基于430单片机和DS18B20的多点无线温度检测系统

童珊

摘要：本文论述了一种基于MSP430单片机和DS18B20温度传感器以及nRF24L01无线收发模块的多点无线温度检测系统， 利用 MSP430 单片机的超低功耗以及 DS18B20 的单线接口方式，实现了整个系统的低功耗和远程控制的无线收发，其结构简单，性能稳定，经济实用。

关键词：MSP430 DS18B20 nRF24L01 多点无线测温系统

1.引言

实际工业生产中某些测温场合要求设备性能稳定功耗低，测温过程温度信号处理易实现并且要便于集中处理，传统温度检测方法采用模拟传感器采集温度信号，信号经过一系列的模拟和数字电路处理后，再交由微处理器或DSP处理，元器件数量多而且整个检测系统有较大的偏差， 稳定性和抗干扰性能都较差。相比之下，多点测量及远程无线传输的设计方案成为最佳选择，本设计是基于MSP430单片机和DS18B20温度传感器以及nRF24L01无线收发模块的多点无线温度检测系统，可实现多点检测和无线传输，具有可靠性高、线路简单、测量精度高、功能便于扩展等优点。

2.硬件电路简介

本设计采用的主控芯片及主电路模块基于美国 TI 公司的超低功耗 16位单片机芯片MSP430G2553；温度检测模块采用智能温度传感器DS18B20；电源部分采用可控型升压型 DC- DC 电源模块TPS73033，对各功能单元的供电与否进行管理；温度显示单元采用 TFT2.4液晶显示屏；射频无线收发模块nRF24L01能将相距甚远的不同节点采集到的数据将送入基站，其通过Motorola公司推出的三线同步接口SPI与单片机连接， 系统结构简单， 抗干扰能力强， 适合于恶劣环境下进行多点无线温度检测，可以保证把传送到单片机的温度数据迅速安全的进行一站式处理。因温度变化缓慢，本设计采用外设及MCU睡眠+定时唤醒模式进行数据采集，大幅降低系统功耗，延长了系统的使用周期，带来可观的经济效益。

3.各模块特点及简介

3.1 传感器DS18B20

DS18B20是美国Dalas 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，读取速度快，具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器， 从而简化测温装置与各传感器的接口， 克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低，体积小，可靠性高。DS18B20 的测温范围为-5V～+125V，最高分辨率可达0.0625℃， 由于每一个DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU 可用简单的通信协议就可以识别， 从而节省了大量的引线和逻辑电路。

3.2 MSP430单片机

现今已投入运作的温度检测及控制系统大多采用89C51单片机作为主控制芯片。89C51单片机的工作电压为5V，有两种低功耗模式：待机方式和掉电方式，但是正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下其耗电电流为3mA。即使在掉电状态下电源电压降到2V，但耗电电流仍达到50uA，功耗比较大。为了改善这种缺点，提高设备的性能，本设计采用美国 TI 公司生产的超低功耗16位混合信号微控制器MSP430G2533作为主控制器。其具有低电压、超低功耗、数据处理能力强大、片内外资源丰富、性价比高的特点，而且有16个中断源，可以嵌套使用，通过中断将CPU从低功耗模式下唤醒，所以可以编写出实时性很高的程序且实现系统低功耗的要求。

3.3 液晶屏显示单元TFT2.4

它是一块高画质的TFT真彩LCD模块，具有丰富多样的接口、编程方便、易于扩展等良好性能。内置专用驱动和控制IC（ILI9325），并且驱动IC自己集成显示缓存，无需外部显示缓存。为了方便用户的扩展使用，模块将显示器主供电源和显示器背光电源分开供电，显示器内嵌TFT-LCD驱动控制芯片模块的2.4 英TFT-LCD显示面板上，共分布着240×320 个像素点。模块的总线接口是8位的，对显存的某一个地址操作时，需要连续传送高字节及低字节方可完成操作。

3.4无线射频收发芯片nRF24L01

NRF24L01 是Nordic 公司推出的高集成的单片无线收发解决方案，芯片内置链路层，具备自动应答和自动重发功能，速度可达2 Mbps ，125 个可选工作频道，很短的频道切换时间，可用于跳频，其输出功率，频道选择以及协议设置都可以通过SPI口进行设置，Enhanced ShockBurst 模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加微控制器的工作量。NRF24L01 还具备同一频道接收六路不同通道数据的功能，利用FDMA 技术最多可实现750 个点的数据采集，这使它成为无线温度测量系统硬件实现的最佳选择。

4.测量系统结构设计

本设计方案将测量系统分为传感器子节点和数据处理基站两大部分，传感器子节点分布在应用测量场所的不同区域，通过数字传感器DS18B20采集各点温度信息，并通过无线收发模块将测量数据传送回基站，基站主要负责对接收的各个子节点的温度数据进行处理，并通过LunchPad虚拟串口，把对应数据上传到PC机，再利用VB客户端对采集数据进行记录、分析并处理。

系统初始化之后，基站MSP430分别与各个子节点的MSP430建立通信连接，并逐个对子节点进行编码标识，然后让子节点进入睡眠模式并设定定时唤醒时间。通信连接建立好后基站转换到接收状态，等待接收数据。子节点定时唤醒后，首先进行一次温度采集并进行编码，然后发送给基站，完成后再次进入睡眠模式，如此反复。基站则对收到的数据进行校验、分析、处理和显示，然后通过LunchPad的虚拟串口上传至PC。若温度超出预置范围则蜂鸣器报警。这种对子节点逐一编码的方式自然的将各节点的发射时间间隔开，很好的避免了信道阻塞的情况。

5.结论

本文所设计的基于MSP430单片机和DS18B20温度传感器以及NRF24L01无线收发模块的多点无线温度检测系统结构简单，实现容易，系统稳定性好，能够方便的布设到已建设完成或正在建设的应用场所，相信能在储粮仓库、智能空调控制及其它的工农业生产和科学研究中得到广泛应用。

参考文献

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[2]李闪.黄小莉.胡兵.刘希军基于nRF24L01的无线智能温度监测系统[期刊论文]-仪表技术与传感器 2011（12）

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[4]刘威.基于MSP430单片机的温度监控系统设计[学士学位论文]