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基于MSP430单片机的温度监控系统设计

胡飞^a, 尹文庆^b,陈彩蓉^c

工程学院, 南京农业大学, 南京 210031, 中国

adataspace@sohu.com, ^byinwq@pk.njau.edu.cn, ^cccr160@sohu.com

关键词: MSP430; DS18B20;温室;温度监控系统

摘要. 温室温度是控制作物生长的关键因素之一。传统的温度监测方法已不能满足现代温室高精度，快速获取和响应的要求。因此设计了基于MSP 430的温室温度监测系统。该系统采用数字温度传感器DS18B20进行温度测量，MSP 430对温度进行处理。 通过RS 485总线将数据传输到上位机，实现温室温度的实时检测和远程传输。该系统具有结构简单、功耗低、稳定性好、便携性强等特点。

介绍

温室在现代农业生产中广泛用于蔬菜和其他作物的种植。目前已应用于农业生产、农作物试验和动植物试验并且已成为农业生产和研究的必要技术途径。温度是控制作物生长的关键因素之一，因为不同的温室对温度的要求不同，需要在一定的温度范围内稳定，如果仅仅依赖于人工管理的话，存在温度测量滞后、精度差、效率低等问题。 因此，远程温度监测具有较高的应用价值。监测温度的方法有很多种，而目前典型的温度监测系统由模拟温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。模拟温度传感器输出模拟信号时，必须经过A/D转换器才能传输到单片机，每个测温点占用单片机的一个I/O端口。这种模拟信号的远距离传输使得系统相当复杂，成本相当高，因此在外界干扰下容易产生较大的误差，降低了系统的精度和稳定性[1-3]。当采用TI公司的16位单片机MSP430F149作为主控芯片，通过单总线数字温度传感器DS18B20采集多点温度信号，并通过RS485总线向上位机发送信号，实现温度监测和远程传输时，这些问题将迎刃而解。

整体设计

系统由上位机和以MSP430为核心的多个温度采集模块组成。温度采集模块用于完成温室温度采集，然后通过RS 485总线与上位机通信。主机主要用于显示和存储接收到的温度数据，供工作人员了解每个测量点的温度状况。在PC机只有RS 232端口的情况下，采用RS 485总线进行通信，需要与RS 232/RS 485转换器连接。系统结构如图1所示。

PC

RS232/RS485

RS485

RS485

RS485

MSP430

MSP430

MSP430

DS18B20

DS18B20

DS18B20

模块 1 模块 2 模块 n

图1 系统结构

硬件设计

MSP 430单片机。该体系结构结合了五种低功耗模式进行优化，延长了电池寿命，实现了便携式测量应用。该设备具有强大的16位精简指令集处理器，16位寄存器和常量生成器，最大化了代码效率。该数字控制振荡器(DCO)允许在不到6微秒内实现从低功率模式到活跃模式的唤醒。

典型的应用包括捕获模拟信号并转换成数字值，然后将数据处理并传输到主机系统的传感器系统。定时器使得工业控制应用中的结构更加理想，如波纹计数器、数字电机控制、电子电器仪表、手持式仪表等。

MSP430F149的主要特点包括[4]:

• 低电源电压范围，1.8伏-3.6伏
• 超低功耗：活跃模式：1兆赫兹频率下280微安，2.2伏；待机模式：1.6 微安；关闭模式(RAM保留)：0.1微安
• 五种节电模式
• 不到6微秒内可从待机模式中唤醒
• 16位精简指令体系结构，125纳秒指令周期时间
• 12位具有内部参考源，采样和保持和自动扫描功能的A/D转换器
• 具有七个捕获/比较阴影寄存器的16位计时器Timer_B
• 具有三个捕获/比较寄存器的16位计时器Timer_A
• 片上比较器
• 串行机上编程，无需外部编程电压，可编程的保密熔丝代码保护
• 两个串行通信接口(USARTs)，作为异步UART或同步SPI接口
• 60kb 256B闪存，2KB随机存储器

DS18B20测温电路。DS18B20是达拉斯半导体公司作为DS1820的继承者设计的一种改进的智能温度传感器。这种传感器集成了半导电温敏器件和在一个小型集成电路芯片上的A/D转换器和存储单元。传感器直接输出温度信号的数字值。信号传输采用由双芯(或三芯)电缆构成的单总线结构构成。一根单总线电缆可附加多个数字温度传感器。每个传感器都有唯一的地址码。微控制器可以读取温度值，从而传感器通过寻址单元，简化了信号采集系统的电路结构。采集端口的电缆减少了50倍，既节省了成本，又使构建更加方便。DS18B20的工作温度范围为-55°C-125°C，在-10°C-85°C范围内可精确到plusmn;0.5°C，现场温度可通过单总线直接传输，大大提高了系统的抗干扰能力[5]。

DS18B20适用于恶劣环境下的现场温度测量，如环境控制设备、过程控制或消费电子产品测温等。它在3-5.5V电压范围内工作，采用多种封装方式，使系统设计更加灵活方便。用户设置的分辨率和报警温度设置存储在EEPROM中，因此当电源关闭时数据可以保存。DS18B20与单片机三线连接可直接读出测量温度。这减少了外部硬件电路，并具有成本低，使用方便等特点。

DS18B20温度采集电路如图2所示。VPU为单片机供电电压3.3V，VDD为温度传感器供电电压3.3V，DQ为单数据总线。温度传感器上的所有操作都通过数据传输线完成。

图2 DS18B20温度采集电路

通信模块设计

数字通信模块的主要功能是完成PC机与温度采集模块的通信。通常有两种通信方式：并行通信和串行通信。并行通信传输效率高，速度快，但可靠性低，需要复杂的硬件设备。因此，它不适合长期使用，但通常应用于实时性强、传输速度快的系统中。与并行通信相比，虽然传输速度和效率都很低，但串行通信可靠，实现简单，传输距离较长。适用于计算机与计算机之间或计算机与外围设备之间的远程通信。

RS232/RS485 转换器。 如何实现上位机与下位机之间的通信，成为整个系统能否作为一个组合工作的关键。主机使用RS 232标准串口，而温度采集模块采用RS 485标准串口。因此需要进行电压转换来实现RS 232与RS 485之间的通信。RS 232/RS 485转换器的硬件电路如图3所示[6]。

图3 RS 232/RS 485转换器硬件电路

RS485 总线。RS 485总线通常采用双绞线进行远程通信，通信距离可达1200米。但只能采用半双工通信(即不能同时发送和接收数据)。将所有节点连接到RS 485总线上，可以方便地利用RS 485构建通信网络。RS 485采用差动电压，抗干扰能力强。

MAX 485是一种低功耗的差分平衡收发芯片。它包括一个驱动程序和一个接收器，使用5伏电源，并专门用于TTL协议和485协议之间的转换。RS 485的最大优点是具有多点总线互连功能，它可以将主机与多个终端连接起来，实现同步通信。因为它用了半双工模式，只有一方发送，一方接收，并采用差动电压接收方法来提高抗干扰能力，所以RS 485适合在恶劣环境中使用。

软件设计

下位机软件设计. 下位机软件采用模块化设计方法和C语言编程。系统由初始化模块、测温模块、显示模块和串口通信模块等组成。

MSP 430通信模块在每个采样周期内将采集到的数据发送给主机。程序包括初始化部分和数据发送部分。在初始化中，设置UART 0模块为工作状态，时钟信号ACLK，数据位8位，比特率9600位/秒，数据发送方法是主动的。在上位机与单片机的通信中，需要连接的单片机地址应先发送。当所有单片机接收到主机发送的地址后，将检查该地址是否符合单片机的地址。如果合适，则单片机发送响应消息并准备接收新消息。当收到主机通知时，相关MSP 430可开始接收或发送数据。

温度采集模块通过操作DS18B20实现温度采集。主要有几个操作步骤：初始化、搜索DS18B20、匹配DS18B20、发送温度转换指令和读取温度值。

主机软件设计. 上位机接收下位机温度采集模块发送的信号作为用户界面，以图形方式显示温室的当前状态。

在Microsoft Windows下开发串行通信通常有几种方法：

• 1. 使用Windows API通讯功能;
  2. 使用Windows读写端口功能直接操作串口;
  3. 使用第三方自行编写或提供的通信类;
  4. 使用串行通信组件，如活动控制MSComm.

在这四种方法中，第四种方法比较容易。本课题采用VisualBasic6.0中的MScomm控件来实现串行通信。MSComm控制通过事件驱动的方法处理通信数据。通常，事件发生时可以由MSComm控件的OnCommm事件捕获和处理。应用程序捕获后，可以通过检查mscomm控件的CommEvent属性来确认事件或错误。 MSComm控件的分发。当CommEvent被设置为comEvReceive并且字符号是R阈值的值时，它将触发OnComm事件并开始接收数据[7]。

总结

该系统由高性能的MSP430单片机、高精度数字温度传感器DS18B20和上位机组成。DS18B20通过单总线与单片机连接，采集实时温室温度，通过RS 485总线将采集到的温度信号发送给上位机，进行数据的存储、显示和分析。该系统硬件电路简单，成本低。经实际测试，系统运行稳定，测温精度高，抗干扰能力强，可广泛应用于需要温度监测的变工况。

参考文献

[1]Z. Zhang, B. Liu and Y.F. Liu: Journal of Agricultural Mechanization Research, (2008), p.116

[2]J. Yu and Y.Y. Wang: Nuclear Electronics amp; Detection Technology, Vol. 29 (2009), p.72

[3]F.F. Xu, G.Q. Liu and Y.Q. Guan: Journal of Henan Institute of Engineering (Natural Science Edition), Vol. 21 (2009), p.29

[4]Information on http://www.ti.com.cn

[5]Information on http://datasheets.maxim-ic.com

[6]W. Hu and W. Wei: Experiment Science amp; Technology, (2008), p.69

[7]Y.F. Ma and S.G. Gong: Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science amp; Engineering), Vol. 33 (2009), p.36

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