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无线多点温度测量系统设计
摘 要
温度是人类生活和生产的最重要的物理量之一。精密，追求快速，在温度测量中的可靠性和经济性是自然科学中的一个长期的问题。当存在长途或布线问题的情况下，需要利用无线技术来完成测量任务。本文提供了一种基于MSP430F149和 DS18B20 的无线测量多点温度的方法。该系统采用MSP430F149单片机为核心控制部件，控制无 线数字传输芯片nRF24L01 在增强的冲击脉冲模式下将几个DS18B20芯片采集的温度数 据传输。此外，该系统采用超低功耗设计，很长一段时间只需要3V 电池。结果表明，该系统能很好地工作在低功耗。在硬件上， 共有四个部分组成，无线通信模块nRF24L01， 温度数据采集电路，显示模块和串行通信模块。采用模块化设计，软件由上位机和下位机组成。测试结果表明，系统运行稳定，控制方便。它可以实时的测量温度，并且在低功耗可靠地传送无线数据。
关键词 MSP430F149；DS18B20；NRF24L01；无线通信；多点测量
一、引言
温度在人们的日常生活中起着非常重要的作用，人们不仅关注日常环境温度，而且在今天，许多地区的工业化，冶金，化工，机械制造，食品贮藏柜设备需要有效的温度监测。
传统的温度测量是有线和定点，并大多采用热敏电阻或热电偶来测量温度的[1]。 然而，模拟温度传感器的输出是模拟信号必须经过A /D转换，以获得数字信号，并且 该温度数据采集电路，有时需要增加一个冷端补偿电路，它肯定会增加的复杂性的电路，该电路容易受到干扰，因此， 所收集的数据的准确度不高，并且有线传输的架空线是不容易的。因此， 一个性能良好的选择，一个简单的数字温度传感器和无线传输模块是必要的。在某些情况下，无线通信是温度测量的必要途径。无线通信具有以下显着优点：首先， 电磁波作为传输介质，也没有必要设置电缆或光纤，从而避免了电缆传输的一些 固有的问题，例如，成本高，周期长等[1];其次，它具有良好的可扩展性; 最后，它带 有电路简单， 功耗低， 体积小等优点。因此， 本设计选用的智能集成数字传感器DS18B20 作为采集温度数据，其性能优异，传输使用新的高速无线收发nRF24L01 作为传送和接收温度数据。考虑到功耗也是现代工业控制的一个重要参数，因此本设计采用低功 耗 16 位单片机MSP430F149来构建系统的核心。该系统可以实现多点实时测量，便于远程控制。本系统特是低功耗，实时和无线传输。
二、系统的体系结构
该系统由上位机和下位机，PC 机组成。下位机是整个系统的底层，完成收集，处理和发送温度。上位机是完成接收和显示温度，并有报警功能的系统。上位机通过串行点连接到电脑， 然后将得到的温度值传到PC并显示。上下位机之间通过 NRF24L01无线。 本设计采MSP430F149单片机为核心控制模块，其最重要的特点是低功耗的[2]。单片 机 MSP430F149具有双串口。当使用一个串行口与PC机进行通信，这将需要一个RS232 电平转换芯片。微控制器和无线发射模块nRF24L01 通过通用I/O口模拟 SPI 串行时间 序列进行交流。实时温度数据的采集是由于DS18B20温度传感器。需要注意的是，发送和接收装置，所有部件都必须采用5V 电源供电，除了通信模块以外；通信模块需要一个 3.3V的电源供电。因此，AZ1117-3.3稳压模块在发送和接收设备中应用于一个5 V电源转换为3.3V电源供电， AZ1117-3.3的最大输出电流可达1A，足以驱动无线模块。下位机和整个系统的框图分别如图1 和图2。
图 1下位机的设计图
图2 系统框图
三、硬件设计
A：无线通信模块
该系统的无线通信模块采用nRF2401 的模块。无线收发芯片nRF24L01 是在 2.4 ~ 2.5GHz 的高速 2Mbps [3]工作。该 nRF2401 芯片采用 125 道开关时间小于200us 通道间， 满足多点通信和跳频。芯片 nRF2401 的突出优势在于它的低功耗设计。无线收发信机包 括：频率发生器增强ShockBurst模型 [4]控制器，功率放大器，晶体振荡器，调制器，解调器。其发射功率，速度，和通信信道可以通过流程配置。nRF24L01 功耗很低漏，当它工作在传输模式和传输功耗-6dB ，电流为 9mA，在接收模式下工作时，电流为12.3mA。
在掉电模式和待机模式电流消耗低。这些特点使节能设计更方便。它的接口电路如图3所示。
图 3 nRF24L01接口电路
可以从这个图看出，可以用单片机IO 口模拟 SPI 串口通信。该系统采用MSP430F149 单片机作为微控制器，利用单片机的SPI 接口的标准，单片机P3.1~ 3.3 ， p2.5~ 2.7 被配置为通用I / O端口，并连接到NRF24L01 的 CE， CSN， SCK， MISO,MOSI,IRQ 控制 NRF24L01工作。芯片 nRF2401 的四种操作模式被激活（TX / RX ），配置，待机和断电。模式的选择是通过使用三个管脚，PWR_U，P CE和 CS[3] 。
主动（ TX / RX）模式： nRF2401 的有两种激活（TX /RX）模式，这是的ShockBurst模式和直接模式。在ShockBurst模式的条件下，先入先出(FIFO) 的应用在芯片堆栈 确保低转速和高速度（最高1Mbps）的数据从单片机传输。这样做是可以节省能源的最 佳和提高系统的抗干扰能力的优势，所以该系统选择nRF2401 作为突发ShockBurst 工作模式。发送过程中遵循以下步骤：（1）当单片机处理DS18B20采集的温度值并发送，nRF2401 CE引脚应设置高使nRF2401 操作；（ 2）接收地址 （地址）和发送数据（有效载荷）发送到以下的时间序列数据；（3）单片机集CE低激活突发ShockBurst发送方式。在那之后，nRF2401会自动添加前导（ pre-amble）和 CRC校验码，并发送数据。
接收过程如下：（ 1）在配置模式下，设定 nRF2401 的正确的本地地址和有效数（有效载荷）的宽度; （ 2）单片机设置高CE 引脚激活接收模式；（3）当我们达到200us ，开始监测nRF2401 发送信号；（4）当接收到正确的信号，有效的数据（有效载荷）会 自动挑选出；（ 5）数据集高DR1引脚通知的单片机完成数据采集；（ 6）单片机读取数 据。注意，如果没有设置CE引脚的低数据采集完成后，接收器将继续接收数据。
配置模式：进入配置模式后，nRF2401的性质和条件可以修改。根据系统的要求，以下配置了nRF2401：仅使用信道1 和设置通道地址两个字节宽度；开放的CRC校验， 并采用 16位单片机的CRC校验；选择 ShockBurst收发模式， 其传输速率为250 kbps ；采用6MHz的晶体振荡器，其传输频率2402Mhz 和传输功率为0dBm。最后一个字节的 最低显著位（LSB）被称为 RXEN。的 nRF2401 的发送和接收特性可简单地通过改变最后 的值被改变。
B. 温度采集模块
传统的温度检测热敏电阻传感器的使用，但其测量精度较低，不可靠的，必须通过 A/D 转换接口电路转换为数字信号，然后才可以被发送到微处理器进行处理。这使得温 度测量装置的结构更为复杂的。同时，系统的安全性和可靠性的同时减少了。因此， 本设计采用单总线数字温度传感器DS18B20。
DS18B20是 DALLAS生产的一种数字温度传感器[5-7]，其测量范围是55 ℃~ 125℃。 在-10 ℃ ~85℃范围内，分辨率为0.0625 ℃，测温精度为plusmn;0.5 ℃。它具有体积小，功耗低，性能高，抗干扰能力强，使用方便等特点。与单片机和DS18B20信息交换只需要 一个 I / O口线，并且所使用的读/ 写温度转换也可以从数据总线产生的功率，而不需要额外的功率。每个DS18B20都有一个独特的识别号码，它特别适合于构成一个多通道，多点温度测量系统。DS18B20的典型应用电路如图4 所示。
图4 DS18B20应用电路
根据传感器的电气特性，一般可以采取两种方法来测量多点温度[ 8 ]：的单端口的方法， 单总线多点温度测量和多端口并联驱动。单端口的连接图，单总线多点测温如下图 5 所示。
图5 单端口连接图，单总线测温
如上图所示，在总线上的多个DS18B20级联， 简单的连接共享一个I/O端口， 从而节省了硬件资源。多端口并联驱动方法如下。
图6 多端口并行测温原理图
此连接可以节省接收命令和数据处理的时间，但更多的占用I/O口资源。 单线总线 设计可以大大减少硬件连接和扩展的复杂性，但编程的难度也会相应增加。需要编程过 程中特别注意是DQ线的时间序列，如在复位操作，阅读过程的操作，操作等基本操作的写作，DQ 定时必须严格遵守。在基本操作完成的基础上，进一步的操作，如温度转 换操作需要一定的顺序了。因此，考虑这两个事实在一起时，该模块中选择单口，单总线连接。
C. 显示模块
本设计由两部分组成：发送者和接收者，所以有两个显示模块。在发送方，数码管显示四个温度传感器的温度; 同时，在接收器，液晶 1602 显示接收到的四个温度。此外，接收器还连接到蜂鸣器，当温度超过设定极限就报警，蜂鸣器频率可以通过程序来设置。
D. 串口通信模块
在温度采集的过程中，为了显示温度在PC机上实时， 所以单片机和PC机之间的通 信是必要的。PC通过 RS232电平 [ 9 ]，不同于 TTL电平单片机的使用，因此，电平转 换芯片 MAX232是必要的，它的单片机与PC机之间的相互沟通是成功的。串口通信电路如下。
图7 串口通信电路
四、软件设计
软件采用了模块化的设计方法。无线多点温度测量系统由3 部分组成，上位机， 下位机和PC机。下位机采集到的温度信息发送给上位机。有4 个温度传感器，但只有一 个是允许在同一时间发送数据。因此有必要对传感器进行编号，并根据一定的通信协议 传输数据。软件分为上位机程序，下位机程序[10]。在较低的计算机程序，通过DS18B20传感器采集的实时温度信息被装载到发送分组采样和编码之后，通过数码管同时显示。在收到发射指令，下位机发送的数据包传输到上位机，否则会留在模式3，消耗更少的功率。下位机的程序流程图。
图8 下位机程序流程图
发送程序：程序开始时，先是开始初始化配置。在此之后，温度传感器相关的子程 序被调用来启动温度传感器；发送一个蜂鸣器提示后，调用子程序，数据会进入单片ShockBurst发送模式首先发送一个测试数值。然后，程序进入循环发射的阶段：单片 机将不断发送当前温度值，直到新的温度进行采集和处理，然后它会不断地将新的温度 值，以同样的方式完成了剩下的。需要注意的是对温度处理这里所述的是对温度值的形 式由单片机分别对十位，个位数和小数位数的转换。
超限报警应考虑在温度控制程序的设计。通过比较接收到的温度值与设定值，如果 接收值超限上位机将发出报警信号。因此，上位机程序主要包括系统初始化，温度读数，温度显示，报警，无线传输和接收信号。本节的流程如图9所示。
图9 上位机程序流程图
接收过程：首先，串行端口应该初始化。nRF2401 初始化配置过程中是类似发送模式。当蜂鸣器报警接收过程开始，然后配置nRF2401 接收模式。在那之后，程序进入循环阶段：当它接收到的数据包的发送端，要做的第一件事是判断数据包是否正确（地址匹配和CRC校验的数据包正确）。只有正确的数据包可以获得成功，否则它将获得新的 数据。当接收机接收到正确的数据，然后判断是否收到的这段时间温度值与前一个相同，如果是的话，它将直接显示温度值在数码管，如果不是，它将首先通过串口发送到PC 机的温度值，并显示在数码管。这就在于可以减少重复温度冗余显示在PC不影响实时 温度监测的优势，并能提高数码管的刷新率。由于人眼的视觉暂留，他们不会看到一个数码管闪烁现象。
五、结果及分析
当程序被下载到微控制器，数码管的下位机显示 4 个 DS18B20的温度循环，同时，在上位机的液晶显示器上周期性地显示接收到的温度值。该过程如果温度值超过 20摄氏度，蜂鸣器会报警，以提醒来控制温度的用户。物理连接如下图所示。
当上位机进入LPM3（睡眠）模式，液晶显示器不显示，但内部时钟仍在运行。在这个时候，如果级联安培计到电路中，电流值约为4mu; A，证明该系统实现超低功耗。
图10 物理连接图
结论
多次测试表明，数码管和液晶显示相应的温度值是相同的，显示无线模块nRF24L01 工作平稳，同时错误率低。无线模块的最大传输距离约100米。本文介绍了基于 MSP430F149 单片机的软件和硬件设计，多点无线测温系统的核心。实验结果表
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