封闭环境监测系统.doc

1、 基于 MSP430 的封闭环境监测系统 摘要封闭半封闭条件苛刻的环境是我们经常接触到的。对于其中的温度，湿度进行有效测量并且传输测量信息给终端在生活和工作中具有重要应用。基于这点，我们运用两片 MSP430 主控芯片。一个温度传感器，无线收发模块，一个湿度传感器。和液晶显示模块等部分。解决了这个日常生活和工作中的问题。关键词：MSP430F149；NRF24L01；温度；无线传输；封闭环境ABSTRACTWhen doing experiments, we always come across with the closed and semi-closed rigorous environm

2、ent. Its highly acknowledged that measuring the temperature and humidity and transmitting the information effectively plays a vital role in the daily work. As a result, Two pieces of MSP340 are chosen as the main control chip in the system. One temperature sensor and wireless transceiver. One humidi

3、ty sensor and LCD module. With their help, we successfully solved the daily problems.随着生产生活的现代化发展。电子测量的相应技术正逐步应用于生产生活。在生产和生活中我们经常涉及到这么一类环境。其典型特点为封闭或半封闭，并且环境较为苛刻。例如农业生产中常见的温室大棚，生活中脏乱的管道，工业生产中涉及的环境恶劣的厂房等等。这样当我们需要对其中的环境信息进行测量时。传统的接触式测量和分区采样等方法将不再适合。而且，有时甚至涉及到的待测量环境是在运动之中的。这样即使是铺设有线的电缆。也无法将信息可靠，稳定，安全的传输

4、到终端。所以需要一种新的测量方式和系统来解决上述问题。基于以上情况的考虑。本设计项目的目的在于设计一个可以深入到恶劣封闭环境内部非接触测量的测量系统。并且，通过特定的收发器，将测量到的环境信息，实时的传送到处于封闭环境之外的终端。供环境之外的人员参考使用。系统安全可靠，具有实用价值。1. 系统方案 本系统使用两片 MSP430 作为主控芯片（含最小系统），配合DS18B20 温度传感器，AMX1001 湿度传感器（模拟量输出）。5110 液晶显示 MOUDLE。NRF24L01 无线传输芯片。实现封闭环境内部测量和发送，外部接收的功能。总体来看整体设计分为两个大部分。每个大部分又分为若干模块。

5、具体如下：1.测量发射部分：分为数据采集模块，控制模块，无线收发模块数据采集模块：此部分采用的核心是一个 DS18B20 温度传感器。一个AMT1001 温湿度两用传感器。控制模块：采用 MSP430 单片机及其最小系统。无线收发模块：采用 NRF24L01 无线收发芯片。2.接收处理部分：分为数据接收，处理显示数据接收模块：采用 NRF24L01 收发芯片处理模块：采用一片 MSP430 单片机及其最小系统显示模块：采用一个 5110 显示模块首先由测量发射部分在封闭环境之内采集到温度和湿度信息。由 MSP 430 负责将采集到的信息传送给无线收发芯片 NRF24L01。并且控制收发芯片将数

6、据打包。在 2.4GHz 的频段内，发送到封闭环境之外。这时在封闭环境之外的接收处理部分的无线模块接收到有效信息。其间经过收发的应答确认。确认信息有效后。送 MSP430 处理，得到温度湿度信息。送到显示模块上显示输出。具体实现见如下框图：测量发射部分：接收处理部分：2. 系统硬件设计温度采集模块：该模块采用美国 DALLAS 公司推出的数字测温芯片 DS18B20。它具有体积小多种封装形式，独特的单总线协议等优点。测量范围从-55摄氏度到+125 摄氏度，拥有可以选择的 9 到12 位温度数据分辨率，可工作在寄生电源模式，可自定义温度告警设置。我们在本系统中使温度传感器输出脚与 430 单片

7、机的 P1.5 相连，外接上拉电阻到电源正。DS18B20 封装图如图（摘自百度图库）：无线收发模块：该模块采用 Nordic 公司生产的 nRF24L01 无线收发芯片。 nRF24L01 作为单片射频收发芯片，其工作于 2.42.5GHz 世界通用 ISM 频段，工作电压为 1.93.6V。可通过 SPI 协议写入数据，数据传输速率最快可达2Mbit s，并且具有自动应答和自动再发射功能。芯片融进了增强式ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片功耗低，6dBm 功率发射时，工作电流 9mA，接收时工作电流只有12.3mA，可选择的掉电模式和空闲模式使其应

8、用设计更为方便。在本系统中。我们使用 MSP430F149 单片机的三个 I/O 口模拟 SPI 协议，与 2401 实现通信。同时用一个 I/O 进行模式选择，这四个 I/O 分别对应于：CE ：P4.0CSN: P2.3SCK:P4.2MISO :P4.4CE1SN2K3MOI45V0D87RF6QX_PATnLMOSI: P2.5详见下图：湿度测量模块：本模块采用广州奥松电子有限公司的新一代 AMT1001 湿敏电容温湿度模块。该模块具有精度高，可靠性高，一致性好，带温度补偿，长期稳定性好，使用方便及价格低廉等特点，被广泛应用于暖通空调、加湿器、除湿机、通迅、大气环境监测、工业过程控制、

9、农业、测量仪表等应用领域。由于该模块输出量是模拟的。电压 0-3V。所以采用 MSP430 自带的内部高速 AD 转换器。进行模拟量到数字量得转换。所使用通道为通道 2。电压与湿度对应关系详见附录（摘自奥松提供的数据手册）。显示模块：显示模块这里我们采用 5110 显示模块。5110 显示模块本来是诺基亚5110 系列手机的显示屏幕。厂家经过改造，又添加了四个背光灯来使用。由于其支持 SPI 协议。所以这里我们将 5110 与 MSP430F149 的 I/O 口直接相连。通过 I/O 口直接模拟 SPI 协议。来控制 5110 的显示。将温湿度信息等显示在屏幕上。具体连接方式如下：RST :

10、 P5.0SCE : P5.1DC :P5.2SDIN :P5.3SCLK: P5.4控制模块：本模块采用 TI 公司的超低功耗混合信号处理器 MSP430F149 作为主控芯片，配合其最小系统。MSP430 系列是 TI 公司生产的 16 位单片机，采用精简指令集（RISC）结构。具有丰富的寻址方式（ 7 种 源 操 作 数 寻 址 、 4 种 目 的 操 作 数 寻 址 ） 、 简洁 的 27 条 内 核 指 令 以 及 大 量 的 模 拟 指 令 ； 大 量 的 寄 存 器 以 及 片 内 数 据 存 储器 都 可 参 加 多 种 运 算 ； 还 有 高 效 的 查 表 处 理 指 令

11、。同时，其最杰出的特性是超低功耗。电 源 电 压 采 用 的 是 1.8-3.6V 电 压 。 在 系 统 中 共 有 一 种 活 动 模 式（ AM） 和 五 种 低 功 耗 模 式 （ LPM0LPM4） 。 在 实 时 时 钟 模 式 下 ， 可 达2.5A ， 在 RAM 保 持 模 式 下 ， 最 低 可 达 0.1A 。 同 时 其 集 成 了 丰 富 的 外设 。 看 门 狗 （ WDT） 、 模 拟 比 较 器 A、 定 时 器 A0（ Timer_A0） 、 定 时 器A1（ Timer_A1） 、 定 时 器 B0（ Timer_B0） 、 UART、 SPI、 I2C、

12、硬 件 乘 法器 、 液 晶 驱 动 器 、 10 位 /12 位 ADC、 16 位 - ADC、 DMA、 I/O 端 口 、 基本 定 时 器 （ Basic Timer） 、 实 时 时 钟 （ RTC） 和 USB 控 制 器 等 若 干 外 围 模块 为 系 统 的 单 片 解 决 方 案 提 供 了 极 大 的 方 便 。 系统中我们自己搭建了其最小系统，具体包括：单片机、晶振电路、复位电路，下载接口等等。其中程序下载方式为 BSL 编程。复位方式为上电复位和按键复位。晶振为 8MHz 无源振荡器。内部不分频。即MCLK=SMCLK=8MHz。3. 系统软件设计由于系统分为测量发

13、送，接收处理两个大部分。所以下关于软件的论述将分为两个方面来进行。1.测量发送部分:算法设计思想：首先收发模块处于接收状态（视为待机状态），不断扫描接收寄存器的值，当值为零时默认没有来自外部的数据请求。继续循环扫描。当某一时刻接收到了特定的数据（由接收处理的模块发送，内容预先约定）。与预先约定的值比较，匹配则认为数据请求已经到达。这时微控制器（此处为MSP430）启动 A/D 转换，对输入 A/D 通道的湿度传感器的模拟量进行采集。同时启动 DS18B20。采集温度信息。得到这两方面信息后。对信息（共四个字节）进行打包。送至发送缓冲器。数据不经处理的发送。启动无线发送。默认发送三次后停止发送。

14、进入待机状态。流程图：状态转移图：2.接收处理部分:算法设计思想：首先收发模块处于发送状态（视为待机状态），这时扫描时间标志。当时间标志置位时（达到默认更新数据时间）。这时微控制器（此处为MSP430）首先通过无线模块发送数字起始信号。然后转入接收状态，等待对方的数据信号。得到数据包后。对数据进行处理。得到数据。即温度和湿度值。处理后调用显示。最后进入发送待机状态。流程图：4. 系统创新根据以上的叙述，可以看出本系统创新之处有以下几点：1.采用 2.4GHz 频段无线收发一体化芯片 NRF24L01 来组成无线数据传输系统，对于测量得到的温度湿度等信息能够快捷准确的发送到接收节点。由接收节点对

15、得到的数据进行诸如计算温度，湿度的计算处理，从而得到相应的温湿度信息。由于 2401 的传输性能突出。所以此种方式可以满足大多数封闭半封闭环境的测量要求。2.在无线通信的过程中，我们自己设计了二者的握手“协议”，可以保证二者通信正常。且不受第三方干扰。实现实用性，安全性的原则。5. 评测与结论经过实际测量，测试通信距离约为 60 米。由于程序中我们设定数据更新时间为 5S 周期。所以，测试更新时间为 5S。即 5S 刷新一次数据。当然此项可以根据实际需要更改。温度精度为 0.1 摄氏度。湿度精度为 1%RH。另外，穿墙测试，普通混凝土楼房建筑。一层测试数据无明显损失，效果满意。多层未进行测试。