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[導(dǎo)讀]針對(duì)目前溫度采集報(bào)警系統(tǒng)功耗大、應(yīng)用場(chǎng)合有限等缺陷,設(shè)計(jì)了一種基于CC430F5137單片機(jī)的低功耗無(wú)線通信溫度采集報(bào)警系統(tǒng)。

引言

隨著科技的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)溫度采集的實(shí)時(shí)性、高效率和低耗能的要求不斷提高,而且許多測(cè)量溫度的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣,使操作人員難以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。對(duì)此,需要一種能夠自動(dòng)采集、處理并能夠無(wú)線傳送數(shù)據(jù)的溫度采集系統(tǒng)。同時(shí),為了節(jié)省使用成本以及維護(hù),此系統(tǒng)還需要具備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的性能。因此,開發(fā)一種低功耗并且能夠無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的溫度采集系統(tǒng),能夠彌補(bǔ)目前溫度采集領(lǐng)域的缺陷。

參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)雖然具有低功耗性能,但是都必須用線路連接才能進(jìn)行通信,這大大限制了應(yīng)用場(chǎng)合,使其應(yīng)用具有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)利用的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)作為通信工具,但是其必須利用單獨(dú)的外接ZigBee模塊才能完成通信功能,所以制作成本較高。針對(duì)以上缺點(diǎn),本系統(tǒng)采用的CC430F5137芯片不但具有MSP430系列的低功耗性能,而且具有RF無(wú)線收發(fā)器的功能。這兩種性能充分滿足了低功耗和無(wú)線通信的要求,使得系統(tǒng)的成本降低,達(dá)到了目前應(yīng)用的要求。

1 裝置整體運(yùn)行原理

1.1 裝置運(yùn)行原理

無(wú)線溫度采集報(bào)警系統(tǒng)主要由兩部分組成,一部分是溫度采集模塊,另一部分是中央控制模塊。中央控制模塊包括鍵盤及顯示模塊和報(bào)警模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí),首先由各個(gè)溫度采集模塊中的溫度傳感器完成對(duì)溫度的采集任務(wù),然后CC430F5137單片機(jī)通過(guò)I/O口得到溫度參數(shù),最后將采集的溫度信息通過(guò)CC430F5137內(nèi)部集成的RF無(wú)線收發(fā)器傳輸給主控制器系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)采集來(lái)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,并將結(jié)果利用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。當(dāng)溫度超過(guò)上限值或下限值的時(shí)候,則觸發(fā)報(bào)警裝置,通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器和報(bào)警燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。報(bào)警溫度的上下限值可以通過(guò)鍵盤輸入模塊進(jìn)行設(shè)置。主控制臺(tái)有兩組數(shù)碼管,一組數(shù)碼管顯示溫度采集模塊的序號(hào),可以通過(guò)鍵盤來(lái)選擇要顯示的溫度采集模塊的序號(hào),另一組則顯示溫度值。


2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫度采集報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括溫度采集模塊設(shè)計(jì)和中央控制器設(shè)計(jì)。

2.1 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 CC430F5137器件介紹

CC430F5137是TI MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗,從而使采用電池供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無(wú)需維修即可工作長(zhǎng)達(dá)10年以上。此外,微型封裝所包含的高級(jí)功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動(dòng)力,以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430 F5137為16位超低功耗MCU,具有16 KB閃存、2KB RAM、CC1101無(wú)線電、AES-128和USCI,供電電壓為1.8~3.6 V,正常工作模式消耗電流為160μA/MHz,低功耗模式3消耗電流為2.0μA。

2.1.2 CC430F5137的RF無(wú)線收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)

CC430F5137內(nèi)部集成了CC1101無(wú)線電收發(fā)器,RF頻率為432.999817MHz,信道間隔為199.951172kHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為38.383484kbps。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,可以設(shè)置無(wú)線發(fā)送功率。根據(jù)發(fā)射距離的遠(yuǎn)近去設(shè)置功率的大小,可以使功耗達(dá)到最低,實(shí)現(xiàn)低功耗。其電路圖如圖2所示,CC430F5137的供電電源為兩節(jié)7號(hào)電池,電壓為+3V,外接晶振為26MHz,RF_N和RF_P為RF無(wú)線電發(fā)射引腳,兩引腳外接天線,其功率可以達(dá)到-30dBm,傳輸距離可以達(dá)到100m左右。

2.1.3 溫度采集電路設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)備低功耗的要求,所選的溫度傳感器必須具有低功耗特性,這里選擇了MAX6613型集成溫度傳感器。MAX6613是一款高速度、高精度的低功耗溫度傳感器,特別適合用于低功耗的產(chǎn)品中。MAX6613的電源供電電壓范圍為1.8~5.5V;低電源電流消耗,典型值為7.5μA;測(cè)量范圍為-55~+130℃;非線性誤差為1.3℃。其測(cè)量溫度與輸出電壓關(guān)系式為:

Vout=-0.011 23T+1.8455Vref (1)

式中Vout為傳感器的輸出電壓,T為被測(cè)溫度,Vref是通過(guò)參考電壓得到的傳感器的測(cè)得電壓。單片機(jī)通過(guò)模擬采集口采集傳感器的輸出電壓,通過(guò)公式(1)就可以計(jì)算出實(shí)際測(cè)量的溫度值。因?yàn)镃C430F5137內(nèi)部集成了ADC模塊,其輸入電壓范圍為0~3.6V,可以滿足系統(tǒng)的要求,所以可以直接將MAX6613的電壓輸出口接在CC430F5137的ADC輸入口上,其電路圖如圖3所示。

2.2 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器的RF接收發(fā)射模塊與溫度采集模塊中的RF接收發(fā)射模塊設(shè)置相同,在此不再贅述。

2.2.1 報(bào)警系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)控制晶體管的開通與關(guān)斷去控制蜂鳴器和報(bào)警燈的導(dǎo)通與關(guān)閉,從而達(dá)到報(bào)警的目的。

CC430F5137單片機(jī)的P2.0口通過(guò)控制輸出信號(hào)的高低電平來(lái)控制晶體管的導(dǎo)通或截止,如圖4所示。如果晶體管導(dǎo)通,則蜂鳴器報(bào)警并且觸動(dòng)報(bào)警燈亮。當(dāng)所測(cè)溫度的值超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度上、下限值范圍時(shí),會(huì)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)溫度值調(diào)節(jié)在正常的工作范圍內(nèi),報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止報(bào)警。

2.2.2 鍵盤及顯示模塊硬件電路設(shè)計(jì)

鍵盤采用4×2的鍵盤模式,一共8個(gè)按鍵,其功能按鈕分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、功能1上限溫度值設(shè)定按鈕、功能2下限溫度值設(shè)定按鈕、功能3溫度采集模塊序號(hào)選擇按鈕、數(shù)值加1、數(shù)值減1、手動(dòng)報(bào)警按鈕。

CC430F5137共有16個(gè)外部中斷I/O口,分別為P0口和P1口。在此,采用P0口作為鍵盤掃描端口,只要有一個(gè)鍵被按下,相應(yīng)的兩個(gè)I/O口就會(huì)被置為低電平,只要判斷是哪兩個(gè)I/O口有中斷發(fā)生,就能判斷出被按下的按鈕,進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.2.3 顯示模塊硬件電路設(shè)計(jì)

顯示模塊考慮到成本的要求,采用數(shù)碼管作為顯示界面,如圖5所示。系統(tǒng)中選用8個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行顯示溫度。其中前4個(gè)為一組,用來(lái)顯示溫度采集模塊的序號(hào);后四個(gè)為一組,用來(lái)顯示溫度采集模塊采集的溫度值,其中第一個(gè)數(shù)碼管為符號(hào)位。系統(tǒng)采用74HC245總線驅(qū)動(dòng)器用來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的LED數(shù)碼管,P1口作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的片選信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度采集報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控制器和溫度采集模塊的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器程序流程如圖6所示。首先按動(dòng)開始按鈕系統(tǒng)開始運(yùn)行,此時(shí)CC430F5137會(huì)發(fā)出一個(gè)控制指令給指定的溫度測(cè)量模塊,開始進(jìn)行溫度采集,被指定的溫度采集模塊將所測(cè)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器(系統(tǒng)初始默認(rèn)的是顯示第一個(gè)溫度采集模塊的測(cè)量數(shù)據(jù))。主控制器接收到數(shù)據(jù)后,開始執(zhí)行顯示程序。首先在第一組數(shù)碼管上顯示溫度采集模塊的序號(hào),第二組顯示溫度值。主控制器會(huì)連續(xù)判斷溫度值是否越限,如果越限,系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置,這時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲,并且報(bào)警燈點(diǎn)亮,直到溫度值回到允許的范圍內(nèi)。如果有按鍵被按下,會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能,并發(fā)送給指定的溫度采集模塊。

3.2 溫度采集模塊軟件程序設(shè)計(jì)

溫度采集模塊程序流程如圖7所示。當(dāng)主控制器發(fā)送控制指令后,溫度采集模塊開始接收指令,并執(zhí)行相應(yīng)的指令功能。首先溫度采集模塊中的CC430F5137會(huì)采集MAX6613輸出的電壓信號(hào),然后計(jì)算出相應(yīng)的溫度值,并發(fā)送給主控制器。如果沒有接收到指令,系統(tǒng)不會(huì)采集MAX6613的電壓信號(hào),溫度采集模塊會(huì)一直處于低功耗模式3中,這樣就能降低功耗。在低功耗模式3中,系統(tǒng)的DC發(fā)生器關(guān)斷,只有晶振是活動(dòng)的,系統(tǒng)的總中斷允許位被打開。如果有RF無(wú)線收發(fā)器中斷,此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)從低功耗模式3中喚醒,開始執(zhí)行溫度檢測(cè)程序。這樣就能使功耗降到最低,達(dá)到低功耗的要求。

RF無(wú)線電中斷子程序:

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于CC430F5137的無(wú)線溫度采集報(bào)警系統(tǒng)。此模塊主要是由主控制器和溫度采集模塊組成。經(jīng)過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,但是在距離較遠(yuǎn)和傳輸中間有障礙物的情況下,發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)有接收丟失的狀況,根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合還需要不斷改善。

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