趙偉光，劉 勇

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

基于MSP430單片機(jī)的太陽能熱水器無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙偉光，劉 勇*

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

用更簡(jiǎn)單便捷的方法測(cè)量太陽能熱水器實(shí)時(shí)的水溫與水位，并在用戶端顯示，以實(shí)現(xiàn)家居現(xiàn)代化。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)接收處理端兩部分。數(shù)據(jù)采集端通過溫度傳感器DS18B20測(cè)量水溫，通過超聲波測(cè)距模塊HC-SR04測(cè)量水位，將所測(cè)數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊發(fā)送至接收端。接收端接收到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行CRC算法校驗(yàn)再還原出水溫和水位值，并將獲得的水位值與按鍵所設(shè)的水位值比較實(shí)現(xiàn)高水位報(bào)警。通過硬件仿真后已實(shí)現(xiàn)所有功能，可在用戶端直接獲得此時(shí)太陽能熱水器的水溫和水位值，該系統(tǒng)在水位測(cè)量以及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)越性。

MSP430;太陽能熱水器;溫度測(cè)量;水位測(cè)量;無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，太陽能熱水器被普遍用于居民生活，但一般都采用最老式的控制系統(tǒng)。如水位測(cè)量：采用的水位測(cè)量傳感器基本都是依賴RC充放電的方法，需要將傳感器放置于水箱之中，隨著水位的上升傳感器中并聯(lián)的電阻變多，從而導(dǎo)致電容兩端電壓發(fā)生變化，微處理器通過采集電容兩端電壓來確定水箱內(nèi)水位。該方法硬件較為復(fù)雜且測(cè)量范圍不全面。除此之外，現(xiàn)生產(chǎn)的太陽能熱水器在溫度測(cè)量、安全高度警示等方面也存在很大的改善空間。

國內(nèi)外制造商、開發(fā)商和學(xué)術(shù)界都十分重視太陽能熱水器水位檢測(cè)技術(shù)，研制了電極式、浮球式和電容式等多種結(jié)構(gòu)的水位傳感器，但受水垢、成本和安裝復(fù)雜度等因素影響均未得到廣泛應(yīng)用[1]。在其基礎(chǔ)上添加的無線系統(tǒng)也較為復(fù)雜，工業(yè)產(chǎn)品價(jià)格高，2011推出的改進(jìn)型ZigBee無線傳輸設(shè)備適用距離短，很難滿足現(xiàn)代智能家居的要求。本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水器無線控制系統(tǒng)以MSP430f149單片機(jī)為控制核心，借助24L01無線傳輸模塊，將采集的溫度及水位數(shù)據(jù)傳送至用戶所在的接收端，操作簡(jiǎn)單、成本低，并且在無線穿墻能力以及傳輸距離方面遠(yuǎn)優(yōu)于ZigBee系統(tǒng)。用戶可在接收端觀察當(dāng)前太陽能熱水器內(nèi)的溫度和水位，并可借助按鍵實(shí)現(xiàn)自主設(shè)置報(bào)警水位的功能。

1 數(shù)據(jù)采集原理

1.1 溫度采集

圖1 數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.1 Schematic diagram of data acquisition

本系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度采集器，它是由DALLAS半導(dǎo)體公司研制的一款數(shù)字溫度傳感器，能將采集到的溫度以串行數(shù)字信號(hào)的形式通過信號(hào)線返回給微處理器[2]。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它通過對(duì)微處理器編寫程序，連接相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)大于8位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的可測(cè)溫度為-55～125 ℃，已涵蓋太陽能熱水器水箱內(nèi)水溫變化范圍，其測(cè)溫精度為±0.5 ℃左右，具有較好的準(zhǔn)確性[3]。測(cè)量時(shí)將DS18b20放入水箱內(nèi)即可采集水溫，見圖1，微處理器以單總線的方式進(jìn)行對(duì)DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫[4-5]。其中CPU對(duì)DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換后數(shù)值讀取函數(shù)如下：

void Ds18b20Convert(void)

{

1.2 水位采集

圖2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路Fig.2 Data acquisition and sending circuit

由于在實(shí)際生產(chǎn)中，太陽能熱水器水箱的高度是固定的，所以可采用高度差計(jì)算的方法來解決水位問題。水箱內(nèi)水的高度h等于水箱高度H減去水箱頂部到水面的距離d，水箱高度由廠家給出通過程序進(jìn)行一次性賦值，水箱頂部到水面距離通過反射式超聲波測(cè)距模塊HC-SR04進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量見圖1。將MSP430f149單片機(jī)的P4.1口連接HC-04的Trig端口見圖2，單片機(jī)通過P4.1口輸出給Trig口20 μs的高電平，隨后立即拉低即可啟動(dòng)HC-SR04發(fā)射超聲波。單片機(jī)開啟定時(shí)器輸入捕獲模式以連接Echo口的P4.0為捕獲源，設(shè)置為上升沿捕獲，8分頻，在中斷內(nèi)進(jìn)行水位計(jì)算。系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置為8 MHz晶振，則捕獲的高電平時(shí)間為計(jì)數(shù)器值乘以分頻數(shù)除以晶振：time=(TBCCR0*8)/8M(單位:s)[6-7]，則水箱頂部到水面的距離為：d=34 000*time/2(單位:cm)，可推算出此刻太陽能熱水器水位為：h=H-d=H-140*time.通過硬件仿真后發(fā)現(xiàn)在水中傳播的超聲波遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反射回的超聲波，該部分對(duì)水位測(cè)量幾乎沒有影響，可忽略不計(jì)。中斷函數(shù)如下：

#pragma vector=TIMERB0_VECTOR

__interrupt void TimerB0(void)

2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收均是通過無線發(fā)送與接收模塊nRF24L01來實(shí)現(xiàn)。nRF24L01是由Nordic公司生產(chǎn)的內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的無線收發(fā)器件，其內(nèi)置SPI接口，速率為0～8 Mb/s，單片機(jī)可通過SPI接口對(duì)其進(jìn)行控制[3，8]。nRF24L01工作于2.4 GHz，全球開放ISM頻段，具有多種低功率工作模式[9]。

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送

圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程圖Fig.3 Data collection send flow chart

在數(shù)據(jù)的發(fā)送端即數(shù)據(jù)采集端對(duì)MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化，設(shè)置系統(tǒng)晶振為8 MHz，SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘，緊接著對(duì)nRF24L01無線收發(fā)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置：發(fā)送模式，只允許通道0應(yīng)答，32字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送速率為1 MHz。nRF24L01與MSP430f149的連接電路見圖2。等待DS18B20測(cè)溫完畢以及HC-SR04測(cè)距完畢，發(fā)送端 將所采集的數(shù)據(jù)分別存入兩組中值濾波數(shù)組，并對(duì)兩組濾波數(shù)組進(jìn)行中值濾波，濾波后的結(jié)果存入nRF24L01發(fā)送緩存器等待發(fā)送。當(dāng)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，清除狀態(tài)寄存器，開始準(zhǔn)備下一次的數(shù)據(jù)采集以及發(fā)送，其流程見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收端在上電或復(fù)位之后執(zhí)行系統(tǒng)初始化，及將系統(tǒng)設(shè)置為8 MHz晶振，SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘，接著完成nRF24L01的初始化，這些過程與發(fā)送端基本相同，唯一不同點(diǎn)在于將nRF24L01無線收發(fā)模塊設(shè)置為接收模式。單片機(jī)通過讀取狀態(tài)寄存器的值來判斷是否接收到數(shù)據(jù)，若接收到數(shù)據(jù)則進(jìn)入接收中斷，將所接收的數(shù)據(jù)存入接收緩存區(qū)RX_BUF中。待32字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，暫停接收，將數(shù)據(jù)取出以供使用，單片機(jī)完成相應(yīng)功能后，再進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)接收，周而復(fù)始。

2.3 CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)

為減少nRF24L01發(fā)送與接收的丟包數(shù)，在系統(tǒng)的發(fā)送端開啟nRF24L01數(shù)據(jù)重發(fā)功能，經(jīng)多組數(shù)據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)每傳輸100組數(shù)據(jù)會(huì)丟失2～3個(gè)數(shù)據(jù)， 為了提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)添加CRC校驗(yàn)。

CRC又稱循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種查錯(cuò)校驗(yàn)碼[10]。其基本編碼形式是在K位信息碼后再拼接R位的校驗(yàn)碼，使整個(gè)編碼長(zhǎng)度為K+N位。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)使用16位MCU，且采集數(shù)據(jù)僅需8位即可覆蓋量程，所以可采用8位信息碼拼接8位校驗(yàn)碼的方案。取G(x)=x8+x5+x4+1，其二進(jìn)制比特?cái)?shù)串為0x100110001。發(fā)送端將采集到的8位二進(jìn)制數(shù)即信息碼左移8位與G(x)的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行“模二除法”運(yùn)算，所得8位余數(shù)為CRC校驗(yàn)碼。左移后的信息碼與CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行加法運(yùn)算，所形成的16位二進(jìn)制數(shù)被發(fā)送至接收端。接收端在接收到數(shù)據(jù)后先取出低8位二進(jìn)制數(shù)即CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)，若G(x)的二進(jìn)制比特串對(duì)其進(jìn)行“模二除法”后的余數(shù)為0，則該數(shù)據(jù)正確，發(fā)送端取出該數(shù)據(jù)的高8位作為合理的數(shù)據(jù)使用；若余數(shù)不為0，則該數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，發(fā)送端忽視該組數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備接收下一組數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)接收及處理流程圖Fig.4 Data receiving and processing flow chart

3 數(shù)據(jù)處理與功能實(shí)現(xiàn)

太陽能熱水器的監(jiān)控端即數(shù)據(jù)接收端，設(shè)置有3個(gè)按鍵用于設(shè)置水位警戒線高度，通過按鍵掃描可進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，并將警戒線高度數(shù)值存入MSP430單片機(jī)的Flash，用于掉電保存。接收端在接收到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，借助CRC算法進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，來提高數(shù)據(jù)的可靠性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)還原出太陽能熱水器此時(shí)的溫度與水位，并與警戒線水位比較，超過則蜂鳴器報(bào)警。其流程圖見圖4。

3.1 按鍵與Flash讀寫操作

監(jiān)控端設(shè)置的3個(gè)按鍵一端接高電平另一端分別接MSP430單片機(jī)的P1.0，P1.2，P1.3口見圖5，再接入10 K的電阻接地以穩(wěn)定這3個(gè)端口的狀態(tài)。當(dāng)3個(gè)按鍵均未按下時(shí)3個(gè)端口成低電平狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)按鍵按下時(shí)，端口P1.0成高電平，單片機(jī)掃描到后進(jìn)入警戒線設(shè)置狀態(tài)，第二個(gè)按鍵與第三個(gè)按鍵分別為警戒線十位與個(gè)位設(shè)置按鍵，數(shù)值從當(dāng)前警戒值開始增加，按鍵每按下一次相應(yīng)位加1，至9歸0。再次按下第一個(gè)按鍵時(shí)，退出警戒線設(shè)置并將所設(shè)置的值存入MSP430單片機(jī)的Flash中。

MSP430f149其內(nèi)部存儲(chǔ)器類型為Flash型，其存儲(chǔ)模塊分為Seg_A和Seg_B兩段，在對(duì)Flash進(jìn)行操作時(shí)，讀和寫的操作單位最小為字節(jié)，擦除的單位最小為段[11]。本系統(tǒng)的接收端將警戒線數(shù)值存儲(chǔ)于Seg_B段的1 090字節(jié)地址中，每次按鍵退出警戒線設(shè)置時(shí)將值寫入，每次上電或復(fù)位時(shí)讀出該值。

3.2 液晶顯示及報(bào)警設(shè)置

監(jiān)控端將所接收的數(shù)據(jù)還原成水溫和水位值，通過LCD1602液晶屏顯示，并顯示出當(dāng)前所設(shè)置的警戒線高度值，精度為cm。其與MSP430單片機(jī)的接線電路見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)接收端電路圖Fig.5 Data receiving circuit diagram

蜂鳴器一端接開關(guān)接單片機(jī)P6.4口，另一端接地見圖5，當(dāng)需要打開報(bào)警功能時(shí)閉合開關(guān)。通過比較當(dāng)前水位值與Flash中的警戒線高度值來控制P6.4口的電平輸出，當(dāng)水位值大于警戒線高度值時(shí)，P6.4口輸出3.3 V的高電平，反之則輸出低電平。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收監(jiān)控端兩部分，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)太陽能熱水器進(jìn)行水溫與水位監(jiān)測(cè)，采用的水位測(cè)量方法相比傳統(tǒng)測(cè)量方法更加簡(jiǎn)單便捷，提高了測(cè)量精度。利用水位監(jiān)測(cè)和水位報(bào)警功能，可添加水閥控制，從而實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器的定量入水與出水。在工業(yè)制造與智能家居設(shè)計(jì)方向具有較好的前景。

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Solar energy water heater wireless monitoring system based on MSP430 single chip microcomputer

ZHAO Wei-Guang，LIU Yong*

(SchoolofElectronicEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

An easy and convenient method is used to measure the real-time water temperature and water level of the solar water heater，and displays at the user side with the aim of realizing home modernization.The teat system contains two parts:data acquisition terminal and data receiving processing terminal.The data acquisition terminal measures water temperature by using temperature sensor DS18B20，measures water level by using ultrasonic distance measuring module HC-SR04，and sends the data to receiving terminal through wireless transceiver module. After receiving the data，the data receiving terminal will recover the water temperature and the water level by median filtering and will display the data on the Liquid Crystal Display Screen.Besides， it will compare

water level and set water level by push tutton in order to realize the target of high water level.The system now has all of the functions mentioned after hardware simulation，it can make sure that the user terminal is able to acquire the real-time water temperature and water level of the solar energy water heater.In addition，the system has a certain advantage in terms of water level measuring and stability of data.

MSP430;solar energy water heater;temperature measurement;water level measurement;wireless monitoring system

10.13524/j.2095-008x.2017.03.044

TP274

A

2095-008X(2017)03-0076-06

2017-05-04;

2017-07-02

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目(2015102121010)

趙偉光(1996-)，男，江蘇宿遷人，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，E-mail:827332093@qq.com；*

劉 勇(1970-)，男，黑龍江雙鴨山人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，E-mail：503560490@qq.com。