【正文】 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了工作于 頻段 nRF24L01 射頻芯片，并有低功耗單片機(jī) MSP430F149 控制實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過(guò) nRF24L01 無(wú)線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。將采集的溫度無(wú)線傳送給接收部分，然后再在數(shù)碼管上顯示 。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 單片機(jī)在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中的迅猛發(fā)展，與單片機(jī)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)有關(guān)： （ 1） 單片機(jī)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(jiǎn)潔、易行，能方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能 ； （ 3） 由于構(gòu)成的系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，相當(dāng)多的功能由軟件實(shí)現(xiàn)，故具有柔性特點(diǎn)和優(yōu)異的性能價(jià)格比 ； 對(duì) msp430f149 可以制作兩個(gè)最小系統(tǒng)（一個(gè)控制發(fā)送端，一個(gè)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。 數(shù)碼管顯示部分雖然較簡(jiǎn)單但是在調(diào)試過(guò)程有重要作用，是顯示軟硬件好使的必 要條件，不可忽視。 無(wú)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(biāo)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。要求完成硬件模塊的設(shè)計(jì)和電路板的制作。 溫度測(cè)量范圍： 0176。C，傳輸距離 30m。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(jiǎn)單介紹了課題的研究背景、目的和意義，無(wú)線溫度檢測(cè)的國(guó)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(jì)的預(yù)期結(jié)果和意義。 第 3 章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本章介紹本課題硬件系統(tǒng)各部分電路的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn) ，講述了各模塊的功能。 第 5 章 系統(tǒng)的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本章根據(jù)已有的軟硬件，進(jìn)行調(diào)試，得到的相應(yīng)成果。 哈爾濱工程大學(xué)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(jiǎn)介 MSP430 系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（ TI） 1996 年開始推向市場(chǎng)的一種16 位超低 MSP430 單片機(jī)功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（ RISC）的混合信號(hào)處理器（ Mixed Signal Processor）。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中 [4]。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效 率的源程序。 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(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。首先，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 電壓。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（ 32768Hz），哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM）和五種低 功耗模式（ LPM0～ LPM4）。 （ 4） 片內(nèi)資源豐富 MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時(shí)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(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)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(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I2C 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的 DMA模塊。 另外， MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。 （ 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。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 IAR 開發(fā)軟件 IAR Embedded Workbench 是一套高度精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開發(fā)工具。通過(guò)其內(nèi)置的針對(duì)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。 模塊化和可擴(kuò)展的集成開發(fā)環(huán)境 （ 1） 用于構(gòu)建和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序的無(wú)縫集成開發(fā) 環(huán)境 ； （ 2） 強(qiáng)大的工程管理器，允許同一工作區(qū)管理多個(gè)工程 ； （ 3） 工程的層次化表示方法 ； （ 4） 可停靠窗口和浮動(dòng)窗口管理 ； （ 5） 智能型源文件瀏覽器 ； （ 6） 帶有代碼模板和支持多字節(jié)等豐富特色的編輯器 ； （ 7） 可以在全局層次、源文件組層次、或者單個(gè)的源文件層次上進(jìn)行配置 ； （ 8） 靈活的工程編譯，如批量編譯，前 /后編譯或在編譯過(guò)程中訪問(wèn)外部工具的客戶定制編譯 ； （ 9） 集成了源代碼控制系統(tǒng)的接口 ； （ 10） 為多種芯片提供配套的現(xiàn)成的頭文件，芯片描述文件和鏈接器命令文件 ； 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 （ 11） 為多種 MSPFET430 工具提供現(xiàn)成代碼和工程范例 ； 高度優(yōu)化的 C/C++編譯器 （ 1） 支持 C， EC++和擴(kuò)展 EC++，并且包含有模板，名字空間和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（ STL）等 ； （ 2） MISRA C 檢查器 ； （ 3） 支持所有 MSP430 和 MSP430X 架構(gòu)的芯片 ； （ 4） 針對(duì)特定目標(biāo)的嵌入式應(yīng)用程序的語(yǔ)言擴(kuò)展 用于數(shù)據(jù) /函數(shù)定義和存儲(chǔ)器及類型屬性 聲明的擴(kuò)展關(guān)鍵字使用 Pragma 指令控制編譯器行為，比如用來(lái)分配內(nèi)存在 C 源碼中可直接訪問(wèn)的本征函數(shù)，從而執(zhí)行低級(jí)處理器操作，例如 MSP430 省電模式 ； （ 5） 通過(guò)專用實(shí)時(shí)庫(kù)模塊支持硬件 乘法器外設(shè)模塊 ； （ 6） 位置無(wú)關(guān)代碼 ； （ 7） 32 位和 64 位標(biāo)準(zhǔn) IEEE 格式的浮點(diǎn)類型 ； （ 8） 對(duì)代碼的大小和執(zhí)行速度多級(jí)優(yōu)化，允許不同的轉(zhuǎn)換形式，例如函數(shù)內(nèi)聯(lián)和循環(huán)展開等等 ； （ 9） 高級(jí)的全局優(yōu)化和特定優(yōu)化相結(jié)合，可以生成最為緊湊和穩(wěn)定的代碼 [7]； 本章小結(jié) 本章主要簡(jiǎn)要介紹了 msp430 單片機(jī)的軟硬件系統(tǒng)和特點(diǎn)以及 msp430 的編程 開發(fā)環(huán)境 IAR 的一些特點(diǎn)，為接下來(lái)的硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)做了鋪墊。而且本文采用nRF24L01 模塊對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問(wèn)題，使測(cè)溫操作更易實(shí)現(xiàn)。 圖 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖 溫度采 集模塊 該模塊采用美國(guó) DALLAS 公司推出的數(shù)字測(cè)溫芯片 DS18B20，該芯片具有體積小，多種封裝形式，獨(dú)特的單線接口等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)中溫度傳感器輸出腳I/O 直接與單片機(jī)的 相連，外接 KΩ的上拉電阻到電源，采用 MSP430的電源供電 [8]。 MCU溫度檢測(cè)模塊無(wú)線發(fā)射模塊MCU溫度顯示模塊無(wú)線接收模塊哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 圖 DS18B20 芯片封裝 DS18B20 的管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 引腳定義： (1)DQ 為單數(shù)據(jù)總線，是數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； (2)GND 為電源地； (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 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(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測(cè)到 的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式 ,如 SPI/ IIC/ MICROWIRE 不同 ,它采用單根電源檢測(cè)6 4 位 R O M和單 線 接 口存 儲(chǔ) 器 和 控 制 器高 速 緩 存 存 儲(chǔ) 器8 位 C R C 生 成 器溫 度 靈 敏 元 件低 溫 觸 發(fā) 器高 溫 觸 發(fā) 器配 置 寄 存 器哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 信號(hào)線 ,既傳輸時(shí)鐘 ,又傳輸數(shù)據(jù) ,而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。 DS18B20 的工作原理 DS18B20 的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。在講解其工作流程之前我們有必要了解 18B20 的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。 （ 2） RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用 于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共 9 個(gè)字節(jié) RAM，每個(gè)字節(jié)為 8 位。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第 8 個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。當(dāng) 18B20 接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在 15~60μS 后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來(lái)將會(huì)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。 （ 3） 控制器發(fā)送 ROM 指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了，ROM 指令共有 5 條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條， ROM 指令分別是讀 ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍 ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個(gè)器件并作處理。 （ 4） 控制器發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令：在 ROM 指令發(fā)送給 18B20 之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令了。存儲(chǔ)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。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機(jī)）必須等待 18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500uS。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細(xì)介紹。如果在多芯片掛接時(shí)使用此指令將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致錯(cuò)誤 出現(xiàn)。芯片允許在讀過(guò)程中用復(fù)位信號(hào)中止讀取，即可以不讀后面不需要的字節(jié)以減少讀取時(shí)間。此后由于芯片忙于溫度轉(zhuǎn)換處理，當(dāng)控制器發(fā)一個(gè)讀時(shí)間隙時(shí)，總線上輸出 “0”，當(dāng)儲(chǔ)存工作完成時(shí)，總線將輸出 “1”。 與 DS18B20的所有通訊都是由一個(gè)單片機(jī)的復(fù)位脈沖和一個(gè) DS18B20的應(yīng)答脈沖開始的。然后，單片機(jī)釋放總線，等待 DS18B20的應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖能保持 60～240μs。 讀時(shí)隙需 15～ 60μs，且在 2次獨(dú)立的讀時(shí)隙之間至少需要 1μs的恢復(fù)時(shí)間。 DS18B20在讀時(shí)隙開始 15μs后開始采樣總線電平。 寫時(shí)隙需要 15～ 75μs，且在 2次獨(dú)立的寫時(shí)隙之間至少需要 1μs的恢復(fù)時(shí)間。 無(wú)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?？赏ㄟ^(guò) SPI 寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá) 10Mbit／ s，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可達(dá) 2Mbit／ s，并且具有自動(dòng)應(yīng)答和 自動(dòng)再發(fā)射功能。該芯片功 耗低， 6dBm 功率發(fā)射時(shí)，工作電流 9mA，接收時(shí)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(jì)更為方便。 圖 無(wú)線收發(fā)模塊硬件結(jié) 構(gòu)圖 nRF24L01 概述 nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM頻段。nRF24L01 功耗低 ,在以 6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9mA。 nRF24L01 主要特性如下： GFSK 調(diào)制 ， 硬件集 成 OSI 鏈路層 ； 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能 ； 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和 CRC 校驗(yàn)碼 ； 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s 或 2Mb/s； SPI 速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s； 125 個(gè)頻道 與其他 nRF24 系列射頻器件相兼容 ； n R F 2 4 L 0 1M S P 4 3 03 2 M1 6 M哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 QFN20 引腳 4 mm4 mm封裝 ； 供電電壓為 V～ V； 引腳功能及描述 nRF24L0