以单片机为核心控制模块的低功耗多路无线温度检测系统设计
温度在人类日常生活中扮演着极其重要的角色，同时在工农业生产过程中，温度检测具有十分重要的意义。现阶段温度检测主要是有线定点温度检测，其温度检测原理为单片机利用温度传感器检测温度，并在数码管或lcd 上进行温度显示。同时由于系统没有报警功能，故需要人为来判断是否需要进行升温或者降温，这使系统的检测丧失了实时性。另外，在某些环境恶劣的工业环境，以人工方式直接操作设置仪表测量温度也不现实，因此采用无线方式进行温度检测尤为必要。
目前有些设计能够实现无线温度采集，但功耗过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性，又需要使系统功耗低及保证温度的均匀性，因此设计一种低功耗的多点无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用低功耗单片机msp430f149 单片机实现的多点无线温度测量系统，解决了上述问题。该系统能实现对温度智能化的检测，能够同时进行多点温度检测，是可以实现远程控制的无线温度检测系统。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。
1 系统构成 系统分为下位机、上位机和pc 机三部分。pc 机是整个系统的最上层，负责对下位机的控制和管理，并对收集到的各个节点的数据进行存储和处理。由于下位机无法直接与pc 机通信，这就需要使用上位机作为中间媒介。上位机与下位机通过无线模块通信，与pc机采用有线连接。
该设计采用msp430f149 单片机作为核心控制模块，其最主要特点为低功耗。msp430f149 具有双串口的特点，利用其中的一个串行口与pc 机进行通讯时，两者之间必须通过rs 232 电平转换芯片。单片机与无线发射模块nrf24l01 通讯时可通过通用i/ o口模拟串口通讯。现场温度数据的采集是利用nt c100 热敏电阻和msp430f149 单片机部带有的12 位a/ d转换器来实现的。这里不需要外加adc，可以简化电路，提高系统的稳定性。将按键作为输入模块，用来改变温度报警的上下限。由于设计要求不需要太多内容的显示，考虑到功耗及性价比，可以自制一个简易段码液晶用于显示。下位机设计方案和系统整体构成框图分别如图1，图2 所示。
图1 下位机设计方案
图2 系统的整体构成
2 硬件设计 2. 1 无线通信模块设计 nrf24l01 是一款新型单片射频收发器件，工作于2. 4~ 2. 5 ghz ism 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型shockburst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nrf24l01 功耗低，有多种低功率工作模式（ 掉电模式和空闲模式） 使节能设计更方便，图3 为它的应用电路。
图3 nrf24l01 应用电路
从单片机控制的角度来看，只需要将图3 中左边的6 个控制和数据信号与单片机通用i/ o 口相连。
2. 2 温度采集电路 为了使整个系统的功耗更低，采用低功耗的热敏电阻nt c100 和msp430149 内部自带的12 位a/ d 转换器实现温度的采集功能。其理论分析与计算电阻值和温度变化之间的关系。
式中： rt 为温度t（ 单位： k） 时的ntc 热敏电阻阻值；rn为额定温度t n （ 单位： k） 时的ntc 热敏电阻阻值；t 为规定温度（ 单位： k） ；b 为ntc 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
常温环境中，温度为28℃，换算成开氏温度为273. 15+ 28= 301. 15 k。通过多次测28℃及30℃环境下的数据，如表1 所示，取平均值，尽量减小误差，算得b 值。
表1 测量ntc100 热敏电阻b 值
通过式（ 1） 可得，将t ，t n 都转化成开尔文温度进行计算得b = 4 064. 34。经过比较发现，求得的阻值与测得的阻值很相近。
图4 为温度采集模块，其中r 1 为热敏电阻，r3 为200 kω电阻，r2 为0~ 20 kω 的可调电阻，用来调整温度计的准确性。u0 为检测到的电压，将u0 接到单片机管脚，通过a/ d 转换，将得到的电压值转换成温度值，在lcd 上显示出来。
图4 温度采集模块
2. 3 显示模块 本次设计采用自制的16 位段码液晶进行显示。利用液晶驱动ic（ ht 1621） 以及配套的液晶lcd 玻璃片，自制16 位段码液晶。另外，驱动ic 上装有两种频率的蜂鸣驱动电路，可以实现报警功能。
2. 4 串口通信模块 在温度采集过程中，由于系统随时需要将采集到的温度数值通过pc 机上的vc 界面进行显示，因此需要在pc 机和单片机之间进行相互通信。由于pc 机的rs 232电平与单片机的ttl 电平不同，因此用max3232 芯片实现电平的相互转换，这样就可以实现单片机与pc 机之间的相互通信。
3 软件设计 系统的软件设计采用模块化设计方法。下位机利用定时中断发送温度数据，利用端口中断设置温度报警的上下限，其他时间处于低功耗模式3 的状态下，这样可以大大降低功耗。上位机利用接收中断接收数据，并且利用max3232 与pc 机通信。
ntc 热敏电阻的主要缺点是热电特性的非线性现象严重，本次设计采用查表法对nt c 热敏电阻进行线性化。线性插值法软件流程如图5 所示。
图5 线性插值法热敏电阻非线性自校正程序流程图
图5 中，0，r1 ，r2 ，，r k 是曲线上横坐标取值；0，t1 ，t2 ，，t k 是其对应的纵坐标。k 的取值可根据所需温度精度确定。温度t 的表达式为：
4 测试结果及分析 4. 1 温度采集及显示 将程序写入单片机中，连好硬件线路，通过键盘设置好温度上下限后，单片机开始采集温度数值。如图6所示，是下位机显示界面，lcd 显示报警温度的上下限、当前温度以及下位机的代号。
图6 下位机显示界面
经过多次测试，将lcd 显示的温度与普通温度计进行比较，得到表2 中的数据。
表2 lcd 显示的温度值与普通温度计的温度值的对比表
经过测试，温度误差在允许范围内，系统能够稳定的运行。当采集到的温度数值超过设定的上下限时，单片机就会发出报警信号，提醒用户进行温度控制。
4. 2 功耗测试 当下位机进入lpm3（ 睡眠） 模式，lcd 不显示，但内部时钟仍运行，串入电流表，测量电流值，测得电流为4 ua 左右。证明系统很好地实现了超低功耗。
4. 3 无线模块测试 将无线模块连接好，先进行一对一的收发调试。
让下位机1 控制无线收发模块发送一连串有规律的数，观察上位机接收的数字。经过测试，3 路下位机系统都可以与上位机进行稳定的一对一收发。然后3 个下位机都与上位机通信，进行一对三的收发调试，上位机接收3 路数据，并且显示。
经过测试，3 路都能正常的工作，且误码率低，工作稳定。无线模块nrf24l01 的最大传输距离大约为100 m。
4. 4 vc 界面显示 首先进行上位机的硬件连接，连接完成后进行上电初始化并打开pc 机的vc 界面。当vc 界面正常打开时，会出现“串口已打开”的提示；当vc 界面无法正常打开时，会出现“ 串口无法打开”的提示，出现此情况时首先检测硬件连接，再检查选定串口通道是否正确。
pc 机最终显示如图7 所示。
图7 pc 机显示图
5 结 语 本文描述了基于msp430 单片机的无线温度控制系统的软、硬件设计。通过调试证明系统运行正常，各项指标均能达到设计要求。整个系统集成度高，功耗低，温度采集和无线传输速度快，误码低，且具有体积小，重量轻，可靠性高，易于控制和使用灵活等优点，因而性价比极高。
本次设计的温度精度为0. 5 ℃，可以根据实际需求进一步提高精度；基站为了实现断电存储，可以将数据存储于单片机的flash 中，上电时单片机从flash中取出所需的数值进行显示。
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1 系统构成 系统分为下位机、上位机和pc 机三部分。pc 机是整个系统的最上层，负责对下位机的控制和管理，并对收集到的各个节点的数据进行存储和处理。由于下位机无法直接与pc 机通信，这就需要使用上位机作为中间媒介。上位机与下位机通过无线模块通信，与pc机采用有线连接。
该设计采用msp430f149 单片机作为核心控制模块，其最主要特点为低功耗。msp430f149 具有双串口的特点，利用其中的一个串行口与pc 机进行通讯时，两者之间必须通过rs 232 电平转换芯片。单片机与无线发射模块nrf24l01 通讯时可通过通用i/ o口模拟串口通讯。现场温度数据的采集是利用nt c100 热敏电阻和msp430f149 单片机部带有的12 位a/ d转换器来实现的。这里不需要外加adc，可以简化电路，提高系统的稳定性。将按键作为输入模块，用来改变温度报警的上下限。由于设计要求不需要太多内容的显示，考虑到功耗及性价比，可以自制一个简易段码液晶用于显示。下位机设计方案和系统整体构成框图分别如图1，图2 所示。
图1 下位机设计方案
图2 系统的整体构成
2 硬件设计 2. 1 无线通信模块设计 nrf24l01 是一款新型单片射频收发器件，工作于2. 4~ 2. 5 ghz ism 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型shockburst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nrf24l01 功耗低，有多种低功率工作模式（ 掉电模式和空闲模式） 使节能设计更方便，图3 为它的应用电路。
图3 nrf24l01 应用电路
从单片机控制的角度来看，只需要将图3 中左边的6 个控制和数据信号与单片机通用i/ o 口相连。
2. 2 温度采集电路 为了使整个系统的功耗更低，采用低功耗的热敏电阻nt c100 和msp430149 内部自带的12 位a/ d 转换器实现温度的采集功能。其理论分析与计算电阻值和温度变化之间的关系。
式中： rt 为温度t（ 单位： k） 时的ntc 热敏电阻阻值；rn为额定温度t n （ 单位： k） 时的ntc 热敏电阻阻值；t 为规定温度（ 单位： k） ；b 为ntc 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
常温环境中，温度为28℃，换算成开氏温度为273. 15+ 28= 301. 15 k。通过多次测28℃及30℃环境下的数据，如表1 所示，取平均值，尽量减小误差，算得b 值。
表1 测量ntc100 热敏电阻b 值
通过式（ 1） 可得，将t ，t n 都转化成开尔文温度进行计算得b = 4 064. 34。经过比较发现，求得的阻值与测得的阻值很相近。
图4 为温度采集模块，其中r 1 为热敏电阻，r3 为200 kω电阻，r2 为0~ 20 kω 的可调电阻，用来调整温度计的准确性。u0 为检测到的电压，将u0 接到单片机管脚，通过a/ d 转换，将得到的电压值转换成温度值，在lcd 上显示出来。
图4 温度采集模块
2. 3 显示模块 本次设计采用自制的16 位段码液晶进行显示。利用液晶驱动ic（ ht 1621） 以及配套的液晶lcd 玻璃片，自制16 位段码液晶。另外，驱动ic 上装有两种频率的蜂鸣驱动电路，可以实现报警功能。
2. 4 串口通信模块 在温度采集过程中，由于系统随时需要将采集到的温度数值通过pc 机上的vc 界面进行显示，因此需要在pc 机和单片机之间进行相互通信。由于pc 机的rs 232电平与单片机的ttl 电平不同，因此用max3232 芯片实现电平的相互转换，这样就可以实现单片机与pc 机之间的相互通信。
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图5 线性插值法热敏电阻非线性自校正程序流程图
图5 中，0，r1 ，r2 ，，r k 是曲线上横坐标取值；0，t1 ，t2 ，，t k 是其对应的纵坐标。k 的取值可根据所需温度精度确定。温度t 的表达式为：
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图6 下位机显示界面
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经过测试，温度误差在允许范围内，系统能够稳定的运行。当采集到的温度数值超过设定的上下限时，单片机就会发出报警信号，提醒用户进行温度控制。
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4. 3 无线模块测试 将无线模块连接好，先进行一对一的收发调试。
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4. 4 vc 界面显示 首先进行上位机的硬件连接，连接完成后进行上电初始化并打开pc 机的vc 界面。当vc 界面正常打开时，会出现“串口已打开”的提示；当vc 界面无法正常打开时，会出现“ 串口无法打开”的提示，出现此情况时首先检测硬件连接，再检查选定串口通道是否正确。
pc 机最终显示如图7 所示。
图7 pc 机显示图
5 结 语 本文描述了基于msp430 单片机的无线温度控制系统的软、硬件设计。通过调试证明系统运行正常，各项指标均能达到设计要求。整个系统集成度高，功耗低，温度采集和无线传输速度快，误码低，且具有体积小，重量轻，可靠性高，易于控制和使用灵活等优点，因而性价比极高。
本次设计的温度精度为0. 5 ℃，可以根据实际需求进一步提高精度；基站为了实现断电存储，可以将数据存储于单片机的flash 中，上电时单片机从flash中取出所需的数值进行显示。
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