【文章內(nèi)容簡介】 5 主要包括 MCU、溫度傳感器、電源、鍵盤、顯示部分、報警電路和無線模塊。溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的功能是檢測采集點的溫度，并能夠?qū)囟葦?shù)值在現(xiàn)場和通過傳輸后在上位機(jī)中顯示出來，且在溫度超過預(yù)設(shè)的警戒值時進(jìn)行報警。 無線通信系統(tǒng) 無線通信系統(tǒng)是聯(lián)系溫度數(shù)據(jù)采集端和上位機(jī)的紐帶。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 接收系統(tǒng)的基本框圖 無線通信系統(tǒng)的核心在于無線模塊的建立，要適合于可移動的應(yīng)用條件，無線模塊采用的無線通信技術(shù)是關(guān)鍵。在圖中可看出溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的溫度信 號打包傳送到無線模塊，由無線模塊進(jìn)行信號調(diào)制和功率放大等操作后，將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到接收端的無線模塊進(jìn)行解調(diào)等操作后，通過 MCU 連接的 MAX3232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到與上位機(jī)通信的目的，從而實現(xiàn)了無線傳輸功能。 系統(tǒng)相關(guān)器件的選型 根據(jù)以上系統(tǒng)設(shè)計的要求來選擇符合要求的器件類型。 MCU 的選擇 MCU 作為一個系統(tǒng)的核心器件，它的選擇影響著這個系統(tǒng)的優(yōu)劣和功能的實現(xiàn)。目前工控領(lǐng)域中常使用的微控制器有：應(yīng)用最廣泛的 51 系列 8 位單片機(jī)、針對大量計算的數(shù)字信號處理器 DSP、一些增強(qiáng)型的 16 位單片機(jī)和 32 位的 ARM 芯片。從八十年代初 51 系列單片機(jī)就開始流行了，在技術(shù)開發(fā)方面已經(jīng)很成熟了，只是功能實現(xiàn)方面相對簡單； DSP 功能側(cè)重于有大量信號需要處理的場合，但價格偏高，開發(fā)難度較大； ARM 芯片和 DSP 有某些相似之處，在小型系統(tǒng)中增強(qiáng)型的 16 為單片機(jī)已經(jīng)能夠滿足需求。 針對各種不同應(yīng)用場合，各大公司都推出了增強(qiáng)型單片機(jī)，如 AVR 系列、Philips 的 PCF80C51 系列等，這些增強(qiáng)型單片機(jī)大多處理速度都比較快、嵌入了多種實用的功能模塊及接口、內(nèi)部包 含有大容量的存儲存。 TI 公司 MSP430 系列單片機(jī)就屬于這樣一種 16 位的增強(qiáng)型單片機(jī)，其在性價比方面就具有一定的優(yōu)勢，具有 RISC 指令集，功能豐富，主要用于低功耗應(yīng)用。針對上述系統(tǒng)設(shè)計要求， MSP430 系列單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計。本文選用 MSP430F449。 6 溫度傳感器的選擇 溫度是一種常見的基礎(chǔ)物理量，我們的生產(chǎn)生活無不與之有密切的關(guān)系。溫度傳感器是開發(fā)較早、應(yīng)用較廣的一類傳感器。在半導(dǎo)體技術(shù)的支撐下，溫度傳感器主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和集成溫度傳感器四種類型。 溫度傳 感器的多樣性，能夠滿足不同系統(tǒng)及場合的需求。本文主要研究針對溫室、蔬菜大棚的溫度數(shù)據(jù)采集，需要的測量范圍為 10～ 50℃，精度在 ～ 1℃即可。根據(jù)以上考慮結(jié)合設(shè)計簡單，成本低等綜合考慮，選取數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 無線方式及射頻芯片的選擇 無線通信技術(shù)的范圍很廣，在一般意義上說，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，都可成為無線通信。一般使用數(shù)字信號單片射頻收發(fā)芯片加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用的無線通信模塊。通信模塊一般包含簡 單的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，只需根據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能。射頻收發(fā)芯片的選擇可以參考一下幾個方面：（ 1）射頻收發(fā)芯片的功耗；（ 2）射頻收發(fā)芯片的外圍元器件；（ 3）射頻收發(fā)芯片的發(fā)射功率；（ 4）射頻收發(fā)芯片的工作電壓和封裝；（ 5）芯片抗干擾能力等。下面對幾種常見的射頻收發(fā)芯片列表，將其芯片的性能特點羅列作一些比較，從而選出較適合本系統(tǒng)的射頻收發(fā)芯片。詳見表 。 表 幾種常見射頻收發(fā)芯片比較 由表所 列性能特點相比較可以看出，在工作發(fā)送接收電流方面， Nordic 公司的 nRF401 和 nRF905 所產(chǎn)生的電流要遠(yuǎn)小于其它兩個芯片；在所需外圍元器件 Nordic 公司的芯片集成度明顯比其它兩個高，所需元件少。綜合其它本系統(tǒng)所需要求，本文選用挪威公司的單片射頻收發(fā)芯片 nRF905，該芯片工作在 433/868/915MHz 的 ISM 頻段上，可滿足低功耗、開發(fā)周期短的要求且集成模塊小便于嵌入其他設(shè)備中使用。 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有溫度傳感器、 MCU、電源、顯示部分、報 警電路和無線模塊組成的。溫度數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)主要是由溫度傳感器及 MCU 完成的，傳感器是獲得溫度信息的有效途徑，是對原始信號測量，控制的關(guān)鍵器件，只有通過傳感器獲得有效準(zhǔn)確的原始信號，才能保證后續(xù)工作的可靠性和穩(wěn)定性。本文所采用的溫度傳感器是數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，能夠?qū)y量到得溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，精確度高；不需要經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換、采樣、量化、編碼等過程，使得設(shè)計簡便。 MCU 采用低功耗單片機(jī) MSP430F449，通過 MCU 對信號進(jìn)行處理、存儲和控制，然后經(jīng)由無線通信模塊進(jìn)行收發(fā)與上位機(jī) 進(jìn)行通信。下面將對溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的論述。 MSP430F449 單片機(jī) TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī)是超低功耗類的 16 位單片機(jī)。它采用 RISC內(nèi)核結(jié)構(gòu)，特別適合于應(yīng)用電池的場合或手持設(shè)備。同時，該系列單片機(jī)將大量的外圍模塊（如液晶驅(qū)動器、看門狗、 A/D 轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、模擬比較器等）集成到片內(nèi)，特別適合于設(shè)計片上系統(tǒng)。 MSP430F449 采用 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲器，性能價格比很高。它的特點包括： 超低的功耗 ：能夠在 ~ 的電壓下工作；具有工作模式 (AM)和 5種低功耗模式 (LPM)。在低功耗模式下， CPU 可以被中斷喚醒，響應(yīng)時間小于6ps。 較強(qiáng)的運(yùn)算能力： 16 位的 RISC 結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式；具有 16 個中斷源，可以任意嵌套；在 8MHz 時鐘驅(qū)動下指令周期可達(dá) 125ns； 內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達(dá) 64KB 的 Flash 程序空間和 2KB 的 RAM，為存儲數(shù)據(jù)和運(yùn)算提供了保證。 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時器，基本定時器，比較器， 16 位定時器 (TA、 TB)，串口 0、 1，液晶顯示驅(qū)動器， 6 個 8 位的 I／ O 端口， 12 位 ADC (最高采樣率 200kHz)等。豐富的片上外設(shè)可以很方便地構(gòu)建一個較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時序控制任務(wù)的完成。 方便高效的開發(fā)環(huán)境： MSP430F449 是 Flash 型器件，片內(nèi)有調(diào)試接口和電可擦寫的 Flash 存儲器，可以先下載程序到 Flash 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計師調(diào)試。這種方式不需要仿真器和編程器，調(diào)試十分方便。 8 數(shù)字溫 度傳感器 DS18B20 DS18B20 的性能特點 DS18B20 是由 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線型智能數(shù)字溫度傳感器，是新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，具有體積小、接口方便和傳輸距離遠(yuǎn)的特點，在一根通信線上可以掛很多個 DS18B20，很方便。具有以下特點： （ 1）具有獨特的 1Wire 接口，只需要一個端口引腳就可以進(jìn)行通信； （ 2）具備多節(jié)點能力，能夠簡化分布式溫度檢測應(yīng)用中的設(shè)計； （ 3）不需要外部元件； （ 4）可以直接從數(shù)據(jù)線供電，電源電壓范圍在 3～ ； （ 5）在待機(jī)狀態(tài)下可以不消耗電源電量； （ 6）測量溫度范圍在 55～ +125℃； （ 7）在 10～ +85℃時測量精度在177。 ℃； （ 8）可以用程序設(shè)定 9～ 12 位分辨率； （ 9）用戶可根據(jù)需要定義溫度的上下限報警設(shè)置。 DS18B203 腳封裝的管腳排列圖如圖 所示。 圖 DS18B20 管腳排列圖 DS18B20 只有三個引腳。其中，引腳 1 和 3 分別是 GND 和 VDD，引腳 2 是 DQ 端，是用于數(shù)據(jù)信息的輸入和輸出。當(dāng)給 DS18B20 加電后，單片機(jī)可以通過 DQ 端寫入命令，并可以讀出含有溫度信息的數(shù)字量。在使用寄生電源情況下，可以向 DS18B20 提供電源。 DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 所示。 圖 DS18B20 的內(nèi)部框圖 9 上電后， DS18B20 進(jìn)入空閑狀態(tài)；當(dāng) MCU 向 DS18B20 發(fā)出 Convert T [44h]的命令后， DS18B20 向 MCU 傳送轉(zhuǎn)換狀態(tài)，開始溫度測量和 A/D 轉(zhuǎn) 換。溫度數(shù)據(jù)以帶符號位的補(bǔ)碼形式存儲在溫度寄存器中，溫度寄存器格式如圖 所示。 圖 DS18B20 溫度寄存器格式 溫度的正負(fù)值是由符號為來說明的，正為 0，負(fù)為 1。表 給出一部分?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系。 表 DS18B20 溫度與數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系 DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的溫度測量原理框圖如圖 所示。主要由斜坡累加器低溫、高溫系數(shù)振蕩器、計 數(shù)器和溫度寄存器組成的。斜坡累加器主要是用來補(bǔ)償測量溫度過程中產(chǎn)生的非線性的，從而可達(dá)到較高的分辨率，并決定計數(shù)器 1 的重置。低溫系數(shù)振蕩器主要是用于產(chǎn)生脈沖信號，它受溫度影響不大。高溫系數(shù)振蕩器主要是作為計數(shù)器 2 的輸入，用于決定門周期，受溫度影響較大。 DS18B20 的測溫過程如下： （ 1） 預(yù)置計數(shù)器 1 和溫度寄存器。預(yù)置值為 55℃所對應(yīng)的某一基數(shù)。 （ 2） 當(dāng)?shù)蜏叵禂?shù)振蕩器產(chǎn)生一個脈沖時，計數(shù)器 1 就減 1。 （ 3） 當(dāng)計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器加 1，同時將計數(shù)器 1 重置。 （ 4） 在計數(shù)器 2 減到 0（即門周期結(jié)束）之前，重復(fù)對低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器 2 減至 0（即門周期結(jié)束）時，溫度寄存器停止累加。此時溫度寄存器中的值就是所測溫度。 10 圖 DS18B20 溫度測量原理框圖 MSP430F449 與 DS18B20 的連接 DS18B20 只有一個數(shù)據(jù)輸入輸出端，根據(jù) DS18B20 的單總線特性，可以將多個 DS18B20 掛在同一條總線，理論上可以是多個，但在實際應(yīng)用上，要考慮到總線的驅(qū)動能力，在設(shè)計時一條總線上 DS18B20 的數(shù)目不已超過 8 個。 MSP430F449 與 DS18B20 的連接如圖 所示。 圖 MSP430F449 與 DS18B20 的連接圖 鍵盤及報警模塊 根據(jù)系統(tǒng)需要，本文只需設(shè)置四個按鍵即可。選用獨立按鍵式鍵盤 MSP430F449 的 I/O 口資源豐富，按鍵可以直接與單片機(jī) MSP430F449 的 P1 口相連，再通過上拉電阻與電源相連接，不需要其他硬件。工作時只有當(dāng)有鍵按下時， I/O 的中斷標(biāo)志位才置高，向 CPU 發(fā)出中斷請求，對按鍵 進(jìn)行相應(yīng)處理。 報警電路采用蜂鳴器進(jìn)行報警，可直接通過與 MSP430F449 的 P1 口連接，通過控制 P 口的輸出電平的高低，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警音，能夠?qū)崿F(xiàn)報警功能。 11 單片射頻收發(fā)芯片 nRF905 nRF905的介紹 nRF905是挪威公司生產(chǎn)的一款無線射頻收發(fā)芯片，工作于 433/868/915MHz的 ISM 頻段，多通道工作且通道切換時間小于 650μ s?？?