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基于单片机的环境试验设备无线温度湿度测量系统的研究与设计

发布时间：2014-10-09 14:55

【摘要】 环境试验设备和高温高压灭菌装置是保证产品质量以及人民健康免受病菌侵害不可或缺的试验设备。因此对该类试验设备及其温度、湿度测量的准确性检验验证，就愈显重要。准确的获得温度湿度信息具有很重要的意义。我国GMP(国际上对《药品生产质量管理规范》的通称)、世界卫生组织GMP以及欧盟现行标准EN554明确规定，必须对干热及湿热灭菌设备进行灭菌温度和时间的验证。为此国际标准委员会专门设立了“国际消毒委员会”和“国际医疗标准委员会”。近年来，我国政府也将制药设备管理、医疗器械的质量控制以及医疗卫生计量检测工作列为重点发展的工作。针对此现状，现普遍应用的一些传统的计量检测标准仪器将无法满足验证要求，该类设备更多的是依赖操作人员的经验，无法准确给出最具说服力的数据。而采用现代电子技术实现传感数据的无线传输存储、采集智能化，通过曲线、数字、报表真实记录物理参数（温度、湿度等）的达到时间和持续时间的“温度、湿度无线检测装置”，真正做到了直观检测验证和检测结果的准确性、可靠性。本设计的控制核心是MSP430单片机，利用温度湿度传感器把多个温度湿度测量节点使用单总线和单片机相连形成分布式的系统。控制器通过温度湿度传感器实时检测各节点的温度湿度变化，经nRF24L01数传模块进行接受和发送。通过串口将检测到的温度信息回馈到PC机，这样就实现了对整个系统的远程检测。 

【关键词】 无线测量； 温度； 湿度； MSP430； nRF24L01； 

第 1 章 绪论

1.1 引言
众所周知，物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。目前世界上有多个国家花巨资深入研究探索“物联网”，其中，中国与德国、美国、英国等国家一起，成为国际标准制定的主导国之一。
物联网就是物物相连的互联网。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换并通信。通过智能感知、识别技术广泛应用于网络中，利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、产业化、智能化和远程管理及控制等功能。因此，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。
在物联网中，无线通信技术在信息产业中发展最快，应用最广，同时出现了集成化、操作简单的特点，以及低功耗的趋势等各个优势，因此，大量的无线通信模块已经不断地推陈出新，被广泛的应用在工业、生活的各个领域。其中，大多数的无线通信模块是由微控制器和集成射频芯片构成的。
在无线通信技术中，有一项很重要的应用，就是无线测量温湿度技术。众所周知，温湿度与我们的生活息息相关、密不可分。例如，产品的质量，仪器、半导体器件等，都需要对温湿度进行必要的限制。因此，适时地对温湿度进行测量控制具有重大意义，也是十分必要的。
传统的温湿度测量方法都是采用布线式来实现数据的传输，这种测量方法不仅给大范围与异地多点测量带来不便，同时具有布线成本高、线路荣誉复杂以及老化等问题，十分不利于各方面的生产生活。这些问题亟待解决，高效的实现无线测温湿度测量势在必行，由此，无线温湿度测量系统应运而生。
由此可见，多点无线温湿度测量系统具有广泛的应用，随着当今无线通信技术的发展以及各个无线通信模块的普及，越来越多的场合需要保证精准的温湿度测量数据。因此，如何准确的实现多点无线温度湿度测量具有十分重要的意义。这首先需要利用传感器等无线模块对温湿度数据进行采集、处理、发送，然后将处理好的数据送给单片机进行进一步的处理，从而实现实时测量控制温湿度数据的目的，同时检测周边设备的运行情况，保证系统正常运行。同时，尽可能的减少不必要的开支浪费。
无线温湿度测量系统的通信原理十分简单，大多数无线温湿度测量系统都是利用单片机进行通信，一般采用串行口通信方式。多点无线测量温湿度系统是利用上位机与下位机实现一对多通信，一次实现测量系统的测量实时性好，并保证系统具有高精度。
多点无线温度湿度测量系统重要由两大部分构成，第一部分是上位机系统，该系统由单片机、无线接收模块和显示模块构成，主要负责完成接收和显示的工作，同时用来与下位机进行通信。第二部分是下位机通信系统，该系统由温湿度采集模块、单片机以及无线发送模块组成，主要负责把多个测量点的温湿度值适时地传递给上位机，高效完成与上位机之间的通信[1]。
本论文主要研究的内容是用单片机程序控制，利用多片温湿度传感器，通过无线收发模块实现多点温湿度测量，并利用 PC 机液晶屏显示。其中，下位机包括多块温湿度传感器，与单片机、无线发送模块构成测量网，用来采集无线温湿度数据并将其发送给上位机。上位机有相同的单片机与无线接收模块，此外，还有温湿度数据显示模块，三者共同实现所测数据的接收与显示。
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1.2 温湿度测量系统的研究现状
国际上对温度湿度测量系统这方面的研究开始较早，分别出产了模拟是的组合仪器、分布式的控制系统和多因子综合控制系统，总体上发展较快。而我国对于温度湿度无线测量系统的研究则起步较晚，国内工作人员在吸收国际上先进技术的基础上，采用最新的温湿度测量技术，同时对各国技术进行消化吸收，化为己有，积极推进相关技术发展，但与发达国家相比，仍然比较落后。许多问题需要我们积极去解决，例如工作环境水平落后、设备配置低、资源不共享等缺点。传统的温湿度检测系统有很多种，例如水汽压、露点温度、电阻式湿度片以及相对湿度等，不同的测量方法具有不同的应用场合。
由于多点无线检测系统的飞速发展，需要把基于单片机 MSP430的温湿度测量系统把多个传感器系统结合在一起。多点无线测量系统中第一个需要解决的问题是如何实现多点测温湿度，并能保证该多点能够被高效的、无误的、实时的进行接收与显示，以便我们能够同时对多个对象进行测量，综合利用多传感器信息，从而确保测量数据的可靠性和准确性。以便于工作人员能够及时的做出正确的决策和响应。同时，在对温湿度要求比较严格的场合，也能较好的确保系统的稳定性和可靠性。

1.3 研究内容及创新
本课题研究基于单片机 MSP430 的多点无线温湿度测量系统。该系统地关键技术是如何实现“一对多”通信，降低发送接收的误码率，减小误差。该系统地主要研究方面包括以下几点内容：
（1）我们应该有选择的对温度湿度传感器进行选择，例如抗干扰能力强，精度高，性能好，易于传输与发送，便于处理，能够应用于多点无线测温湿度系统，同时具有成本低，误差小，便于安装等特点。
（2）我们在进行硬件电路设计时，应本着简单、简洁的原则，使硬件电路尽量简单，节约资源，增加系统的抗干扰能力，提高系统稳定性。
（3）系统的软件设计必须与硬件系统相对应，我们需要具有完整的软件设计思路，充分考虑各个无线通信模块的工作时序，并根据相应的硬件系统来设计对应的软件，简化程序，尽可能的减小传输的误码率。
（4）我们需要对所测得的温湿度进行补偿，由此来降低温漂、信道噪声等各种随机噪声给系统带来的干扰，并对误差加以修正。
本课题的创新点在于多点无线远程测量温湿度，假若采取传统的现场检测即人工定时测量，需要耗费大量的人力，不能够做到实时监控，特别是应用在一些存在加热设备的生产基地，这些场合在短时间内，温度可能发生剧烈的变化，如果利用人工进行测量和管理，则可能造成重大事故[16]。采用无线技术进行温湿度测量，降低了布线成本，提高了系统的可靠性和精确性，有利于对该系统进行更广泛的推广。
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第 2 章 硬件系统的设计与实现

我们在日常生活中经常需要对温度湿度进行检测，随着生活水平与科学技术的提高，传统的温度湿度测量方法已经不能满足我们目前对温湿度测量系统精确度的要求了。因此，我们需要对无线温湿度测量系统进行更深一步的研究。本设计的温湿度采集元件采用 SHT11，配合低功耗单片机的使用，很好地弥补了传统上温湿度测量的不足。而且本设计通过无线收发 NRF24L01 模块对采集到的温湿度数据进行无线传输，打破传统操作中受限的问题，使温湿度的精确测量更容易实现。该系统中采用的主控芯片是MSP430，温湿度采集模块使用 SHT11 无线温湿度传感器、利用 NRF24L01 作为无线收发模块，然后和 RS232 电平转换模块以及 PC 机数码显示模块构成整个系统。
本系统中，无线收发芯片 nRF24L01 工作在 2.4GHz 的频段，通过 MSP430 单片机进行控制通信，由此来实现温湿度数据的无线传输。这种设计方法可以降低成本，提高无线数据的传输速率，同时具有功耗低，提高系统的稳定性等特点。该系统有两部分，分别是发送部分和接收部分，每一部分都是利用单片机 MSP430 和无线数据收发模块nRF24L01 两个模块来控制其他处理模块，一次来实现数据的传输与处理。其中，发送部分以单片机 MSP430 为核心，使用温湿度传感器 SHT11 对温湿度信号进行实时采集，然后将采集的温湿度无线传输给接收部分，最终再在 PC 机上显示。本系统的核心控制芯片是 MSP430。

2.1 MSP430 简介
MSP430 系列单片机是美国德州仪器生产，具有强大的处理功能、丰富的片内外围模块、方便高效的开发环境、超低功耗、系统工作稳定等优势，是一个 16 的单片机，又称混合信号处理器。其能够将多个不同功能的模块集成在一个芯片上，名符其实的实现单片。其芯片引脚图如下图所示。

MSP430 系列单片机的特点：
MSP430单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、丰富的片内资源、方便高效的开发环境等优势。可参与多种运算与编程调试等，更好的控制系统的功耗，适于用来对温度、湿度这类低频率、低幅值的信号进行采集处理，且开发方便，不需要仿真器和编程器。开发语言有C语言和汇编语言等。

根据上面对 MSP430 的介绍，不难发现 MSP430 满足本研究中对多路温度、湿度信号采集系统的要求。首先，它内部集成的 16 位 Σ-ΔADC 转换器模拟电路，适合于采集温度、湿度这类的低频、低幅值信号；其次，它采用了硬件 I2C 串行总线接口来实现存储器串行扩展和 DMA 模块可高效提高系统执行应用程序的效率，增加数据传输速度，具有丰富的片内资源，可以简化结构，增加系统的集成度与稳定性，有利于系统的携带。
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2.2 温湿度采集模块
该系统地温湿度采集模块采用瑞士公司的温度湿度传感器 SHT11芯片，该芯片具有非常好的可靠性和稳定性，内部具有温湿度测量元件、AD 转换器以及串行接口电路等，同时自带已校准数字信号输出。可以实现无缝连接。从而使得该芯片具有抗干扰能力强、响应快、高品质、性价比高等优点。本系统选用 SHT11作为温度、湿度传感器，通过标定、校准和软件修正可以满足本课题要求的温度±0.5℃、湿度2％RH 的技术要求。此外在 PCB 板上还扩展有单独的温度传感器 TMP275接口，以便在不需要湿度检测的环境点使用。

各引脚的功能如下：
脚 1 和 4--信号地和电源，其工作电压范围是 2.4～5.5 V；
脚 2 和 3--两线串行数字接口，DATA 为数据线，SCK 为时钟线；
脚 5～8--未连接。
SHT11 的内部结构和工作原理
SHT11 温湿度传感器是把校准寄存器、运算放大器、AD 转换器以及温湿度传感器等各模块集成在一个芯片内，其内部结构如图 2-5 所示。其内部包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。SHT11 首先通过温度与湿度传感器将采集到的温湿度信号转换成电信号，再经过运算放大器将该微笑电信号进行放大，接着送入 AD 转换器中进行模数转换，并通过校准寄存器进行校准，最后竟二线串行数字接口和 CRC 校验一起输出到下一级模块中
SHT11 的校准是在恒温恒湿的环境下进行的，通常，校准寄存器 OTP 内存中存有校准系数，该系数能够对所测得的数据进行自动校准。同时，SHT11 内部具有加热芯片，可将 SHT11 的温度进行升高，以此来比较加热前后的温度值和湿度值，从而对两个传感器进行验证比较。


本套装置结合 I2C 总线结构、工作原理、数据传输方式，SHT11 芯片的 I2C口与 MSP430 单片机通用 I/O 口连接进行数据命令的传输。能够方便地实现芯片间的数据传输与控制。
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第 3 章 软件设计及介绍···················································20
3.1 系统软件总体设计 ················································20
3.2 Keil 开发软件 ··············································20
3.3 主程序设计 ······································22
3.4 温湿度采集模块软件设计·······································23
3.4.1 SHT11 指令时序 ············································23
3.4.2 SHT11 温湿度测量过程 ·······································25
3.4.3 温湿度检测的线性补偿······································25
3.5 NRF24L01 无线收发模块软件设计···································27
3.6 串行通信子程序设计 ··············································31
3.7 无线温湿度测量的 CRC 校验············································33
3.7.1 CRC 校验原理 ············································34
3.7.2 CRC 校验步骤 ······································36
第 4 章 PC 机数码显示模块 ···········································38

第 5 章 测试结果及结论

5.1 硬件调试 
硬件调试是一个复杂的过程，即使在仿真上没有什么问题，但在实际中往往会出现一些意想不到的结果，比如：程序不能下载到单片机中，实验结果读数差别太大或者不稳定等。结合本人在调试过程中的体会总结如下：
焊接前检查电路板，看看有没有出现短路或者断路的情况；焊接后要对芯片的电源引线部分进行进一步的调试，以防止虚焊或者短路的情况出现。如果不先检查芯片的电源引线，很有可能烧毁芯片。
尽可能使调试电路板远离高频干扰源。通过调试发现，当电路板接近高频干扰时与远离高频干扰相比，实验结果的波动性较大，呈现无规律变化，因此为了屏蔽干扰，实验时需要用屏蔽罩罩在电路板上。
尽可能使调试电路板放在温度波动不大的地方，比如恒温室，同时注意 MSP430 的散热。
为了尽可能保证恒流源的输出稳定性，直接将恒流源不经过调理电路接入测量电路中。



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第 6 章 结论和展望

6.1 工作总结
当前，随着各行各业的发展，以及相关技术的提高，许多传统的温湿度测量系统已经不能满足人们日常生活的要求，我们需要更高要求的精确度和准确度的设备去应用于我们日常的生活生产中。为了更好的克服传统测量温湿度技术的弊端，例如人为因素的影响较大、经验论、保障性低、布线庞大等，多点无线温度湿度测量技术的发展势在必行。
本文主要完成的工作及其特点如下：
1．利用上位机软件识别传感器，并对其实现独立测量记录，能够检测到被检测装置的任意位置的温度、湿度状态。同时，该装置可以灵活放置在需要检测的位置。
2．设计了一套不需要外加信号调理电路的无线温湿度检测系统。本研究中使用MSP430来实现信号的采集、处理，使得设计变得非常简单。这是因为MSP430内部集成有高精度、专门用于低频低幅值信号采集系统的Σ-ΔADC转换器模拟电路，因此降低了对传感器信号进行滤波的需求，从而也就取消了信号调理电路，使系统有效地避免了外部干扰影响。此外，MSP430内部电路高度集成，因此只需要一片集成电路加上复位电路即可实现对温度和湿度信号数据的采集，也无需信号调理电路，使得系统电路结构紧凑，集成度高，稳定性好，同时也实现了便携化，低成本，低功耗，微型化。
3．我们利用软件对各个模块进行了很好的控制，例如：温湿度数据采集信号模块，与上位机的通讯模块以及无线收发模块等，均很好的实现了软件控制。
4．该系统能够对所测得的温湿度数值进行实时显示，用户能够根据需要对测得的数据进行进一步的控制、处理，从而实现更多的功能。
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参考文献:

本文编号：9526

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