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基于MSP430F149的智能温度采集系统探究

2020-05-13 419 上传者：管理员

摘要：温度采集是监测技术的重要指标之一,针对当前温度采集系统存在的传输范围小、实时性差、成本高等问题,设计了一种智能温度采集系统。该系统处理器采用MSP430F149,液晶显示屏采用LCD12864,温度传感器采用DS18B20,WIFI模块采用ESP8266,电源电路采用LM1117-3.3稳压芯片,串口通信选择RS232模块。下位机软件以IARforMSP430为开发环境,采用C语言编程;上位机软件采用LabVIEW编写;云平台选用中国移动的OneNET平台。可以实现通过LCD显示屏、PC端上位机和OneNET云平台实时查看温度信息,同时,下位机与上位机分别以LED与布尔指示灯亮为预警信号,OneNET云平台则以发送邮件的方式进行预警。给出系统原理图并搭建了样机,在实验室完成模拟测试,实验效果良好,具有一定的参考价值。

关键词：
ESP8266
MSP430F149
OneNET云
RS232
温度采集
电信技术
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引言

我国社会正处于高速发展阶段,各行各业发展迅速,人民生活水平日益提高,但也伴随着各种环境问题[1],如:水环境污染和全球变暖等[2],而温度作为水质监测和气候环境监测的主要参数之一[3],显得越发重要。同时,在工业生产和日常生活中也避免不了对温度的测量,如监测元器件在成产和使用过程中的温度变化,山林、室内、人体等温度变化的监测[4],对预防重大事故、自然灾害、疾病等具有较大帮助[5,6]。因此,设计一种性能优良、低成本、低功耗的智能温度采集系统,具有极大的实际意义。

当前的温度采集方式主要以人工现场测量为主,该方式存在耗时、耗力以及采集成本较高等问题[7];通过有线数据传输,如RS232等,将监测数据上传至PC端上位机[8],这种方式对短距离数据采集具有一定的便利性,但当传输距离较远时,会大大提高采集成本和布线难度[9];此外,通过GPRS短信的方式也是较为常用的一种数据传输方式,该方式具有设计简单和成本低廉等优势,但由于其采用短信发送的方式,则需要预先设定发送对象,这在一定程度上限制了监测用户对象。文献[10]采用AT89C52设计了基于PT100的高精度温度采集系统,该系统具有LCD12684和PC端上位机两种查看当前温度信息方式,其与上位机通信选用RS232串口通信;文献[11]采用AT89C51设计了基于LabVIEW的多通道温度监测系统,可将各通道温度数据通过串口上传至LabVIEW上位机,实现了PC端的多通道温度在线监测;文献[12]以STC89C52为控制核心,结合LCD1602显示模块设计了温度采集系统,该系统可以实现采集参数的本地实时显示;文献[13]以AT89C52作为控制芯片,结合LCD1602液晶显示模块与WIFI模块,完成了温度采集系统的硬件设计与仿真,实现了温度参数的本地实时显示和Android手机客户端显示,但该系统要求手机查看范围需在WIFI模块信号覆盖范围内。以上温度采集系统均实现了温度参数的本地实时显示,但对远程监测信号传输大多采用有线通信方式,即使文献[13]采用WIFI模块也要求手机客户端需在该WIFI信号覆盖范围内。针对以上存在问题,选用MSP430F149为主控制芯片,设计了一种智能温度采集系统,该系统不仅可以实现采集温度的LCD实时显示和RS232串口通信,而且可以实现通过OneNET云端远程实时查看数据,系统具有体积小、功耗低、使用方便等特点。

1、系统总体结构

1.1系统总体设计

系统总体设计包括温度传感器、微控制器、报警、LCD显示、RS232串口和WIFI等模块电路的设计,系统采用5V与3.3V电源供电。其中温度传感器采用DS18B20,LCD选用LCD12864,WIFI模块选用ESP8266,RS232与MSP430F149通信需要经过MAX3232进行数据处理[14]。系统整体结构框如图1所示。

图1系统整体结构框图

1.2网络平台搭建

系统云端选用中国移动推出的OneNET平台作为数据的云平台存储和指令中转站。数据传输通常经过应用层、网络层、数据链路层和物理层等[15]。其中物理层为各硬件设备;数据链路层为ESP8266模块,将数据包传输到网络层。网络层主要为路由器,在WIFI和OneNET之间建立数据链路通路,实现网络之间的数据交互。图2为网络协议层。

图2网络协议层

2、系统硬件电路设计

系统硬件电路主要包括RS232串口、WIFI、DS18B20传感器和LCD12864模块电路的设计。图3为系统电路原理图。

WIFI模块选用ESP8266芯片,通过UART串口通信协议与MSP430F149进行通信[16]。DS18B20传感器模块的DQ引脚通过10kΩ上拉电阻接MSP430F149的P2.4引脚;LCD12864模块选用串行数据通信方式,以减少单片机引脚使用;由于DS18B20传感器模块需要5V电源供电,采用LM1117-3.3稳压芯片设计了系统电源电路;同时,还设计了LED报警电路,当采集温度超出阈值电压范围时,单片机P2.3引脚至高电平,LED指示灯亮报警。

图3系统原理图

3、系统软件设计

3.1下位机软件设计

系统下位机选用IARforMSP430为软件开发环境,采用C语言完成程序编写[17]。本设计采用模块化编程[18],图4为下位机系统软件流程图。首先对系统硬件进行初始化,设置每间隔5min获取一次DS18B20温度信息,系统自动检测DS18B20是否接入下位机,当检测到DS18B20时,获取温度信息并对其进行格式转换,分别发送至上位机、OneNET云台和在LCD中显示。同时,在MSP430F149内部设置温度阈值,当温度超出阈值范围时,LED灯亮预警。

图4下位机软件流程图

3.2OneNET云平台

OneNET是由中国移动公司打造的免费物联网开放平台,其内部提供多种标准协议,供开发者选择,具有开发简单、使用方便和功能完备等特点[19]。对OneNET云端的设计,首先在OneNET官网进入开发者中心,选择添加设备,包括设置产品基本信息和选用接入协议等,本设计选用HTTP协议。添加产品完成后,进入如图5所示的产品概况界面,由图可知设备ID号为“238097”,APIkey为“=mydoZAsLCgpt9guKRkgt3AQkqo=”。图6为添加触发器设置界面,用户在此设置报警温度阈值和添加预警使用邮箱,当上传温度超出该温度阈值时,系统将发送邮件预警信息。此外,可编辑产品应用,图7为设计的温度采集系统应用界面,其温度显示方式分别为仪表盘实时温度显示和折线图显示两种。

图5产品概况

图6触发器设置界面

图7温度采集系统应用界面

3.3上位机软件设计

上位机软件采用NI公司开发的LabVIEW软件进行编写,该软件是一种基于数据流的G语言开发环境,提供具有完备的函数封装库,极大地缩短了编程周期,得到越来越多从事仪器控制开发人员的青睐。

上位机开发主要采用LabVIEW的VISA函数库,程序设计包括软件初始化、VSIA读取、数据保存与历史数据显示等。图8为软件初始化程序,软件初始化包括对各个控件赋初值和创建对应保存数据文件夹等;图9为VISA串口读取与预警程序,首先将VISA读取的数据进行处理,其次在仪表中显示实时数据,在波形图表中显示数据变化情况,最后通过算法判断温度是否超出所设置的预警阈值,超出则灯亮提醒用户温度异常;图10为数据保存与读取程序,该程序可以将采集温度数据保存为Excel文件,以便用户做后续分析,同时将历史数据显示在数组控件中。

图8初始化程序

图9串口读取与报警程序

图10数据保存与读取程序

4、系统测试

为了验证系统能否正常工作,在实验室完成模拟测试,以自来水为温度测量对象。下位机测试结果如图11所示,由图11可知下位机可以正常显示当前温度信息,表明系统运行正常。图12为上位机测试结果,由波形图表可知经过45min的测试,温度最大值为18.2℃,最小值为17.7℃,波动范围较小。

图11下位机测试结果

图12上位机测试结果

为了验证系统测量温度的准确性,选择三种不同温度的水作为测量对象,分别将采集系统温度值与温度计测量温度值进行对比,表1为不同水温下测试温度值。由表1的测量数据可得知,两者得到的温度值最大相差0.3℃,测量误差在正常范围内,满足系统设计要求。可能引起误差的原因有传感器自身测量误差、电路焊接和导线过长等。

表1不同水温下的测试结果

5、结束语

设计了一种基于MSP430F149智能温度采集系统。完成了系统各硬件和软件电路的设计,采用LabVIEW完成了系统上位机的开发,利用OneNET云设计了远程监测平台,实现了将DS18B20采集的温度数据以LCD12864显示屏、PC端上位机和OneNET云平台远程实时查看。在实验室完成系统测试,结果表明,系统运行稳定,采集误差不超过0.3℃,具有一定的实际意义。

为提高系统应用场景,后续可增加采集参数、设计自组织网络、优化PCB设计方案等方面的改进。

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