遠程溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)的研制

1、青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）遠程溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)的研制The development of remote temperature monitoring system學(xué)生姓名：楊金平所在專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班 級：102班指導(dǎo)教師：孫志堅申請學(xué)位：理學(xué)學(xué)士論文提交日期：2014-06-1論文答辯日期：2014-06-16學(xué)位授予單位：青島理工大學(xué)I摘 要隨著時代的發(fā)展，科技的進步，智能化控制越來越被人們所喜愛。本文設(shè)計的是基于單片機的遠程溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)，它是利用溫度傳感器DS18B20采集溫度，通過TI公司的超低功耗微控制器MSP430F149單片機進行信號控制，從而達到對溫度的智能監(jiān)測或

2、報警。這個系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度無線傳輸、集中圖像顯示、溫度報警等功能。通過上位機軟件監(jiān)控界面，可對所需場所的溫度進行實時監(jiān)測、智能控制。關(guān)鍵詞：單片機、無線傳輸、圖像顯示、溫度報警、智能控制青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）AbstractWith the development of times and the advancement of technology, intelligent control is loved by more and more people. The design of this article is based on single-chip microcomputer re

3、mote temperature monitoring alarm system. It uses the temperature sensor (DS18B20) to collect temperature and ultra-low power consumption microcontroller (MSP430F149 single-chip microcomputer) by TI company to control signal, so as to achieve the temperature of the intelligent monitoring and alarmin

4、g. The functions of this system are realizing temperature wireless transmission, focused image display and temperature alarm. Through the upper computer software monitor interface can real-time monitor and intelligent control to the required temperature.Key words: single chip microcomputer, wireless

5、 transmission, image display, temperature alarm, intelligent controlIV目 錄前 言1第一章 緒論21.1課題研究背景及目的21.2本論文設(shè)計內(nèi)容2第二章 總體方案32.1功能要求32.2方案論證3第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計53.1硬件電路的重要芯片介紹53.1.1 MSP430F149單片機5 3.1.1.1 MSP430F149單片機簡介53.1.1.2 MSP430F149單片機復(fù)位電路簡介93.1.1.3 MSP430F149單片機的時鐘系統(tǒng)簡介103.1.2 溫度傳感器DS18B20123.1.2.1 DS18B20簡介

6、123.1.2.2 DS18B20引腳功能說明123.1.2.3 DS18B20操作說明133.1.3 無線模塊nRF905143.1.3.1 nRF905簡介143.1.3.2 nRF905引腳功能說明153.1.3.3 nRF905收發(fā)操作163.1.4 上位機監(jiān)控173.2系統(tǒng)工作流程圖183.3單片機及其外設(shè)電路設(shè)計圖183.3.1 單片機及其外設(shè)電路設(shè)計框圖183.3.2 MSP430F149最小系統(tǒng)的原理圖193.4系統(tǒng)部分電路簡介203.4.1 RS232串口電路203.4.2溫度傳感器電路設(shè)計20第四章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計214.1 DS18B20程序234.2 nRF905程序

7、24第五章 系統(tǒng)調(diào)試及性能分析255.1調(diào)試255.2性能分析265.3實物測試26第六章 分析與結(jié)論29致 謝30參考文獻31附錄A 分機系統(tǒng)原理圖32附錄B 主機系統(tǒng)原理圖33青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）前 言工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室內(nèi)，這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設(shè)電纜時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需要利用

8、無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標分散，測點較多，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。當(dāng)前的科技水平下，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進行遙控通風(fēng)等操作，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。以上只是簡單列舉幾個現(xiàn)實的例子，在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集

9、系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設(shè)計相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。本系統(tǒng)的設(shè)計采用了Nordic公司新推出的工作433MHZ頻段的nRF905射頻芯片，由MSP430F149單片機控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過nRF905無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送部分以單片機MSP430F149為核心，使用溫度轉(zhuǎn)換芯

10、片DS18B20實時采集溫度并通過nRF905將采集的溫度無線傳送給接收部分，并通過串口發(fā)送到PC機上顯示，實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)測或報警。35第一章 緒論1.1課題研究背景及目的在我們的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻都在與溫度打著交道；在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎所有的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素?，F(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制,早期溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。在現(xiàn)代社會中，溫度控制不僅

11、應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會。通常所監(jiān)控場所占地面積較大，而且位置比較分散，測試點多；所以采用人工檢測工作量大，效率低，并且測量容易出現(xiàn)漏檢，檢測周期較長。隨著時代和科技的發(fā)展，特別是現(xiàn)代電子技術(shù)的進步；智能化檢測就顯得尤為重要，它不盡可以節(jié)省人力、物力、財力，而且準確度高。1.2本論文設(shè)計內(nèi)容隨著時代的進步和發(fā)展，為了實現(xiàn)對溫度進行智能化檢測、控制，單片機無疑是人們選擇的第一對象。單片機具有可靠性高、便于擴展、性價比高等特點。單片機技術(shù)已經(jīng)在我們的生活、工作、科研等各個領(lǐng)域得到了廣

12、泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)。本設(shè)計為溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集所需場所溫度，對單片機性能要求不高。所以從功耗方面入手，選用TI公司的超低功耗微控制器MSP430F149單片機；溫度傳感器選用了DS18b20；無線模塊選用了nRF905。本論文設(shè)計內(nèi)容包括以下幾方面：1. 單片機通過溫度傳感器采集溫度，通過無線模塊傳輸?shù)街鳈C。2. 主機對各分機所發(fā)數(shù)據(jù)進行處理后，通過RS232串行通訊發(fā)送到上位機。3. 上位機收到處理數(shù)據(jù)后，進行集中圖像顯示或報警。第二章 總體方案2.1功能要求對溫度進行遠程監(jiān)控或報警，以保證監(jiān)測場所的安全。介紹了以單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法?？刂葡到y(tǒng)

13、由上位機和分機組成，分機負責(zé)一個監(jiān)測場所的溫度監(jiān)控任務(wù)，分機與主控機的通信采用無線通訊方式，溫度信號由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機然后將溫度信息發(fā)送給上位機，進行集中圖形顯示或報警。2.2方案論證根據(jù)功能要求，本系統(tǒng)主要包括溫度采集、傳輸、處理和圖形顯示四項。因此，從主控芯片和傳輸方式入手，有如下兩種方法：方案一：MCS-51系列單片具有內(nèi)部硬件到軟件的一套完整按位操作系統(tǒng)，它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，操作簡單，使用起來得心應(yīng)手，完全可滿足該

14、系統(tǒng)所需。傳輸方式選用RS232串口，有線通訊可靠性高，通訊速度快，但成本高?？墒狗謾C與主機進行通信。具體方案如下：1. 分機通過溫度傳感器DS18B20采集到現(xiàn)場的溫度，單片機對其溫度值進處理。2. 單片機將處理過的數(shù)據(jù)，通過RS232串口直接傳到主機（PC機）。3. 主機收到數(shù)據(jù)后，可通過上位機軟件對其進行集中的圖形顯示，以便工作人員監(jiān)控。此方案，雖然主控芯片操作簡單、市場價格低廉，但是對溫度遠程監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸時需要遠距離布線，其成本高1。方案二：本方案，主控芯片選用TI公司的超低功耗微控制器MSP430F149單片機。MSP430F149是一種新型的混合信號處理器，采用了美國德州儀器公司

15、最新低功耗技術(shù)，它將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，特適合于開發(fā)和設(shè)計單片系統(tǒng)。傳輸方式選用nRF905無線模塊，可使主機與分級進行通信，無線通訊對發(fā)送數(shù)據(jù)進行CRC校驗和獨特的編碼，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。具體方案如下；1. 分機通過溫度傳感器采集到現(xiàn)場溫度后，單片機對其數(shù)據(jù)處理，然后將數(shù)據(jù)寫到RF905無線模塊中，將其發(fā)送給主機。2. 主機收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)被處理后通過RS232串口發(fā)給上位機（PC機）。3. 上位機收到數(shù)據(jù)后，可通過上位機軟件對其進行集中的圖形顯示，以便工作人員監(jiān)控。此方案，主控芯片超低功耗，由于使用無線通信，可解決遠程監(jiān)控布線成高的問題。綜上所述，將采用方案二，來實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)

16、控或報警，方案流程框圖如下：分機溫度采集主機上位機顯示圖21 方案流程框圖第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1硬件電路的重要芯片介紹3.1.1 MSP430F149單片機3.1.1.1 MSP430F149單片機簡介圖31 MSP430F149引腳圖MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHZ晶振驅(qū)動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序2。在運算速

17、度方面，MSP430系列單片機能在8MHZ晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT等）。MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。  首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1.83.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在

18、200400uA 左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。  其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（32768Hz） , 有的使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。  由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式

19、下，耗電為0.7uA ，在節(jié)電方式下，最低可達0.1uA 。  系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU,以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障，DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。  豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器 A 、定時器 A（Timer_A）、定時器 B（Timer_B）、串口0、1（

20、USART0、1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12 位ADC、I2 C總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA）、端口O（P0）、端口16（P1P6）、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能；大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條I/O口線；P0、P1、P2

21、端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的12位D/A 轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（DMA）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便3。MSP430F149的端口有P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM，它們都可以直接用于輸入/輸出。MSP430系統(tǒng)中沒有專門的輸入/輸出指令，輸入/輸出操作通過傳送指令來實現(xiàn)。端口P1P6的每一位都可以獨立

22、用于輸入/輸出，即具有位尋址功能。常見的鍵盤接口可以直接用端口進行模擬，用查詢或者中斷方式控制。由于MSP430的端口只有數(shù)據(jù)口，沒有狀態(tài)口或控制口，在實際應(yīng)用中，如在查詢式輸入/輸出傳送時，可以用端口的某一位或者幾位來傳送狀態(tài)信息，通過查詢對應(yīng)位的狀態(tài)來確定外設(shè)是否處于“準備好”狀態(tài)。 端口的功能:P1、P2端口： I/O,中斷功能,其他片內(nèi)外設(shè)功能如定時器、比較器；P3、P4、P5、P6端口：I/O,其他片內(nèi)外設(shè)功能如SPI、UART模式，A/D轉(zhuǎn)換等；S,COM端口：I/O,驅(qū)動液晶。 MSP430各端口具有豐富的控制寄存器供用戶實現(xiàn)相應(yīng)的操作。其中P1,P2具有7個寄存器，P

23、3P6具有4個寄存器。通過設(shè)置寄存器我們可以實現(xiàn)：每個I/O位獨立編程；任意組合輸入，輸出和中斷；P1,P2所有8個位全部可以用作外部中斷處理；可以使用所以指令對寄存器操作；可以按字節(jié)輸入、輸出，也可按位進行操作。 端口P1、P2的功能可以通過它們的7個控制寄存器來實現(xiàn)。這里，Px代表P1或P2。1. PxDIR：輸入/輸出方向寄存器。8位相互獨立，可以分別定義8個引腳的輸入/輸出方向。8位再PUC后都被復(fù)位。使用輸入/輸出功能時，應(yīng)該先定義端口的方向 。作為輸入時只能讀，作為輸出時，可讀可寫。0：輸入模式；1：輸出模式。如：P1DIR|=BIT4; /P1.4輸出 ，P2

24、DIR=0XF0; /高4位輸出，低4位輸入。2. PXIN：輸入寄存器，為只讀寄存器。用戶不能對它進行寫入，只能通過讀取其寄存器的內(nèi)容來知道I/O口的輸入信號。所以其引腳的方向要選為輸入。如再鍵盤鍵盤掃描程序中經(jīng)常要讀取行線或者列線的端口寄存器值來判斷案件情況。3. PXOUT：輸出寄存器。該寄存器為I/O端口的輸出緩沖寄存器，再讀取時輸出緩存的內(nèi)容與引腳方向定義無關(guān)。改變方向寄存器的內(nèi)容，輸出緩存的內(nèi)容不受影響。4. PXIFG：中斷標志寄存器。他的8個標志位標志相應(yīng)引腳是否有中斷請求有待處理。0：無中斷請求，1：有中斷請求。其中斷標志分別為PXIFG.0PXIFG.7。應(yīng)該注意的是：PX

25、IFG.0PXIFG.7共用一個中斷向量，為多源中斷。當(dāng)任一事件引起的中斷進行處理時，PXIFG.0PXIFG.7不會自動復(fù)位，必須由軟件來判斷是對哪一個事件，并將相應(yīng)的標志復(fù)位。另外，外部中斷事件的時間必須保持不低于1.5倍的MCLK時間，以保證中斷請求被接受，且使相應(yīng)中斷標志位置位。5. PXIES：中斷觸發(fā)沿選擇寄存器。如果允許PX口的某個引腳中斷，還需定義該引腳的中斷觸發(fā)方式。0：上升沿觸發(fā)使相應(yīng)標志置位，1：下降沿觸發(fā)相應(yīng)標志置位。如：MOV.B  #07H, &P1IES  ;P1低3位下降沿觸發(fā)中斷。6. PXIE：中斷使能寄存器。PX口的每一個引腳都

26、有一位用以控制該引腳是否允許中斷。0：禁止中斷 ，1：允許中斷。MOV.B  #0E0H, &P2IE  ;P2高3位允許中斷。7. PXSEL：功能選擇寄存器。P1,P2兩端口還具有其他片內(nèi)外設(shè)功能，將這些功能與芯片外的聯(lián)系通過復(fù)用P1,P2引腳的方式來實現(xiàn)。PXSEL用來選擇引腳的I/O端口功能與外圍模塊功能。0：選擇引腳為I/O端口，1：選擇引腳為外圍模塊功能。如：P1SEL|=0X10;  /P1.4為外圍模塊功能。端口P3、P4、P5、P6沒有中斷能力，其余功能同PI,P2。除掉端口P1,P2與中斷相關(guān)的3個寄存器，端口P3,P4,P5

27、,P6的4個寄存器（用法同P1，P2）分別為PXDIR，PXIN，PXOUT，PXSEL可供用戶使用。 端口COM和S，他們實現(xiàn)與液晶片的直接接口。COM為液晶片的公共端，S為液晶片的段碼端。液晶片輸出端也可經(jīng)軟件配置為數(shù)字輸出端口。中斷是MSP430微處理器的一大特色，有效地利用中斷可以簡化程序和提高執(zhí)行效率。MSP430的幾乎每個外圍模塊都能夠產(chǎn)生中斷，為MSP430針對事件（即外圍模塊產(chǎn)生的中斷）進行的編程打下基礎(chǔ)。MSP430在沒有事件發(fā)生時進入低功耗模式，事件發(fā)生時，通過中斷喚醒CPU，事件處理完畢后，CPU再次進入低功耗狀態(tài)。由于CPU的運算速度和退出低功耗的速度很快，所

28、以在應(yīng)用中，CPU大部分時間都處于低功耗狀態(tài)。MSP430的中斷分為3種：系統(tǒng)復(fù)位、不可屏蔽中斷、可屏蔽中斷。1. 系統(tǒng)復(fù)位的中斷向量為0xFFFE。2. 不可屏蔽中斷的中斷向量為0xFFFC。響應(yīng)不可屏蔽中斷時，硬件自動將OFIE、NMIE、ACCVIE復(fù)位。軟件首先判斷中斷源并復(fù)位中斷標志，接著執(zhí)行用戶代碼。退出中斷之前需要置位OFIE、NMIE、ACCVIE，以便能夠再次響應(yīng)中斷。需要特別注意點：置位OFIE、NMIE、ACCVIE后，必須立即退出中斷相應(yīng)程序，否則會再次觸發(fā)中斷，導(dǎo)致中斷嵌套，從而導(dǎo)致堆棧溢出，致使程序執(zhí)行結(jié)果的無法預(yù)料。3. 可屏蔽中斷的中斷來源于具有中斷能力的外圍模

29、塊，包括看門狗定時器工作在定時器模式時溢出產(chǎn)生的中斷。每一個中斷都可以被自己的中斷控制位屏蔽，也可以由全局中斷控制位屏蔽4。多個中斷請求發(fā)生時，響應(yīng)最高優(yōu)先級中斷。響應(yīng)中斷時，MSP430會將不可屏蔽中斷控制位SR.GIE復(fù)位。因此，一旦響應(yīng)了中斷，即使有優(yōu)先級更高的可屏蔽中斷出現(xiàn)，也不會中斷當(dāng)前正在響應(yīng)的中斷，去響應(yīng)另外的中斷。但SR.GIE復(fù)位不影響不可屏蔽中斷，所以仍可以接受不可屏蔽中斷的中斷請求。中斷響應(yīng)的過程：1.如果CPU處于活動狀態(tài)，則完成當(dāng)前指令；2.若CPU處于低功耗狀態(tài)，則退出低功耗狀態(tài)；3.將下一條指令的PC值壓入堆棧；4.將狀態(tài)寄存器SR壓入堆棧；5.若有多個中斷請求，

30、響應(yīng)最高優(yōu)先級中斷；6.單中斷源的中斷請求標志位自動復(fù)位，多中斷源的標志位不變，等待軟件復(fù)位；7.總中斷允許位SR.GIE復(fù)位。SR狀態(tài)寄存器中的CPUOFF、OSCOFF、SCG1、V、N、Z、C位復(fù)位；8.相應(yīng)的中斷向量值裝入PC寄存器，程序從此地址開始執(zhí)行。3.1.1.2 MSP430F149單片機復(fù)位電路簡介MSP430的復(fù)位信號有2種：上電復(fù)位信號（POR）、上電清除信號（PUC）。還有能夠觸發(fā)POR和PUC信號：5種來自看門狗，1種來自復(fù)位管腳，1種來自寫FLASH鍵值出現(xiàn)錯誤所產(chǎn)生的信號5。POR信號只在2種情況下發(fā)生：1. 微處理上電；2. RST/NMI管腳上產(chǎn)生低電平時系統(tǒng)

31、復(fù)位。PUC信號產(chǎn)生的條件：1. POR信號產(chǎn)生；2. 看門狗有效時，看門狗定時器溢出；3. 寫看門狗定時器安全鍵值出現(xiàn)錯誤；4. 寫FLASH存儲器安全鍵值出現(xiàn)錯誤。POR和PUC兩者的關(guān)系：POR信號的產(chǎn)生會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位并產(chǎn)生PUC信號。而PUC信號不會引起POR信號的產(chǎn)生。無論是POR信號還是PUC信號觸發(fā)的復(fù)位，都會使MSP430從地址0xFFFE處讀取復(fù)位中斷向量，程序從中斷向量所指的地址處開始執(zhí)行。觸發(fā)PUC信號的條件中，除了POR產(chǎn)生觸發(fā)PUC信號外，其他的豆科一通過讀取相應(yīng)的中斷向量來判斷是何種原因引起的PUC信號，以便作出相應(yīng)的處理。典型的復(fù)位電路有一下3種：1. 在RST/

32、NMI管腳上接100K歐的上拉電阻。2. 在（1）的基礎(chǔ)上再接0.1uf的電容，電容的一端接地，可以使復(fù)位更加可靠。3. 再（2）的基礎(chǔ)上，再在電阻上并接一個型號為IN4008的二極管，可以可靠的實現(xiàn)系統(tǒng)斷電后立即上電。如下圖所示：圖3-2 復(fù)位電路3.1.1.3 MSP430F149單片機的時鐘系統(tǒng)簡介MSP430根據(jù)型號的不同最多可以選擇使用3個振蕩器。我們可以根據(jù)需要選擇合適的振蕩頻率，并可以在不需要時隨時關(guān)閉振蕩器，以節(jié)省功耗。這3個振蕩器分別為：1. DCO數(shù)控RC振蕩器；它在芯片內(nèi)部，不用時可以關(guān)閉；DCO的振蕩頻率會受周圍環(huán)境溫度和MSP430工作電壓的影響，且同一型號的芯片所產(chǎn)

33、生的頻率也不相同。但DCO的調(diào)節(jié)功能可以改善它的性能，他的調(diào)節(jié)分為以下3步：a：選擇BCSCTL1.RSELx確定時鐘的標稱頻率；b：選擇DCOCTL.DCOx在標稱頻率基礎(chǔ)上分段粗調(diào)；c：選擇DCOCTL.MODx的值進行細調(diào)。2. LFXT1接低頻振蕩器。典型為接32768HZ的時鐘振蕩器，此時振蕩器不需要接負載電容。也可以接450KHZ8MHZ的標準晶體振蕩器，此時需要接負載電容。3. XT2接450KHZ8MHZ的標準晶體振蕩器。此時需要接負載電容，不用時可以關(guān)閉。低頻振蕩器主要用來降低能量消耗，如使用電池供電的系統(tǒng)，高頻振蕩器用來對事件做出快速反應(yīng)或者供CPU進行大量運算。MSP43

34、0的3種時鐘信號：MCLK系統(tǒng)主時鐘；SMCLK系統(tǒng)子時鐘；ACLK輔助時鐘。1. MCLK系統(tǒng)主時鐘。除了CPU運算使用此時鐘以外，外圍模塊也可以使用。MCLK可以選擇任何一個振蕩器所產(chǎn)生的時鐘信號并進行1、2、4、8分頻作為其信號源。2. SMCLK系統(tǒng)子時鐘。供外圍模塊使用。并在使用前可以通過各模塊的寄存器實現(xiàn)分頻。SMCLK可以選擇任何一個振蕩器所產(chǎn)生的時鐘信號并進行1、2、4、8分頻作為其信號源。3. ACLK輔助時鐘。供外圍模塊使用。并在使用前可以通過各模塊的寄存器實現(xiàn)分頻。但ACLK只能由LFXT1進行1、2、4、8分頻作為信號源6。PUC復(fù)位后，MCLK和SMCLK的信號源為D

35、CO，DCO的振蕩頻率為800KHZ。ACLK的信號源為LFXT1。MSP430內(nèi)部含有晶體振蕩器失效監(jiān)測電路，監(jiān)測LFXT1（工作在高頻模式）和XT2輸出的時鐘信號。當(dāng)時鐘信號丟失50us時，監(jiān)測電路捕捉到振蕩器失效。如果MCLK信號來自LFXT1或者XT2，那么MSP430自動把MCLK的信號切換為DCO，這樣可以保證程序繼續(xù)運行。但MSP430不對工作在低頻模式的LFXT1進行監(jiān)測。3.1.2 溫度傳感器DS18B203.1.2.1 DS18B20簡介溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的高性能數(shù)字溫度傳感器DS18B20。其具有如下特性：1. 獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊。2.

36、 簡單的多點分布應(yīng)用。3. 無需外部器件。4. 可通過數(shù)據(jù)線供電。5. 零待機功耗。6. 測溫范圍-55+125，以0.5遞增。華氏器件-67+2570F，以0.90F 遞增。7. 溫度以9 位數(shù)字量讀出。8. 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值）。9. 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置。10. 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。11. 應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)。3.1.2.2 DS18B20引腳功能說明溫度傳感器DS18B20引腳封裝圖如下所示：圖3-3 DS18B20引腳封裝圖表3-1 引腳說明符號說明GND接地DQ數(shù)據(jù)輸入/

37、輸出腳，對于單線操作：漏極開路VDD可選的 VDD 引腳3.1.2.3 DS18B20操作說明DS1820 依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM 操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5 個ROM 操作命令之一：1.讀ROM，2.匹配ROM，3.搜索ROM，4.跳過ROM，5.報警搜索。一條控制操作命令指示 DS1820 完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS1820 的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH 和TL 各由一個EEPROM 字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS1820 使用報警搜索命令，這些寄存器可以

38、做為一般用途的用戶存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH 和TL 進行寫入，對這些寄存器的讀出需要通過暫存器。DS1820 需要嚴格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫1、讀0 和讀1。所有這些信號，除存在脈沖外，都是由總線控制器發(fā)出的。和 DS1820 間的任何通訊都需要以初始化序列開始，初始化時序見下圖。圖3-4 初始化時序DS1820 的數(shù)據(jù)讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認信息交換。當(dāng)主機把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉到邏輯低電平的時候，寫時間隙開始。有兩種寫時間隙：寫1 時間隙和寫0 時間隙。所有寫時間隙必須最少持續(xù)60s，包兩個寫周期間至少

39、1s 的恢復(fù)時間。I/O 線電平變低后，DS1820 在一個15s 到60s 的窗口內(nèi)對I/O 線采樣。如果線上是高電平，就是寫1，如果線上是低電平，就是寫0，其時序圖如下7：圖3-5 讀/寫時序圖3.1.3 無線模塊nRF9053.1.3.1 nRF905簡介nRF905無線芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1GHz無線數(shù)傳芯片，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計。其性能特點為：1. 433Mhz 開放ISM 頻段免許可證使用

40、。 2. 最高工作速率50kbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合。 3. 125 頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要。 4. 內(nèi)置硬件CRC 檢錯和點對多點通信地址控制。 5. 低功耗1.9 - 3.6V 工作，待機模式下狀態(tài)僅為2.5uA。 6. 收發(fā)模式切換時間 < 650us。 7. 模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便。 8. TX Mode: 在+10dBm情況下，電流為30mA; RX Mode: 12.2mA。 9. 標準DIP間距接口，便于嵌入式應(yīng)用8。3.1.3.2 nRF905引腳功能說明 表

41、3-2 功能引腳管腳名稱管腳功能說明1VCC電源電源+3.33.6V DC 2TX_EN數(shù)字輸入TX_EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式 3TRX_CE數(shù)字輸入使能芯片發(fā)射或接收 4PWR_UP數(shù)字輸入芯片上電 5UCLK時鐘輸出本模塊該腳廢棄不用，向后兼容 6CD數(shù)字輸出載波檢測 7AM數(shù)字輸出地址匹配 8DR數(shù)字輸出接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成 9MISOSPI接口SPI 輸出 10MOSISPI接口SPI 輸入 11SCKSPI時鐘SPI 時鐘 12CSNSPI使能SPI 使能 13GND地接地 14GND地接地說明：1. VCC電壓范圍為 3.3V3.6V之間，不能在這個區(qū)間之

42、外，超過3.6V將會燒毀模塊。推薦電壓3.3V左右。2. 除電源VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機IO口直接相連，無需電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)然對3V左右的單片機更加適用了。 3. 硬件上面沒有SPI的單片機也可以控制本模塊，用普通單片機IO口模擬SPI不需要單片機SPI模塊介入，只需添加代碼模擬SPI時序即可。 3.1.3.3 nRF905收發(fā)操作 nRF905在收發(fā)模式下，nRF905自動處理字頭和CRC效驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，DR引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。典型的nRF905發(fā)送流程分以下幾步：

43、 1. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定； 2. 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式； 3. nRF905的ShockBurstTM發(fā)送： (1) 射頻寄存器自動開啟； (2) 數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)； (3) 發(fā)送數(shù)據(jù)包； (4) 當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高； 4. AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低； 5. 當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。

44、nRF905接收流程分以下幾步：1. 當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時，RF905進入ShockBurstTM接收模式； 2. 650us后，RF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)； 3. 當(dāng)RF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高； 4. 當(dāng)接收到一個相匹配的地址，AM引腳被置高； 5. 當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢， RF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把DR引腳置高 6. 微控制器把TRX_CE置低，nRF905進入空閑模式； 7. 微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)； 8. 當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把DR引腳和AM引腳置低； 9. nR

45、F905此時可以進入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機模式。 3.1.4 上位機監(jiān)控監(jiān)控軟件用VB語言編寫，界面如下圖所示：圖3-6 上位機界面該軟件用于溫度監(jiān)控或報警，在使用前，需設(shè)置溫度上限、溫度下限、串口、波特率，本系統(tǒng)才能正確運行。當(dāng)溫度值超過或低于所設(shè)值時，指示燈閃爍報警，提示工作人員處理；該軟件還可以實時保存溫度數(shù)據(jù)9。3.2系統(tǒng)工作流程圖現(xiàn)場分機主機PC機DS18B20采集溫度RS232串口通信nRF905無線通信圖3-7 系統(tǒng)工作流程3.3單片機及其外設(shè)電路設(shè)計圖3.3.1 單片機及其外設(shè)電路設(shè)計框圖分機外設(shè)電路設(shè)計框圖：MSP430F14

46、9DS18B20時鐘電路nRF905復(fù)位電路3.3V電源圖3-8 分機外設(shè)電路主機外設(shè)電路設(shè)計框圖：MSP430F149RS232串口時鐘電路nRF905復(fù)位電路3.3V電源仿真器接口圖3-9 主機外設(shè)電路3.3.2 MSP430F149最小系統(tǒng)的原理圖圖3-10 MSP430F149最小系統(tǒng)3.4系統(tǒng)部分電路簡介3.4.1 RS232串口電路RS232串口作為單片機與PC機通信工具，該系統(tǒng)串口電路選用SP3232E芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。電路圖如下所示：圖3-11 RS232串口電路3.4.2溫度傳感器電路設(shè)計DS18B20的通信協(xié)議為單線協(xié)議，數(shù)據(jù)總線在空閑狀態(tài)時為高電平，所以在數(shù)據(jù)總線接口與

47、VCC之間需要一個上拉電阻。電路圖如下所示：圖3-12 DS18B20電路第四章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計基于MSP430F149的遠程溫度監(jiān)控或報警系統(tǒng)設(shè)計程序主要由讀出并處理DS18B20溫度值、nRF905無線通信、RS232串口通信、MSP430F149配置、上位機軟件等程序組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計總體流程圖如下所示：開始切換高頻時鐘初始化nRF905設(shè)置I/O方向初始化看門狗定時器打開看門狗定時器中斷、總中斷讀取DS18B20溫度值nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)進入LPM3DR是否置高是否是否進入中斷退出LPM3是圖4-1分機程序總體流程圖分機讀取傳感器溫度值并通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送后，進入低功耗模式三，在

48、該模式下CPU、MCLK、SMCLK被禁止，只有輔助系統(tǒng)時鐘ACLK活動，此時程序停止；看門狗定時器溢出，進入中斷函數(shù)退出低功耗模式三，程序繼續(xù)運行讀取傳感器溫度，一直循環(huán)。該程序設(shè)計使系統(tǒng)大部分時間處于低功耗10。否開始切換高頻時鐘初始化nRF905設(shè)置I/O方向初始化看門狗定時器打開看門狗定時器中斷、總中斷初始化UART0nRF905接收收據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)CD、AM、DR是否置高是是否進入中斷串口通信是否圖4-2主機程序總體流程圖主機通過無線模塊接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)化，一直循環(huán)；當(dāng)看門狗定時器溢出，進入中斷函數(shù)運行串口通信。4.1 DS18B20程序該函數(shù)主要包括了對DS18B20的初始

49、復(fù)位，讀溫度，溫度轉(zhuǎn)換，計算溫度等子程序。DS18B20程序流程如下圖所示：開始初始復(fù)位跳過讀序號列號的操作啟動溫度轉(zhuǎn)換延時2秒初始復(fù)位讀取溫度寄存器的值計算溫度值跳過讀序號列號的操作結(jié)束圖4-3 DS18B20程序 1. 對DS18B20操作時，首先要將它復(fù)位到DQ線拉低480至960s，再將數(shù)據(jù)線拉高15至60s，然后DS18B20發(fā)出60至240s的低電平作為應(yīng)答信號，這是主機才能對它進行其他操作。2. 讀溫度子程序的主要功能是讀出DS18B20的RAM中的9個字節(jié)。前兩個就是溫度，將高低字節(jié)分別放入b和a中。在讀出時須進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。讀操作：主機將數(shù)據(jù)線

50、從高電平拉至低電平1s以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號從主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起15s至60s，主機讀取數(shù)據(jù)每個讀周期最短的持續(xù)期為60s周期之間必須有1s以上的高電平恢復(fù)期。3. 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換開始命令。當(dāng)采用12位分辨率時，轉(zhuǎn)換的時間約為750ms。在本程序中，采用2s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換完成。發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令的寫操作：將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號從DQ線的下降沿起計時，在15s到60s這段時間內(nèi)對數(shù)據(jù)線進行檢測，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫1；若為低電平則寫0，完成了一個寫周期再開始另一個寫周期前必須有1s以上的高電平恢復(fù)周期，每個寫周

51、期必須要有60s以上的持續(xù)期。4.2 nRF905程序發(fā)射流程圖：設(shè)置nRF905為發(fā)射模式開始初始化SPI接口初始化nRF905將要發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入nRF905DR是否置高結(jié)束是否圖4-4 發(fā)射流程接收流程圖：開始初始化SPI接口初始化nRF905設(shè)置nRF905為接收模式CD、AM、DR是否置高延時10us接收數(shù)據(jù)結(jié)束是否圖4-5 接收流程第五章 系統(tǒng)調(diào)試及性能分析5.1調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。硬件調(diào)試主要是MSP430F149最小系統(tǒng)板的設(shè)計和制板。其中最重要的是PCB布線設(shè)計，需要考慮各個信號線是否會干擾，盡量使板子正面和反面的走線垂直。軟件調(diào)試可以先編寫簡單程序并進行硬件的

52、正確性檢驗，然后分別進行主程序和各個子程序的編程和功能調(diào)試。其次最重要的一個程序就是實時測量環(huán)境溫度的DS18B20程序，它能否正常工作，這關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作；對于調(diào)試主要看是否能夠顯示所測得的溫度，還有在其工作的時候，用手指去捏住DS18B20，看溫度是否變化，其次另外拿支溫度計，去測當(dāng)時的溫度和DS18B20測得的溫度，比較一下看誤差是否比較大。nRF905無線模塊的調(diào)試，其中最重要的是發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端能否正確接收，這就需要在編程時嚴格按照數(shù)據(jù)手冊來編寫，兩無線模塊配置必須完全相同才能進行正常通信。5.2性能分析本系統(tǒng)各個性能分析如下：DS18B20測溫精度：0.1攝氏度無線監(jiān)控距離：100M200M報警溫度值范圍：0505.3實物測試本系統(tǒng)可以適用于大多數(shù)溫度監(jiān)控場所，所以對宿舍溫度進行實時監(jiān)測，從而來測試本系統(tǒng)是否能夠正確運行。使用MSP430F149單片機開發(fā)板自帶的溫度傳感器來采集宿舍溫度，由于該開發(fā)板沒有無線模塊，所以外接了一個無線模塊來實現(xiàn)遠程通信。當(dāng)分機的無線模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時，開發(fā)板上有指示燈一直在閃爍。該