fù)位電路 無線發(fā)送 無線 接收 LCD 顯示 上位機(jī)顯示 蜂鳴器報(bào)警 控制電路 系統(tǒng) 總體概要 4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 根據(jù)各種的環(huán)境特點(diǎn)以及課題要實(shí)現(xiàn)的具體功能 ,所研制的溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)需滿足以下設(shè)計(jì)要求： (1)中心模塊和溫度采集模塊設(shè)備的體積要小 ,有力于安裝在不同的工作環(huán)境下，同時(shí)也方便移動(dòng)； (2)設(shè)備的成本低，性能可靠，安裝簡單 。 (3)在測量的時(shí)間內(nèi)，設(shè)備必須達(dá)到應(yīng)有的精確度。 (4)抗干擾能力強(qiáng)，對周圍環(huán)境適應(yīng)性要強(qiáng)； (5)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到使用周期，確保使用周期長 。 (6)可以隨時(shí)進(jìn)行更新，與調(diào)試。 (7)能做到溫度顯示，可以記錄歷史溫度，方便打?。? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 (l)底層的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)裝上溫度傳感器 ,用于采集給定環(huán)境的溫度 ,并對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理 ,判斷發(fā)送優(yōu)先級 ,將采集信息發(fā)送給中心主要部分。 （ 2）中心主要部分分為兩個(gè)模塊，一個(gè)作為數(shù)據(jù)采集后的處理，另一塊作為接收后的數(shù)據(jù)處理。第一模塊的功能是將采集來的數(shù)據(jù)處理好，并做好 與另一模塊做好無線通訊的準(zhǔn)備。并且設(shè)置好采集的優(yōu)先級。 （ 3）另一中心模塊位接收數(shù)據(jù)的模塊，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做好與 PC機(jī)通訊的準(zhǔn)備，同時(shí)做好與 LCD，蜂鳴器之間的協(xié)調(diào)工作。 （ 4）上位機(jī)能夠針對特定的監(jiān)測對象設(shè)置節(jié)點(diǎn)參數(shù)和報(bào)警閉值 ,且實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、越界報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢和打印等功能。 （ 5）新的溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)能夠自由加入網(wǎng)絡(luò) ,點(diǎn)能察覺到并報(bào)警 ,同時(shí)記錄該事件 ,反饋給上位機(jī) ,當(dāng)節(jié)點(diǎn)電池耗盡后 ,中心節(jié)點(diǎn)通知工作人員處理。 硬件模塊設(shè)計(jì) 5 3 硬件模塊設(shè)計(jì) 主芯片模塊的介紹 MSP430 的簡介 MSP430 單片機(jī)是一種 16 位微控制處理器，精簡指令架構(gòu)，并且具有豐富的位尋址方式（七種源處理操作數(shù)尋址和四種目的定時(shí)操作數(shù)尋址），方便的 27條內(nèi)核指令和大量的模擬數(shù)據(jù)指令 。非常多的寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的芯片可以用于參加各種高效計(jì)算的 。高效查找表處理命令指令。這些特性保證源的高效率的準(zhǔn)備。 MSP430 MCU 系列集成了豐富的片上外設(shè)。它們分別是，定時(shí)器， SPI， I2C，硬件乘法器， LCD 驅(qū)動(dòng)器，看門狗（ WDT），十幾個(gè)不同的外設(shè)組合 / 12 位 DCA， I / O 端口，基本定時(shí)器（基本定 時(shí)器），實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）和 USB 控制器等模塊，其中，看門狗復(fù)位可以使失控程序迅速回到正常狀態(tài)下。定時(shí)器都是異步 16 位定時(shí)器，具有多大 7個(gè)比較寄存器和 4中運(yùn)行模式。 DCA 模塊具有內(nèi)部外部參考電壓選項(xiàng)，同時(shí)還能配置 8 位或則 12位工作模式。 LCD 控制器可以自動(dòng)生成達(dá)到 196段信號，能夠直接驅(qū)動(dòng) LCD 顯示器。然而 MSP430 可以支持靜態(tài)，多路復(fù)用。 LCD功耗極低不僅擁有多段而且還具備阻斷功能。還有些外設(shè)都很好的與單片機(jī)結(jié)合，給開發(fā)者提供方便簡潔。 主要性能 （ 1） 高性能十六位架構(gòu) （ 2）超低功耗量最低 120 181。A/MHz @ （ 3） 自我喚醒功能、 RAM 保持模式 (LPM3)：最低 @ （ 4） MSP430 平臺內(nèi)包括五代超低功耗、高度集成的微處理器產(chǎn)品 （ 5） 25MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns 的指令周期 （ 6） 實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換 （ 7） 硬件 I2C 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲器串行擴(kuò)展 （ 8） 采用 RISC 精簡指令集，單個(gè)時(shí)鐘周期就可以執(zhí)行一條指令 （ 9） 看門狗（ WDT）、模擬比較器 A （ 10） 定時(shí)器 A0（ Timer_A0）、定時(shí)器 A1（ Timer_A1）、定時(shí) 器 B0（ Timer_B0） （ 11） 模擬比較器 來 進(jìn)行模擬電壓比較，配合 了 定時(shí)器， 所以 設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器 （ 12） 不需要仿真器和編程器，開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言 硬件模塊設(shè)計(jì) 6 芯片引腳圖及各引腳功能 由于本系統(tǒng)所用的芯片為 MSP430F149 這款芯片，這款芯片的引腳繁多，操作也有些不同，所以我們必須對每個(gè)引腳的功能明確。如圖 。 圖 各引腳的的功能如表 所示： 表 引腳功能表 引腳號 引腳名稱 引腳類型 MSP430F149的引腳功能 1 DVCC 數(shù)字供電電源負(fù)端，為所有數(shù)字部分供電 62 AVSS 模擬供電電源的負(fù)端，并且為 ADC和 DAC模擬部分提供電源 63 DVSS 數(shù)字供電電源正端 .為所有數(shù)字部分供電 64 AVCC 模擬供電電源的正端，只能為 ADC和 DAC模擬部分提供電源 59 － 12位 ADC 60 － 12位 ADC 硬件模塊設(shè)計(jì) 7 61 － 12位 ADC 2 － 12位 ADC 3 － 12位 ADC 4 － 12位 ADC 5 C0 I/O 通用數(shù)字 I/O 口 /模擬量輸入 A6－ 12 位 ADC /輸出 6 C1 I/O 通用數(shù)字 I/O 口 /模擬量輸入 A7－ 12 位 ADC / 輸出 ,SVS輸入 7 RESERVED /VREF+ /O 保留 ,不要連接捆扎 /內(nèi)部參考電壓的正輸出引腳 8 XIN I 晶體振蕩器 XT1輸入端口 ,可連接標(biāo)準(zhǔn)晶振或時(shí)鐘晶振 9 XOUT/TCLK O/I 晶體振蕩器 XT1輸出端 /測試時(shí)鐘輸入 10 DVSS/VeREF+ I/P 連接到 DVSS/外部參考電壓的輸入 11 DVSS/VREF /VeREF I /O 連接到 DVSS /內(nèi)部參考電壓或外加參考電壓的引腳 12 13 ： CCI0A輸入，比較：OUT0輸出 15 ： CCI2A輸入，比較：OUT2輸出 16 17 ，比較： OUT0輸出 18 ，比較： OUT1輸出 19 ，比較： OUT2輸出 20 21 TAINCLK I/O 通用數(shù)字 I/O引腳 /定時(shí)器 A， INCLK上的時(shí)鐘信號 硬件模塊設(shè)計(jì) 8 22 /TA0 I/O 通用數(shù)字 I/O 引腳 /定時(shí)器 A捕獲： CCI0B 輸入 /比較器輸出 23 A1 I/O 通用數(shù)字 I/O引腳 /定時(shí)器 A，比較： OUT1輸出 26 ADC12CLK I/O 通用數(shù)字 I/O 引腳 /轉(zhuǎn)換時(shí)鐘－ 12 位 ADC， DMA 通道 0外部觸發(fā)器 27 ： OUT0輸出 28 ， USART0/SPI模式從設(shè)備傳輸使能端 29 /SDA I/O 通用數(shù)字 I/O引腳， USART0/SPI模式的從入 /主出， I C數(shù)據(jù) 30 ， USART0/SPI模式的從出 /主入 31 SCL I/O 通用數(shù)字 I/O引腳， USART0/SPI模式的外部時(shí)鐘輸入，I C時(shí)鐘輸出 32 ， USART0/UART模式的傳輸數(shù)據(jù)輸出 33 ， USART0/UART模式的接收數(shù)據(jù)輸入 34 ， USI1/UART模式的發(fā)送數(shù)據(jù)輸出 35 ， USI1/UART模式的接收數(shù)據(jù)輸入 36 ,捕捉； CCI0A或 CCI0B輸入、比較 :Out0輸出捕獲 I/P或者 PWM