CN103630260A - 下位温度采集终端系统 - Google Patents

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CN103630260A
CN103630260A CN201210305195.1A CN201210305195A CN103630260A CN 103630260 A CN103630260 A CN 103630260A CN 201210305195 A CN201210305195 A CN 201210305195A CN 103630260 A CN103630260 A CN 103630260A
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李强
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Chengdu Zhongshan Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了下位温度采集终端系统，包括单片机、以及与单片机连接的电源及复位电路、按键电路、液晶显示电路、热敏电阻电路NTC、以及单片射频收发器nRF24L01。本发明的优点在于：该装置结构简单，成本低，可进行多点温度检测，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本发明的最大特点。

Description

下位温度采集终端系统
技术领域
本发明涉及工业温度采集，具体是指下位温度采集终端系统。
背景技术
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。 
发明内容
本发明的目的在于提供下位温度采集终端系统，该装置结构简单，成本低，可进行多点温度检测，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本发明的最大特点。
本发明的实现方案如下：下位温度采集终端系统，包括下位机、以及与下位机连接的单片射频收发器nRF24L01，所述下位机主要由单片机、以及与单片机连接的电源及复位电路、按键电路、液晶显示电路、热敏电阻电路NTC构成，所述单片射频收发器nRF24L01与单片机连接。
所述单片射频收发器nRF24L01的包括发生或接受模式选择端口CE、SPI片选端口CSN、SPI时钟端口SCLK、SPI从机数据输入端口MOSI、SPI从机数据输出端口MISO、可屏蔽中断输出端口IRQ，所述单片机包括通用I／O接口，其I／O接口包括P0.0端口、P0.1端口、P0.2端口、P0.3端口、P0.4端口、P0.5端口，所述发生或接受模式选择端口CE与P0.0端口连接，SPI片选端口CSN与P0.1端口连接，SPI时钟端口SCLK与P0.2端口连接，SPI从机数据输入端口MOSI与P0.3端口连接，SPI从机数据输出端口MISO与P0.4端口连接，可屏蔽中断输出端口IRQ与P0.5端口连接。
所述热敏电阻电路NTC 包括依次连接于电源Vcc的热敏电阻R1NTC、电阻R3、可调电阻R2构成，所述可调电阻R2接地，且所述热敏电阻R1NTC和电阻R3的连接端引有Uo电压输出端，所述Uo电压输出端与单片机连接。
所述单片机为型号是MSP430F149的单片机。
本发明的实现过程为：测试系统整体分为下位温度采集终端系统、上位机和PC机三部分。PC机是整个系统的最上层，负责对下位温度采集终端系统的控制和管理，并对收集到的各个节点的数据进行存储和处理。由于下位温度采集终端系统无法直接与PC机通信，这就需要使用上位机作为中间媒介。上位机与下位温度采集终端系统通过无线模块通信，上位机与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。单片机与单片射频收发器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热敏电阻R1NTC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。将按键电路作为输入模块，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。
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。
从单片机控制的角度来看，只需要将nRF24L016个控制和数据信号与单片机通用I／O口相连，即，所述单片射频收发器nRF24L01的包括发生或接受模式选择端口CE、SPI片选端口CSN、SPI时钟端口SCLK、SPI从机数据输入端口MOSI、SPI从机数据输出端口MISO、可屏蔽中断输出端口IRQ，所述单片机包括通用I／O接口，其I／O接口包括P0.0端口、P0.1端口、P0.2端口、P0.3端口、P0.4端口、P0.5端口，所述发生或接受模式选择端口CE与P0.0端口连接，SPI片选端口CSN与P0.1端口连接，SPI时钟端口SCLK与P0.2端口连接，SPI从机数据输入端口MOSI与P0.3端口连接，SPI从机数据输出端口MISO与P0.4端口连接，可屏蔽中断输出端口IRQ与P0.5端口连接。
为了使整个系统的功耗更低，采用低功耗的热敏电阻R1NTC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如下列式（1）所示：                                                
Figure 655477DEST_PATH_IMAGE001
式（1）中：RT为温度T(单位：K)时的热敏电阻R1NTC的阻值；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。
Figure 2012103051951100002DEST_PATH_IMAGE002
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。
热敏电阻R1NTC，电阻R3为200 kΩ电阻，可调电阻R2的调节范围为0～20 kΩ的，用来调整温度计的准确性。Uo电压输出端为检测到的电压，将Uo电压输出端接到单片机管脚，通过A／D转换，将得到的电压值转换成温度值，在液晶显示电路上显示出来。
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。 　　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。 　　下位温度采集终端系统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。
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。
本发明的优点在于：该装置结构简单，成本低，可进行多点温度检测，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本发明的最大特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为单片射频收发器nRF24L01的电路结构示意图。
图3为热敏电阻电路NTC的电路结构示意图。
图4为下位温度采集终端系统、上位机和PC机三部分的连接关系图。
具体实施方式
实施例一
如图1、2、3、4所示。 
下位温度采集终端系统，包括下位机、以及与下位机连接的单片射频收发器nRF24L01，所述下位机主要由单片机、以及与单片机连接的电源及复位电路、按键电路、液晶显示电路、热敏电阻电路NTC构成，所述单片射频收发器nRF24L01与单片机连接。
所述单片射频收发器nRF24L01的包括发生或接受模式选择端口CE、SPI片选端口CSN、SPI时钟端口SCLK、SPI从机数据输入端口MOSI、SPI从机数据输出端口MISO、可屏蔽中断输出端口IRQ，所述单片机包括通用I／O接口，其I／O接口包括P0.0端口、P0.1端口、P0.2端口、P0.3端口、P0.4端口、P0.5端口，所述发生或接受模式选择端口CE与P0.0端口连接，SPI片选端口CSN与P0.1端口连接，SPI时钟端口SCLK与P0.2端口连接，SPI从机数据输入端口MOSI与P0.3端口连接，SPI从机数据输出端口MISO与P0.4端口连接，可屏蔽中断输出端口IRQ与P0.5端口连接。
所述热敏电阻电路NTC 包括依次连接于电源Vcc的热敏电阻R1NTC、电阻R3、可调电阻R2构成，所述可调电阻R2接地，且所述热敏电阻R1NTC和电阻R3的连接端引有Uo电压输出端，所述Uo电压输出端与单片机连接。
所述单片机为型号是MSP430F149的单片机。
本发明的实现过程为：测试系统整体分为下位温度采集终端系统、上位机和PC机三部分。PC机是整个系统的最上层，负责对下位温度采集终端系统的控制和管理，并对收集到的各个节点的数据进行存储和处理。由于下位温度采集终端系统无法直接与PC机通信，这就需要使用上位机作为中间媒介。上位机与下位温度采集终端系统通过无线模块通信，上位机与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。单片机与单片射频收发器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热敏电阻R1NTC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。将按键电路作为输入模块，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。
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。
从单片机控制的角度来看，只需要将nRF24L016个控制和数据信号与单片机通用I／O口相连，即，所述单片射频收发器nRF24L01的包括发生或接受模式选择端口CE、SPI片选端口CSN、SPI时钟端口SCLK、SPI从机数据输入端口MOSI、SPI从机数据输出端口MISO、可屏蔽中断输出端口IRQ，所述单片机包括通用I／O接口，其I／O接口包括P0.0端口、P0.1端口、P0.2端口、P0.3端口、P0.4端口、P0.5端口，所述发生或接受模式选择端口CE与P0.0端口连接，SPI片选端口CSN与P0.1端口连接，SPI时钟端口SCLK与P0.2端口连接，SPI从机数据输入端口MOSI与P0.3端口连接，SPI从机数据输出端口MISO与P0.4端口连接，可屏蔽中断输出端口IRQ与P0.5端口连接。
为了使整个系统的功耗更低，采用低功耗的热敏电阻R1NTC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如下列式（1）所示：
Figure 234095DEST_PATH_IMAGE001
式（1）中：RT为温度T(单位：K)时的热敏电阻R1NTC的阻值；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，如下表1所示，取平均值，尽量减小误差，算得B值。
Figure 495312DEST_PATH_IMAGE003
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。
热敏电阻R1NTC，电阻R3为200 kΩ电阻，可调电阻R2的调节范围为0～20 kΩ的，用来调整温度计的准确性。Uo电压输出端为检测到的电压，将Uo电压输出端接到单片机管脚，通过A／D转换，将得到的电压值转换成温度值，在液晶显示电路上显示出来。
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。 　　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。 　　下位温度采集终端系统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。
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。
如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (4)

1.下位温度采集终端系统，其特征在于：包括下位机、以及与下位机连接的单片射频收发器nRF24L01，所述下位机主要由单片机、以及与单片机连接的电源及复位电路、按键电路、液晶显示电路、热敏电阻电路NTC构成，所述单片射频收发器nRF24L01与单片机连接。
2.根据权利要求1所述的下位温度采集终端系统，其特征在于：所述单片射频收发器nRF24L01的包括发生或接受模式选择端口CE、SPI片选端口CSN、SPI时钟端口SCLK、SPI从机数据输入端口MOSI、SPI从机数据输出端口MISO、可屏蔽中断输出端口IRQ，所述单片机包括通用I／O接口，其I／O接口包括P0.0端口、P0.1端口、P0.2端口、P0.3端口、P0.4端口、P0.5端口，所述发生或接受模式选择端口CE与P0.0端口连接，SPI片选端口CSN与P0.1端口连接，SPI时钟端口SCLK与P0.2端口连接，SPI从机数据输入端口MOSI与P0.3端口连接，SPI从机数据输出端口MISO与P0.4端口连接，可屏蔽中断输出端口IRQ与P0.5端口连接。
3.根据权利要求1所述的下位温度采集终端系统，其特征在于：所述热敏电阻电路NTC 包括依次连接于电源Vcc的热敏电阻R1NTC、电阻R3、可调电阻R2构成，所述可调电阻R2接地，且所述热敏电阻R1NTC和电阻R3的连接端引有Uo电压输出端，所述Uo电压输出端与单片机连接。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的下位温度采集终端系统，其特征在于：所述单片机为型号是MSP430F149的单片机。
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