摘要：設計了基于MSP430的多點無線溫度檢測系統。系統采用低功耗的MSP430F149單片機作為核心控制部件，硬件由無線通信模塊、溫度采集電路、顯示模塊和串口通信模塊組成，軟件采用模塊化的設計方法。測試表明，整個系統都是在超低功耗的要求下進行元件及運行方式的選擇，各個基站只需要3 V電池供電就能實現長時間運作，能很好地實現超低功耗，并且實現了測量溫度的實時性。
關鍵詞：MSP430單片機；NRF24L01；NTC熱敏電阻；超低功耗
0 引言
溫度在人類日常生活中扮演著極其重要的角色，同時在工農業生產過程中，溫度檢測具有十分重要的意義。現階段溫度檢測主要是有線定點溫度檢測，其溫度檢測原理為單片機利用溫度傳感器檢測溫度，并在數碼管或LCD上進行溫度顯示。同時由于系統沒有報警功能，故需要人為來判斷是否需要進行升溫或者降溫，這使系統的檢測喪失了實時性。另外，在某些環境惡劣的工業環境，以人工方式直接操作設置儀表測量溫度也不現實，因此采用無線方式進行溫度檢測尤為必要。
目前有些設計能夠實現無線溫度采集，但功耗過高是其最大的缺點。在實際溫度控制過程中既要求系統具有穩定性、實時性，又需要使系統功耗低及保證溫度的均勻性，因此設計一種低功耗的多點無線溫度檢測系統很有意義。本文提出一種采用低功耗單片機MSP430F149單片機實現的多點無線溫度測量系統，解決了上述問題。該系統能實現對溫度智能化的檢測，能夠同時進行多點溫度檢測，是可以實現遠程控制的無線溫度檢測系統。低功耗、實時性的無線溫度檢測是該設計的最大特點。
1 系統構成
系統分為下位機、上位機和PC機三部分。PC機是整個系統的最上層，負責對下位機的控制和管理，并對收集到的各個節點的數據進行存儲和處理。由于下位機無法直接與PC機通信，這就需要使用上位機作為中間媒介。上位機與下位機通過無線模塊通信,與PC機采用有線連接。
該設計采用MSP430F149單片機作為核心控制模塊，其最主要特點為低功耗。MSP430F149具有雙串口的特點，利用其中的一個串行口與PC機進行通訊時，兩者之間必須通過RS 232電平轉換芯片。單片機與無線發射模塊nRF24L01通訊時可通過通用I／O口模擬串口通訊。現場溫度數據的采集是利用NTC100熱敏電阻和MSP430F149單片機部帶有的12位A／D轉換器來實現的。這里不需要外加ADC，可以簡化電路，提高系統的穩定性。將按鍵作為輸入模塊，用來改變溫度報警的上下限。由于設計要求不需要太多內容的顯示，考慮到功耗及性價比，可以自制一個簡易段碼液晶用于顯示。下位機設計方案和系統整體構成框圖分別如圖1，圖2所示。
2 硬件設計
2．1 無線通信模塊設計
nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurSt技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，有多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節能設計更方便，圖3為它的應用電路。
從單片機控制的角度來看，只需要將圖3中左邊的6個控制和數據信號與單片機通用I／O口相連。
2．2 溫度采集電路
為了使整個系統的功耗更低，采用低功耗的熱敏電阻NTC100和MSP430149內部自帶的12位A／D轉換器實現溫度的采集功能。其理論分析與計算電阻值和溫度變化之間的關系。
式中：RT為溫度T(單位：K)時的NTC熱敏電阻阻值；RN為額定溫度TN(單位：K)時的NTC熱敏電阻阻值；T為規定溫度(單位：K)；B為NTC熱敏電阻的材料常數，又叫熱敏指數。
常溫環境中，溫度為28℃，換算成開氏溫度為273．15+28=301．15 K。通過多次測28℃及30℃環境下的數據，如表1所示，取平均值，盡量減小誤差，算得B值。
通過式(1)可得，將T，TN都轉化成開爾文溫度進行計算得B=4 064．34。經過比較發現，求得的阻值與測得的阻值很相近。
圖4為溫度采集模塊，其中R1為熱敏電阻，R3為200 kΩ電阻，R2為0～20 kΩ的可調電阻，用來調整溫度計的準確性。U0為檢測到的電壓，將U0接到單片機管腳，通過A／D轉換，將得到的電壓值轉換成溫度值，在LCD上顯示出來。
2．3 顯示模塊
本次設計采用自制的16位段碼液晶進行顯示。利用液晶驅動IC(HT1621)以及配套的液晶LCD玻璃片，自制16位段碼液晶。另外，驅動IC上裝有兩種頻率的蜂鳴驅動電路，可以實現報警功能。
2．4 串口通信模塊
在溫度采集過程中，由于系統隨時需要將采集到的溫度數值通過PC機上的VC界面進行顯示，因此需要在PC機和單片機之間進行相互通信。由于PC機的RS 232電平與單片機的TTL電平不同，因此用MAX3232芯片實現電平的相互轉換，這樣就可以實現單片機與PC機之間的相互通信。
3 軟件設計
系統的軟件設計采用模塊化設計方法。下位機利用定時中斷發送溫度數據，利用端口中斷設置溫度報警的上下限，其他時間處于低功耗模式3的狀態下，這樣可以大大降低功耗。上位機利用接收中斷接收數據，并且利用MAX3232與PC機通信。
NTC熱敏電阻的主要缺點是熱電特性的非線性現象嚴重，本次設計采用查表法對NTC熱敏電阻進行線性化。線性插值法軟件流程如圖5所示。
圖5中，0，R1，R2，…，RK是曲線上橫坐標取值；0，T1，T2，…，TK是其對應的縱坐標。K的取值可根據所需溫度精度確定。溫度T的表達式為：
4 測試結果及分析
4．1 溫度采集及顯示
將程序寫入單片機中，連好硬件線路，通過鍵盤設置好溫度上下限后，單片機開始采集溫度數值。如圖6所示，是下位機顯示界面，LCD顯示報警溫度的上下限、當前溫度以及下位機的代號。
經過多次測試，將LCD顯示的溫度與普通溫度計進行比較，得到表2中的數據。
經過測試，溫度誤差在允許范圍內，系統能夠穩定的運行。當采集到的溫度數值超過設定的上下限時，單片機就會發出報警信號，提醒用戶進行溫度控制。
4．2 功耗測試
當下位機進入LPM3(睡眠)模式，LCD不顯示，但內部時鐘仍運行，串入電流表，測量電流值，測得電流為4μA左右。證明系統很好地實現了超低功耗。
4．3 無線模塊測試
將無線模塊連接好，先進行一對一的收發調試。讓下位機1控制無線收發模塊發送一連串有規律的數，觀察上位機接收的數字。經過測試，3路下位機系統都可以與上位機進行穩定的一對一收發。然后3個下位機都與上位機通信，進行一對三的收發調試，上位機接收3路數據，并且顯示。
經過測試，3路都能正常的工作，且誤碼率低，工作穩定。無線模塊nRF24L01的最大傳輸距離大約為100 m。
4．4 VC界面顯示
首先進行上位機的硬件連接，連接完成后進行上電初始化并打開PC機的VC界面。當VC界面正常打開時，會出現“串口已打開”的提示；當VC界面無法正常打開時，會出現“串口無法打開”的提示，出現此情況時首先檢測硬件連接，再檢查選定串口通道是否正確。PC機最終顯示如圖7所示。
5 結語
本文描述了基于MSP430單片機的無線溫度控制系統的軟、硬件設計。通過調試證明系統運行正常，各項指標均能達到設計要求。整個系統集成度高，功耗低，溫度采集和無線傳輸速度快，誤碼低，且具有體積小，重量輕，可靠性高，易于控制和使用靈活等優點，因而性價比極高。
本次設計的溫度精度為0．5℃，可以根據實際需求進一步提高精度；基站為了實現斷電存儲，可以將數據存儲于單片機的FLASH中，上電時單片機從FLASH中取出所需的數值進行顯示。