论文总字数：16421字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题的背景和意义 1

1.2 温度测量技术的发展状况 1

1.3 课题研究的内容 2

1.4 本论文结构 2

2 系统总体方案设计 3

2.1 系统方案的确定 3

2.2 系统关键器件的选择 4

2.2.1 数字温度传感器DS18B20 4

2.2.2 无线通信模块nRF905 5

2.2.3 16位低功耗微处理器MSP430F149 6

2.2.4 液晶显示屏LCD12864 7

2.2.5 串口通信模块介绍 8

3 系统硬件设计 9

3.1 单片机MSP430主控模块 9

3.2 温度采集模块 9

3.3 无线通信模块 10

3.4 显示模块 10

4 系统软件设计 11

4.1 MSP430单片机主程序设计 11

4.1.1 下位机主程序设计 11

4.1.2 上位机程序流程图 12

4.2 DS18B20温度采集子程序设计 12

4.3 无线模块子程序设计 13

4.3.1 无线模块发送端子程序设计 13

4.3.2 无线模块接收端子程序设计 15

5 测试结果和分析 16

5.1 温度采集测试 16

5.2 无线模块测试 17

5.3 显示模块测试 17

5.4 上位机调试结果 17

6 结论与展望 18

参考文献 19

致谢 21

附录 22

基于MSP430单片机的多路无线温度检测系统设计

沈煜

，China

Abstract：In this paper, a multi-channel wireless temperature detection system based on MSP430 single chip microcomputer is designed. The MSP430 microcontroller is designed as the core, and the hardware circuit is composed of digital temperature sensor DS18B20, wireless transceiver chip nRF905, display module and serial communication module. After testing, the system has completed the accurate measurement of the multi-point temperature and can send the collected temperature data to the host computer through the wireless module. It can display the temperature in real time by the LCD12864. The data can also be sent to the computer via the serial port.

Key words： MSP430 MCU；nRF905；DS18B20；LCD12864；Serial Communication

绪论

课题的背景和意义

随着社会的高速发展和科技的不断进步，人们对信息获取，存储，传输的要求也不断提高，其中温度的测量具有非常重要的意义。温度是人们日常生产生活中使用最多的物理参数之一，温度测量具有十分重要的意义，,例如需要对农业生产中大棚内的温度监测以保证农作物保产，对工业控制过程中的温度监测来保障生产的正常运行，以及对公共场合温度监测以提供安全保障。因此，温度的监测对社会安全的保障和经济的发展起了十分重要的作用。传统的温度采集方式较为落后，如煤油温度计等，具有集成性差，测量范围小，测量数据传输不便等缺点，同时也不利于信息化程度的提高以及实时数据分析和处理。为了能够更好地满足人们对温度数据的采集、存储、传输、处理，需要设计一个系统，能够在各种环境中自动实时准确地测量温度参数，同时能将测得的温度数据存储并上传到上位机中进行实时监测以实现一些必要的控制与提示功能。

温度测量技术的发展状况

温度传感器对按温度变化而变化的物理量进行检测，将变化的物理量转换为电信号进行处理。温度传感器是温度测量中最重要而首要的环节，决定了温度测量的好坏。温度传感器的发展经历了以下几个阶段。

1. 传统的分立式温度传感器

传统的分立式温度传感器包括热电阻和热电偶传感器等。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，是一种自发电式传感器，是一次仪表，测量的时候不需要外加电源，可以将测量得温度直接转换为电信号输出。热电偶传感器的测温范围也非常广，缺点是灵敏度比较低，而且容易受到环境的信号干扰，不适合测量比较小的温度变化。热电偶传感器经常被应用于测量炉子、管道内温度以及固体表面温度。

1. 模拟集成温度传感器

传统的模拟温度传感器在一些温度范围内线性度不好，需要冷端补偿，而且热惯性比较大，响应时间慢。模拟集成温度传感器是一个有源半导体器件，它的输出是随温度变化而变化的电压值或电流值。作为一个集成电路，模拟温度传感器在宽温度范围内的测量值是很准确的而且在整个工作范围内具有线性输出，不易受噪声干扰。

1. 智能温度传感器。

传统的温度测量方法是采用温度感应元件，提取电信号，将电信号放大处理并转换为数字信号，然后送到计算机处理。而智能温度传感器实现了结构一体化，智能只要体现在信息处理功能方面，具有高度的集成化、软件化、结构化、网络化的优点

本文所采用的温度传感器DS18B20就是一款智能温度传感器，可以直接将温度转化成数字信号供处理器处理，使用非常方便。

课题研究的内容

本文设计了一种能够基本满足以上需求的多点无线测温系统，系统以美国德州仪器推出的16位低功耗单片机MSP430F149作为主控单元，采用了智能温度传感器DS18B20进行温度测量，用单片射频收发模块nRF905进行短距离数据传输，在上位机中通过LCD12864显示出来，还可以将温度数据通过串口传输到PC机进行处理、监测以及必要的控制。本系统以MSP430F149为控制单元，DS18B20为温度采集模块，nRF905射频传输模块为温度数据收发单元，设计出具有低功耗、易扩展、稳定可靠的无线测温系统。研究内容主要如下：

1. 本系统选用数字式单总线温度传感器DS18B20采集温度数据，主要任务就是在软件设计中依据DS18B20的工作时序进行初始化、数据读和数据写子程序，以及使用MSP430单片机控制DS18B20进行测温以及对DS18B20内部温度数据寄存器内容的读取。
2. 本系统采用挪威Nordia VLSI公司推出的nRF905无线收发芯片，主要工作是硬件设计中nRF905与单片机MSP430的电路连接以及软件设计中编写nRF905芯片的发送、接收初始化函数，用单片机模拟SPI接口对nRF905进行配置。
3. 本系统采用的微处理器是德州仪器公司推出的16位超低功耗微处理器MSP430，开发环境是IAR Embedded Workbench，需要熟悉MSP430的编程方法和内部资源的使用。
4. 本系统采用的上位机温度显示模块是LCD12864，自带中文字库，显示稳定清晰，硬件连接简单，使用方便。在软件设计中完成初始化后便可方便使用。
5. 为了实现上位机与PC机之间的通信，硬件上采用了USB转串口芯片CH340，利用了MSP430的片内USART0。在软件中主要设计了UART初始化函数和UART发送函数。

本论文结构

论文分为六章，分别介绍了课题研究的背景和意义以及研究内容，主要模块的功能和工作原理，系统的硬件和软件设计，其中重点是第二、三、四章。

第一章是绪论，阐述了温度测量在人们日常生产生活中的重要意义以及温度测量研究的背景，并介绍了温度传感器的发展以及本研究所做的主要工作。

第二章介绍系统设计方案，包含下位机设计方案以及系统整体设计方案，还介绍了使用的主要模块，包括智能温度传感器DS18B20，单片射频收发模块nRF905，液晶显示屏LCD12864，介绍了模块的工作原理、引脚功能、特性参数等。

第三章介绍了系统的硬件设计，其中包含主要模块的原理图和主控芯片与模块之间的硬件电路连接。

第四章介绍了本系统的软件设计，包含主要模块的子程序流程图设计，比如单片机对智能温度传感器DS18B20的读写操作设计，利用单片机的数字I/O口模拟SPI接口对单片射频收发器nRF905进行读写操作以及功能配置，还介绍了下位机主程序设计和上位机主程序设计。

第五章是测试结果与分析，将DS18B20测得的温度数据与温度计测出的数据进行比较，分析误差。

第六章是总结与展望，对本设计所做的主要工作进行了分析和总结，并提出系统中的不足之处，提出系统优化的方向。

系统总体方案设计

系统方案的确定

本系统硬件部分分为下位机、上位机和PC机三部分。下位机由MSP430F149作为主控单元，利用智能温度采集模块DS18B20进行温度数据的采集，然后将测得的温度数据通过单片射频收发模块nRF905发送到上位机中。上位机可以将接收到的温度数据通过液晶LCD12864显示出来，也可以通过串口发送到PC机。每个下位机硬件部分都需要一个MSP430F149单片机，一个智能温度传感器DS18B20以及一个nRF905无线传输模块，采用5V电源进行供电。下位机设计框图如下：

图2-1 下位机系统硬件框图

系统整体设计框图如下：

图2-2 系统整体设计框图

系统关键器件的选择

数字温度传感器DS18B20

DS18B20是美国Dallas公司推出的智能温度传感器，提供9到12位精度的摄氏温度测量。DS18B20采用了单总线通信方式，顾名思义只要一根数据线就能和单片机进行通信，这种方式被称为寄生电源供电（parasite power），因此不一定需要外部电源供电。DS18B20的工作温度范围在-55℃到 125℃之间。每一个DS18B20都有一个独一无二的64位序列码，这样在单总线通信方式下，多个DS18B20可以共用一个中央处理器。有以下主要特性。

• 独特的单总线通信技术，与单片机连接时只要一个引脚就可以实现数据的双向通信
• 每个DS18B20出厂时都有一个存于内部ROM的独一无二的64位序列码
• 转换速度快，750ms的温度转12位数据转换时间，93.78ms的9位数据转换时间
• 具有温度可报警功能，可设置上下限

DS18B20的核心功能部件是直接数字温度传感器。分辨率可编程为9,10,11或12位，分别对应0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。上电默认分辨率为12位。DS18B20上电时处于低电压空闲状态，接收到主机发来的温度转换指令（44h）时启动温度测量AD转换。测量结果存放在内部一个二字节的温度寄存器内，然后DS18B20进入空闲状态。若DS18B20有外部供电，主机可以在发送温度转换命令后收到DS18B20的回应0表示温度转换正在进行，1表示转换完毕。

DS18B20的输出温度被校准位摄氏度，如果想得到华氏度就需要一个数值转换表进行转换。测量到的温度数据被存在一个16位有符号温度寄存器中。符号S代表温度的正负，如果温度值大于0，S=0，反之S=1。如果DS18B20被设置为12位精度测量，温度寄存器中所有位都包含有效数据。如果被设置为11位温度测量，位0没有定义，10位分辨率时，位0,1没有定义，9位分辨率时，位0,1,2没有被定义。温度寄存器如下表：

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