基于MSP430的多點位溫濕度監控系統

林雨歆，林琦，劉娜娜，蔡建義，高勝銀，孫衛

（西安理工大學，陜西西安，710061）

0 引言

隨著信息時代的到來，自動化系統得到廣泛應用，根據人們的需求其功能逐漸完善，但依然存在很多問題，使用戶體驗感較差、滿意度較低。例如工農業生產生活中，需要長時間、多點位的監控環境溫濕度狀態，且需具備自動報警功能，若要實現較密集的采集多個監測點溫濕度狀態，目前依然面臨很多困難：

(1)監控范圍廣、時間長，監控點位多；

(2)溫濕度數據監控精度要求越來越高；

(3)溫濕度采集數據量大，不便于記錄與日后分析。

上述問題來源于某大學圖書館實地考察，為解決這些問題，本文設計制作了基于MSP430的單總線多點位溫濕度監控系統，該系統具備溫濕度數據采集、顯示、報警、記錄功能，實現對該大學圖書館全方位、多點位溫濕度實時監控、記錄和保存。

1 系統總體方案

本文設計的溫濕度監控系統由MSP430單片機、DHT22單總線溫濕度傳感器、液晶顯示屏等組成，系統原理如圖1所示。系統采用單總線形式，由于測量探頭結構簡單,系統板與采集模塊采用單總線進行通訊，采集模塊選用干電池供電的DHT22單總線溫濕度傳感器，便于監控采集點的設置。系統按照每分鐘一次的頻率對環境的溫濕度進行檢測，將采集的溫濕度信息，一方面通過主控芯片記錄在MSP430系統的存儲區，另一方面通過串口彩色液晶屏進行實時顯示，當某路采集溫濕度超出設定值時，在顯示屏上出現報警提示。同時，利用PC機實現對環境溫濕度數據的實時查詢、數據整理、繪制數據曲線以及對歷史存儲數據的分析、導入、導出和實時顯示等功能。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片

主控芯片采用MSP430單片機，該型單片機功耗小且集成了較豐富的片內外設，在溫濕度監控系統中，當系統程序失控時可以實現迅速復位，其內部的16位定時器具有捕獲、比較功能，完成實際測試溫濕度與設定溫濕度數值的比較，判斷溫濕度是否在合格范圍內，滿足本系統設計需求。

2.2 單總線系統

本系統采用單總線技術（1-Wire Bus），其采用單根信號線，對數據進行雙向傳輸，以及系統控制通訊功能，其內部等效電路如圖2所示。

圖2 單總線硬件接口示意圖

單總線要求外接一個約4.7kΩ的上拉電阻，這樣當總線閑置時，狀態為高電平。如果出現序列混亂，1-wire器件不會響應主機。

2.3 串口液晶屏

在溫濕度監控系統中,采用液晶顯示屏提升了溫濕度監控系統交互性、體驗性，便于使用者對溫濕度變化情況進行分析和控制。本系統采用SPI串口液晶屏， SPI串口接收MSP430單片機串口發送的指令，若指令符合通訊協議即可實現溫濕度數據的實時顯示功能。

2.4 溫濕度采集模塊

本文設計的溫濕度監控系統，要實現對環境溫濕度的監控、管理功能，首先對溫濕度及其變化信息進行采集，然后通過數字信號與模擬信號之間的有效轉換，將數據傳輸至溫濕度監控系統主控平臺— MSP430單片機，實現數據分析和利用。DHT22傳感器滿足設計需求，其外形如圖3所示。

圖3 DHT22傳感器

DHT22溫濕度傳感器屬復合型傳感器，能夠與MSP430單片機進行有效連接。DHT22溫濕度傳感器體量小，且信號傳輸距離較遠，在溫濕度監控系統中適用性強。同時，DHT22溫濕度傳感器也具有輸出信號準確率高、抗干擾、低功耗等優勢，可有效提升本文所設計的溫濕度監控系統的綜合性能。DHT22技術參數如表1所示，引腳分配如表2所示。

表1 DHT22技術參數

表2 DHT22引腳分配

2.5 單總線數據格式

系統采用單總線數據格式，一次通訊時間為4ms左右，數據分小數和整數部分，操作流程為：數據傳輸一次為40bit，高位先出。用戶發送開始信號后，DHT22從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT22發送響應信號，并觸發一次采集信號，DHT22不會主動進行溫濕度采集，采集數據后轉換到低速模式，通訊過程如圖4所示。

圖4 通訊過程

當總線處于空閑狀態時其為高電平，此時主機把總線拉低，然后等待DHT22響應，主機把總線拉低必須大于18ms，使DHT22能檢測到開始信號，DHT22接收到主機發送的開始信號后，輸出低電平響應信號，主機發送開始信號后，延時等待(20-40)μs后，讀取DHT22的響應信號,信號響應過程如圖5所示。

圖5 信號響應過程

當總線為低電平，說明DHT22發送了響應信號， 如果讀取響應信號為高電平，則DHT22沒有響應，此時則要檢查線路是否連接正常，當最后一bit數據傳送完畢后，DHT22拉低總線50μs，然后總線由上拉電阻拉高從而進入空閑狀態。

2.6 電源系統與分布式監控點電源

根據單片機、溫濕度傳感器以及其他模塊對電流、電壓的要求，需對220V交流電壓進行降壓處理，使其在橋式整流電路作用下，由220V交流電壓轉變為本系統所需要的 5V直流電壓，為系統單片機、溫濕度傳感器供電，電源部件較為簡單，此處不予贅述。

3 系統軟件設計

系統軟件由上位機軟件和下位機軟件組成，下位機軟件是指燒錄至MSP430的軟件，上位機采用LabVIEW編制的上位機軟件，上位機和下位機通過串口進行數據交換。

3.1 下位機軟件

下位機軟件采用C語言編程，實現對外圍溫濕度數據的實時采集，一方面通過串口將數據顯示在液晶顯示屏上，若滿足報警條件時則給出報警信號，另一方面將數據存儲在Flash中；當上位機有上傳的命令時，下位機則把存儲在Flash中的數據通過串口上傳至上位機中。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

利用MSP430某個IO口實現單總線的功能，對單總線的操作嚴格按照芯片的時序圖進行，操作單總線時關閉中斷。采集溫濕度的核心代碼，如函數1、2所示。

函數1：通過單總線讀取一個字節的數據

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用LabVIEW編制，實現從下位機中獲取數據，并保存和分析數據，在終端呈現給用戶，軟件流程如圖7所示；在系統D盤中采用Excel建立“溫濕度記錄表”,用于記錄由下位機上傳的數據,便于日后檢查與存檔，如圖8所示；溫濕度數據曲線顯示如圖9所示。

圖7 軟件流程

圖8 溫濕度記錄生成文件夾

圖9 溫濕度數據曲線顯示

4 系統測試結果

本系統采用IPS屏幕技術，溫濕度測試采用經過校準的溫濕度計與系統測試結果進行對比驗證，經20個點位的對比試驗，溫度誤差±0.3℃以內，濕度誤差5%以內，符合設計要求。系統溫濕度采集、顯示正常界面如圖10所示，故障界面如圖11所示。

圖10 正常界面

圖11 故障界面

5 結論

本文利用MSP430、DHT22、IPS，通過單總線系統，利用C語言編程以及LabVIEW軟件編制技術設計了一款多點位溫濕度監控系統，實現對環境溫濕度參數的有效收集，完成溫濕度檢測、報警、可視化顯示、自動存儲等功能，滿足某大學圖書館溫濕度多點位、實時監控管理需求。該系統可推廣應用于博物館、醫院、現代化農業大棚等場所。下一步將在此基礎上增加遠程傳輸功能，提升系統綜合性能和應用范圍。