低功耗的多点无线温度检测系统设计方案

引言

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NTC100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。

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。

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NTC100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TN(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。

通过式(1)可得，将T，TN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R1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。

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(HT1621)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NTC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中，0，R1，R2，…，RK是曲线上横坐标取值;0，T1，T2，…，TK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：

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。