摘要：針對(duì)目前溫度采集報(bào)警系統(tǒng)功耗大、應(yīng)用場合有限等缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于CC430F5137單片機(jī)的低功耗無線通信溫度采集報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有功耗低、精度高、無線傳輸可靠性高等特點(diǎn)。介紹了CC430F5137芯片的特點(diǎn)和系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖和軟件流程，并詳細(xì)地分析了溫度采集模塊和RF無線收發(fā)模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用CC430F5137設(shè)計(jì)溫度采集報(bào)警系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。
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，而且許多測量溫度的現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，使操作人員難以到達(dá)現(xiàn)場測量。對(duì)此，需要一種能夠自動(dòng)采集、處理并能夠無線傳送數(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)還需要具備長期穩(wěn)定工作的性能。因此，開發(fā)一種低功耗并且能夠無線傳輸數(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無線收發(fā)器的功能。這兩種性能充分滿足了低功耗和無線通信的要求，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I/O口得到溫度參數(shù)，最后將采集的溫度信息通過CC430F5137內(nèi)部集成的RF無線收發(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)溫度超過上限值或下限值的時(shí)候，則觸發(fā)報(bào)警裝置，通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器和報(bào)警燈來實(shí)現(xiàn)。報(bào)警溫度的上下限值可以通過鍵盤輸入模塊進(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)，可以通過鍵盤來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線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無需維修即可工作長達(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無線收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)
CC430F5137內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(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；測量范圍為-55～+130℃；非線性誤差為1.3℃。其測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為被測溫度，Vref是通過參考電壓得到的傳感器的測得電壓。單片機(jī)通過模擬采集口采集傳感器的輸出電壓，通過公式(1)就可以計(jì)算出實(shí)際測量的溫度值。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口通過控制輸出信號(hào)的高低電平來控制晶體管的導(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)所測溫度的值超過預(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，用來顯示溫度采集模塊的序號(hào)；后四個(gè)為一組，用來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)器用來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的LED數(shù)碼管，P1口作為LED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)行溫度檢測程序。這樣就能使功耗降到最低，達(dá)到低功耗的要求。
RF無線電中斷子程序：
結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了一種基于CC430F5137的無線溫度采集報(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)過測試，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)用場合還需要不斷改善。
