基于單片機的環(huán)境試驗設備無線溫度濕度測量系統(tǒng)的研究與設計
發(fā)布時間：2014-10-09 14:55
【摘要】 環(huán)境試驗設備和高溫高壓滅菌裝置是保證產(chǎn)品質量以及人民健康免受病菌侵害不可或缺的試驗設備。因此對該類試驗設備及其溫度、濕度測量的準確性檢驗驗證，就愈顯重要。準確的獲得溫度濕度信息具有很重要的意義。我國GMP(國際上對《藥品生產(chǎn)質量管理規(guī)范》的通稱)、世界衛(wèi)生組織GMP以及歐盟現(xiàn)行標準EN554明確規(guī)定，必須對干熱及濕熱滅菌設備進行滅菌溫度和時間的驗證。為此國際標準委員會專門設立了“國際消毒委員會”和“國際醫(yī)療標準委員會”。近年來，我國政府也將制藥設備管理、醫(yī)療器械的質量控制以及醫(yī)療衛(wèi)生計量檢測工作列為重點發(fā)展的工作。針對此現(xiàn)狀，現(xiàn)普遍應用的一些傳統(tǒng)的計量檢測標準儀器將無法滿足驗證要求，該類設備更多的是依賴操作人員的經(jīng)驗，無法準確給出最具說服力的數(shù)據(jù)。而采用現(xiàn)代電子技術實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的無線傳輸存儲、采集智能化，通過曲線、數(shù)字、報表真實記錄物理參數(shù)（溫度、濕度等）的達到時間和持續(xù)時間的“溫度、濕度無線檢測裝置”，真正做到了直觀檢測驗證和檢測結果的準確性、可靠性。本設計的控制核心是MSP430單片機，利用溫度濕度傳感器把多個溫度濕度測量節(jié)點使用單總線和單片機相連形成分布式的系統(tǒng)�？刂破魍ㄟ^溫度濕度傳感器實時檢測各節(jié)點的溫度濕度變化，經(jīng)nRF24L01數(shù)傳模塊進行接受和發(fā)送。通過串口將檢測到的溫度信息回饋到PC機，這樣就實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的遠程檢測。
第 1 章 緒論
1.1 引言
眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。目前世界上有多個國家花巨資深入研究探索“物聯(lián)網(wǎng)”，其中，中國與德國、美國、英國等國家一起，成為國際標準制定的主導國之一。
物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換并通信。通過智能感知、識別技術廣泛應用于網(wǎng)絡中，利用局部網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、產(chǎn)業(yè)化、智能化和遠程管理及控制等功能。因此，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。
在物聯(lián)網(wǎng)中，無線通信技術在信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快，應用最廣，同時出現(xiàn)了集成化、操作簡單的特點，以及低功耗的趨勢等各個優(yōu)勢，因此，大量的無線通信模塊已經(jīng)不斷地推陳出新，被廣泛的應用在工業(yè)、生活的各個領域。其中，大多數(shù)的無線通信模塊是由微控制器和集成射頻芯片構成的。
在無線通信技術中，有一項很重要的應用，就是無線測量溫濕度技術。眾所周知，溫濕度與我們的生活息息相關、密不可分。例如，產(chǎn)品的質量，儀器、半導體器件等，都需要對溫濕度進行必要的限制。因此，適時地對溫濕度進行測量控制具有重大意義，也是十分必要的。
傳統(tǒng)的溫濕度測量方法都是采用布線式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，這種測量方法不僅給大范圍與異地多點測量帶來不便，同時具有布線成本高、線路榮譽復雜以及老化等問題，十分不利于各方面的生產(chǎn)生活。這些問題亟待解決，高效的實現(xiàn)無線測溫濕度測量勢在必行，由此，無線溫濕度測量系統(tǒng)應運而生。
由此可見，多點無線溫濕度測量系統(tǒng)具有廣泛的應用，隨著當今無線通信技術的發(fā)展以及各個無線通信模塊的普及，越來越多的場合需要保證精準的溫濕度測量數(shù)據(jù)。因此，如何準確的實現(xiàn)多點無線溫度濕度測量具有十分重要的意義。這首先需要利用傳感器等無線模塊對溫濕度數(shù)據(jù)進行采集、處理、發(fā)送，然后將處理好的數(shù)據(jù)送給單片機進行進一步的處理，從而實現(xiàn)實時測量控制溫濕度數(shù)據(jù)的目的，同時檢測周邊設備的運行情況，保證系統(tǒng)正常運行。同時，盡可能的減少不必要的開支浪費。
無線溫濕度測量系統(tǒng)的通信原理十分簡單，大多數(shù)無線溫濕度測量系統(tǒng)都是利用單片機進行通信，一般采用串行口通信方式。多點無線測量溫濕度系統(tǒng)是利用上位機與下位機實現(xiàn)一對多通信，一次實現(xiàn)測量系統(tǒng)的測量實時性好，并保證系統(tǒng)具有高精度。
多點無線溫度濕度測量系統(tǒng)重要由兩大部分構成，第一部分是上位機系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機、無線接收模塊和顯示模塊構成，主要負責完成接收和顯示的工作，同時用來與下位機進行通信。第二部分是下位機通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溫濕度采集模塊、單片機以及無線發(fā)送模塊組成，主要負責把多個測量點的溫濕度值適時地傳遞給上位機，高效完成與上位機之間的通信[1]。
本論文主要研究的內(nèi)容是用單片機程序控制，利用多片溫濕度傳感器，通過無線收發(fā)模塊實現(xiàn)多點溫濕度測量，并利用 PC 機液晶屏顯示。其中，下位機包括多塊溫濕度傳感器，與單片機、無線發(fā)送模塊構成測量網(wǎng)，用來采集無線溫濕度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給上位機。上位機有相同的單片機與無線接收模塊，此外，還有溫濕度數(shù)據(jù)顯示模塊，三者共同實現(xiàn)所測數(shù)據(jù)的接收與顯示。
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1.2 溫濕度測量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
國際上對溫度濕度測量系統(tǒng)這方面的研究開始較早，分別出產(chǎn)了模擬是的組合儀器、分布式的控制系統(tǒng)和多因子綜合控制系統(tǒng)，總體上發(fā)展較快。而我國對于溫度濕度無線測量系統(tǒng)的研究則起步較晚，國內(nèi)工作人員在吸收國際上先進技術的基礎上，采用最新的溫濕度測量技術，同時對各國技術進行消化吸收，化為己有，積極推進相關技術發(fā)展，但與發(fā)達國家相比，仍然比較落后。許多問題需要我們積極去解決，例如工作環(huán)境水平落后、設備配置低、資源不共享等缺點。傳統(tǒng)的溫濕度檢測系統(tǒng)有很多種，例如水汽壓、露點溫度、電阻式濕度片以及相對濕度等，不同的測量方法具有不同的應用場合。
由于多點無線檢測系統(tǒng)的飛速發(fā)展，需要把基于單片機 MSP430的溫濕度測量系統(tǒng)把多個傳感器系統(tǒng)結合在一起。多點無線測量系統(tǒng)中第一個需要解決的問題是如何實現(xiàn)多點測溫濕度，并能保證該多點能夠被高效的、無誤的、實時的進行接收與顯示，以便我們能夠同時對多個對象進行測量，綜合利用多傳感器信息，從而確保測量數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。以便于工作人員能夠及時的做出正確的決策和響應。同時，在對溫濕度要求比較嚴格的場合，也能較好的確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
1.3 研究內(nèi)容及創(chuàng)新
本課題研究基于單片機 MSP430 的多點無線溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)地關鍵技術是如何實現(xiàn)“一對多”通信，降低發(fā)送接收的誤碼率，減小誤差。該系統(tǒng)地主要研究方面包括以下幾點內(nèi)容：
（1）我們應該有選擇的對溫度濕度傳感器進行選擇，例如抗干擾能力強，精度高，性能好，易于傳輸與發(fā)送，便于處理，能夠應用于多點無線測溫濕度系統(tǒng)，同時具有成本低，誤差小，便于安裝等特點。
（2）我們在進行硬件電路設計時，應本著簡單、簡潔的原則，使硬件電路盡量簡單，節(jié)約資源，增加系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
（3）系統(tǒng)的軟件設計必須與硬件系統(tǒng)相對應，我們需要具有完整的軟件設計思路，充分考慮各個無線通信模塊的工作時序，并根據(jù)相應的硬件系統(tǒng)來設計對應的軟件，簡化程序，盡可能的減小傳輸?shù)恼`碼率。
（4）我們需要對所測得的溫濕度進行補償，由此來降低溫漂、信道噪聲等各種隨機噪聲給系統(tǒng)帶來的干擾，并對誤差加以修正。
本課題的創(chuàng)新點在于多點無線遠程測量溫濕度，假若采取傳統(tǒng)的現(xiàn)場檢測即人工定時測量，需要耗費大量的人力，不能夠做到實時監(jiān)控，特別是應用在一些存在加熱設備的生產(chǎn)基地，這些場合在短時間內(nèi)，溫度可能發(fā)生劇烈的變化，如果利用人工進行測量和管理，則可能造成重大事故[16]。采用無線技術進行溫濕度測量，降低了布線成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和精確性，有利于對該系統(tǒng)進行更廣泛的推廣。
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第 2 章 硬件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
我們在日常生活中經(jīng)常需要對溫度濕度進行檢測，隨著生活水平與科學技術的提高，傳統(tǒng)的溫度濕度測量方法已經(jīng)不能滿足我們目前對溫濕度測量系統(tǒng)精確度的要求了。因此，我們需要對無線溫濕度測量系統(tǒng)進行更深一步的研究。本設計的溫濕度采集元件采用 SHT11，配合低功耗單片機的使用，很好地彌補了傳統(tǒng)上溫濕度測量的不足。而且本設計通過無線收發(fā) NRF24L01 模塊對采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進行無線傳輸，打破傳統(tǒng)操作中受限的問題，使溫濕度的精確測量更容易實現(xiàn)。該系統(tǒng)中采用的主控芯片是MSP430，溫濕度采集模塊使用 SHT11 無線溫濕度傳感器、利用 NRF24L01 作為無線收發(fā)模塊，然后和 RS232 電平轉換模塊以及 PC 機數(shù)碼顯示模塊構成整個系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中，無線收發(fā)芯片 nRF24L01 工作在 2.4GHz 的頻段，通過 MSP430 單片機進行控制通信，由此來實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸。這種設計方法可以降低成本，提高無線數(shù)據(jù)的傳輸速率，同時具有功耗低，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性等特點。該系統(tǒng)有兩部分，分別是發(fā)送部分和接收部分，每一部分都是利用單片機 MSP430 和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊nRF24L01 兩個模塊來控制其他處理模塊，一次來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與處理。其中，發(fā)送部分以單片機 MSP430 為核心，使用溫濕度傳感器 SHT11 對溫濕度信號進行實時采集，然后將采集的溫濕度無線傳輸給接收部分，最終再在 PC 機上顯示。本系統(tǒng)的核心控制芯片是 MSP430。
2.1 MSP430 簡介
MSP430 系列單片機是美國德州儀器生產(chǎn)，具有強大的處理功能、豐富的片內(nèi)外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、超低功耗、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等優(yōu)勢，是一個 16 的單片機，又稱混合信號處理器。其能夠將多個不同功能的模塊集成在一個芯片上，名符其實的實現(xiàn)單片。其芯片引腳圖如下圖所示。
MSP430 系列單片機的特點：
MSP430單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、豐富的片內(nèi)資源、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)勢�？蓞⑴c多種運算與編程調試等，更好的控制系統(tǒng)的功耗，適于用來對溫度、濕度這類低頻率、低幅值的信號進行采集處理，且開發(fā)方便，不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有C語言和匯編語言等。
根據(jù)上面對 MSP430 的介紹，不難發(fā)現(xiàn) MSP430 滿足本研究中對多路溫度、濕度信號采集系統(tǒng)的要求。首先，它內(nèi)部集成的 16 位 Σ-ΔADC 轉換器模擬電路，適合于采集溫度、濕度這類的低頻、低幅值信號；其次，它采用了硬件 I2C 串行總線接口來實現(xiàn)存儲器串行擴展和 DMA 模塊可高效提高系統(tǒng)執(zhí)行應用程序的效率，增加數(shù)據(jù)傳輸速度，具有豐富的片內(nèi)資源，可以簡化結構，增加系統(tǒng)的集成度與穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的攜帶。
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2.2 溫濕度采集模塊
該系統(tǒng)地溫濕度采集模塊采用瑞士公司的溫度濕度傳感器 SHT11芯片，該芯片具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性，內(nèi)部具有溫濕度測量元件、AD 轉換器以及串行接口電路等，同時自帶已校準數(shù)字信號輸出�？梢詫崿F(xiàn)無縫連接。從而使得該芯片具有抗干擾能力強、響應快、高品質、性價比高等優(yōu)點。本系統(tǒng)選用 SHT11作為溫度、濕度傳感器，通過標定、校準和軟件修正可以滿足本課題要求的溫度±0.5℃、濕度2％RH 的技術要求。此外在 PCB 板上還擴展有單獨的溫度傳感器 TMP275接口，以便在不需要濕度檢測的環(huán)境點使用。
各引腳的功能如下：
腳 1 和 4--信號地和電源，其工作電壓范圍是 2.4～5.5 V；
腳 2 和 3--兩線串行數(shù)字接口，DATA 為數(shù)據(jù)線，SCK 為時鐘線；
腳 5～8--未連接。
SHT11 的內(nèi)部結構和工作原理
SHT11 溫濕度傳感器是把校準寄存器、運算放大器、AD 轉換器以及溫濕度傳感器等各模塊集成在一個芯片內(nèi)，其內(nèi)部結構如圖 2-5 所示。其內(nèi)部包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件。SHT11 首先通過溫度與濕度傳感器將采集到的溫濕度信號轉換成電信號，再經(jīng)過運算放大器將該微笑電信號進行放大，接著送入 AD 轉換器中進行模數(shù)轉換，并通過校準寄存器進行校準，最后竟二線串行數(shù)字接口和 CRC 校驗一起輸出到下一級模塊中
SHT11 的校準是在恒溫恒濕的環(huán)境下進行的，通常，校準寄存器 OTP 內(nèi)存中存有校準系數(shù)，該系數(shù)能夠對所測得的數(shù)據(jù)進行自動校準。同時，SHT11 內(nèi)部具有加熱芯片，可將 SHT11 的溫度進行升高，以此來比較加熱前后的溫度值和濕度值，從而對兩個傳感器進行驗證比較。
本套裝置結合 I2C 總線結構、工作原理、數(shù)據(jù)傳輸方式，SHT11 芯片的 I2C口與 MSP430 單片機通用 I/O 口連接進行數(shù)據(jù)命令的傳輸。能夠方便地實現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。
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第 3 章 軟件設計及介紹···················································20
3.1 系統(tǒng)軟件總體設計 ················································20
3.2 Keil 開發(fā)軟件 ··············································20
3.3 主程序設計 ······································22
3.4 溫濕度采集模塊軟件設計·······································23
3.4.1 SHT11 指令時序 ············································23
3.4.2 SHT11 溫濕度測量過程 ·······································25
3.4.3 溫濕度檢測的線性補償······································25
3.5 NRF24L01 無線收發(fā)模塊軟件設計···································27
3.6 串行通信子程序設計 ··············································31
3.7 無線溫濕度測量的 CRC 校驗············································33
3.7.1 CRC 校驗原理 ············································34
3.7.2 CRC 校驗步驟 ······································36
第 4 章 PC 機數(shù)碼顯示模塊 ···········································38
第 5 章 測試結果及結論
5.1 硬件調試
硬件調試是一個復雜的過程，即使在仿真上沒有什么問題，但在實際中往往會出現(xiàn)一些意想不到的結果，比如：程序不能下載到單片機中，實驗結果讀數(shù)差別太大或者不穩(wěn)定等。結合本人在調試過程中的體會總結如下：
焊接前檢查電路板，看看有沒有出現(xiàn)短路或者斷路的情況；焊接后要對芯片的電源引線部分進行進一步的調試，以防止虛焊或者短路的情況出現(xiàn)。如果不先檢查芯片的電源引線，很有可能燒毀芯片。
盡可能使調試電路板遠離高頻干擾源。通過調試發(fā)現(xiàn)，當電路板接近高頻干擾時與遠離高頻干擾相比，實驗結果的波動性較大，呈現(xiàn)無規(guī)律變化，因此為了屏蔽干擾，實驗時需要用屏蔽罩罩在電路板上。
盡可能使調試電路板放在溫度波動不大的地方，比如恒溫室，同時注意 MSP430 的散熱。
為了盡可能保證恒流源的輸出穩(wěn)定性，直接將恒流源不經(jīng)過調理電路接入測量電路中。
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第 6 章 結論和展望
6.1 工作總結
當前，隨著各行各業(yè)的發(fā)展，以及相關技術的提高，許多傳統(tǒng)的溫濕度測量系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹囊�，我們需要更高要求的精確度和準確度的設備去應用于我們?nèi)粘５纳钌a(chǎn)中。為了更好的克服傳統(tǒng)測量溫濕度技術的弊端，例如人為因素的影響較大、經(jīng)驗論、保障性低、布線龐大等，多點無線溫度濕度測量技術的發(fā)展勢在必行。
本文主要完成的工作及其特點如下：
1．利用上位機軟件識別傳感器，并對其實現(xiàn)獨立測量記錄，能夠檢測到被檢測裝置的任意位置的溫度、濕度狀態(tài)。同時，該裝置可以靈活放置在需要檢測的位置。
2．設計了一套不需要外加信號調理電路的無線溫濕度檢測系統(tǒng)。本研究中使用MSP430來實現(xiàn)信號的采集、處理，使得設計變得非常簡單。這是因為MSP430內(nèi)部集成有高精度、專門用于低頻低幅值信號采集系統(tǒng)的Σ-ΔADC轉換器模擬電路，因此降低了對傳感器信號進行濾波的需求，從而也就取消了信號調理電路，使系統(tǒng)有效地避免了外部干擾影響。此外，MSP430內(nèi)部電路高度集成，因此只需要一片集成電路加上復位電路即可實現(xiàn)對溫度和濕度信號數(shù)據(jù)的采集，也無需信號調理電路，使得系統(tǒng)電路結構緊湊，集成度高，穩(wěn)定性好，同時也實現(xiàn)了便攜化，低成本，低功耗，微型化。
3．我們利用軟件對各個模塊進行了很好的控制，例如：溫濕度數(shù)據(jù)采集信號模塊，與上位機的通訊模塊以及無線收發(fā)模塊等，均很好的實現(xiàn)了軟件控制。
4．該系統(tǒng)能夠對所測得的溫濕度數(shù)值進行實時顯示，用戶能夠根據(jù)需要對測得的數(shù)據(jù)進行進一步的控制、處理，從而實現(xiàn)更多的功能。
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本文編號：9526
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教材專著
