趙偉光，劉 勇

(黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150080)

基于MSP430單片機的太陽能熱水器無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙偉光，劉 勇*

(黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150080)

用更簡單便捷的方法測量太陽能熱水器實時的水溫與水位，并在用戶端顯示，以實現(xiàn)家居現(xiàn)代化。監(jiān)測系統(tǒng)分數(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測量水溫，通過超聲波測距模塊HC-SR04測量水位，將所測數(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，先進行CRC算法校驗再還原出水溫和水位值，并將獲得的水位值與按鍵所設(shè)的水位值比較實現(xiàn)高水位報警。通過硬件仿真后已實現(xiàn)所有功能，可在用戶端直接獲得此時太陽能熱水器的水溫和水位值，該系統(tǒng)在水位測量以及數(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;溫度測量;水位測量;無線監(jiān)測系統(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)。如水位測量：采用的水位測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。該方法硬件較為復雜且測量范圍不全面。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)商和學術(shù)界都十分重視太陽能熱水器水位檢測技術(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)也較為復雜，工業(yè)產(chǎn)品價格高，2011推出的改進型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)計的太陽能熱水器無線控制系統(tǒng)以MSP430f149單片機為控制核心，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，操作簡單、成本低，并且在無線穿墻能力以及傳輸距離方面遠優(yōu)于ZigBee系統(tǒng)。用戶可在接收端觀察當前太陽能熱水器內(nèi)的溫度和水位，并可借助按鍵實現(xiàn)自主設(shè)置報警水位的功能。

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)字信號的形式通過信號線返回給微處理器[2]。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它通過對微處理器編寫程序，連接相應(yīng)的接口實現(xiàn)大于8位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的可測溫度為-55～125 ℃，已涵蓋太陽能熱水器水箱內(nèi)水溫變化范圍，其測溫精度為±0.5 ℃左右，具有較好的準確性[3]。測量時將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行對DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫[4-5]。其中CPU對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行一次性賦值，水箱頂部到水面距離通過反射式超聲波測距模塊HC-SR04進行數(shù)據(jù)測量見圖1。將MSP430f149單片機的P4.1口連接HC-04的Trig端口見圖2，單片機通過P4.1口輸出給Trig口20 μs的高電平，隨后立即拉低即可啟動HC-SR04發(fā)射超聲波。單片機開啟定時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)進行水位計算。系統(tǒng)預先設(shè)置為8 MHz晶振，則捕獲的高電平時間為計數(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遠小于反射回的超聲波，該部分對水位測量幾乎沒有影響，可忽略不計。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，單片機可通過SPI接口對其進行控制[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MSP430單片機進行初始化，設(shè)置系統(tǒng)晶振為8 MHz，SMCLK子系統(tǒng)時鐘，緊接著對nRF24L01無線收發(fā)模塊進行初始化設(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測溫完畢以及HC-SR04測距完畢，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，并對兩組濾波數(shù)組進行中值濾波，濾波后的結(jié)果存入nRF24L01發(fā)送緩存器等待發(fā)送。當所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，清除狀態(tài)寄存器，開始準備下一次的數(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，唯一不同點在于將nRF24L01無線收發(fā)模塊設(shè)置為接收模式。單片機通過讀取狀態(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)存儲完畢后，暫停接收，將數(shù)據(jù)取出以供使用，單片機完成相應(yīng)功能后，再進行下一次的數(shù)據(jù)接收，周而復始。

2.3 CRC數(shù)據(jù)校驗

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)檢測發(fā)現(xiàn)每傳輸100組數(shù)據(jù)會丟失2～3個數(shù)據(jù)， 為了提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)傳輸時添加CRC校驗。

CRC又稱循環(huán)冗余校驗碼，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種查錯校驗碼[10]。其基本編碼形式是在K位信息碼后再拼接R位的校驗碼，使整個編碼長度為K+N位。因為本系統(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位校驗碼的方案。取G(x)=x8+x5+x4+1，其二進制比特數(shù)串為0x100110001。發(fā)送端將采集到的8位二進制數(shù)即信息碼左移8位與G(x)的二進制數(shù)進行“模二除法”運算，所得8位余數(shù)為CRC校驗碼。左移后的信息碼與CRC校驗碼進行加法運算，所形成的16位二進制數(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位二進制數(shù)即CRC校驗碼進行校驗，若G(x)的二進制比特串對其進行“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)錯誤，發(fā)送端忽視該組數(shù)據(jù)并準備接收下一組數(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個按鍵用于設(shè)置水位警戒線高度，通過按鍵掃描可進入設(shè)置狀態(tài)，并將警戒線高度數(shù)值存入MSP430單片機的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算法進行數(shù)據(jù)校驗，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的溫度與水位，并與警戒線水位比較，超過則蜂鳴器報警。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個按鍵一端接高電平另一端分別接MSP430單片機的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個端口的狀態(tài)。當3個按鍵均未按下時3個端口成低電平狀態(tài)，當?shù)谝粋€按鍵按下時，端口P1.0成高電平，單片機掃描到后進入警戒線設(shè)置狀態(tài)，第二個按鍵與第三個按鍵分別為警戒線十位與個位設(shè)置按鍵，數(shù)值從當前警戒值開始增加，按鍵每按下一次相應(yīng)位加1，至9歸0。再次按下第一個按鍵時，退出警戒線設(shè)置并將所設(shè)置的值存入MSP430單片機的Flash中。

MSP430f149其內(nèi)部存儲器類型為Flash型，其存儲模塊分為Seg_A和Seg_B兩段，在對Flash進行操作時，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)置時將值寫入，每次上電或復位時讀出該值。

3.2 液晶顯示及報警設(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，并顯示出當前所設(shè)置的警戒線高度值，精度為cm。其與MSP430單片機的接線電路見圖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P6.4口，另一端接地見圖5，當需要打開報警功能時閉合開關(guān)。通過比較當前水位值與Flash中的警戒線高度值來控制P6.4口的電平輸出，當水位值大于警戒線高度值時，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對太陽能熱水器進行水溫與水位監(jiān)測，采用的水位測量方法相比傳統(tǒng)測量方法更加簡單便捷，提高了測量精度。利用水位監(jiān)測和水位報警功能，可添加水閥控制，從而實現(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)計方向具有較好的前景。

[1] 方益明，藺陸軍，李劍，等.農(nóng)村太陽能熱水器水溫水位控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2012(2):207-210.

[2] 陳忠平，高金定.基于ATmegal6與DS18B20的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(4):175-177.

[3] 李輝，宋詩，周建江. 基于ARM和nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]. 國外電子元器件，2008(12):44-46.

[4] 陶冶，袁永超，羅平.基于DS18B20的單片機溫度測量系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2007(2):160-164.

[5] Gu H J， Li J， Li S J， et al. Design of intelligent water-supply and temperature control system based on hot water box[J]. Advances in Engineering Research，2016(104):199-202.

[6] 王兆濱，馬義德，孫文恒，等.MSP430系列單片機原理與工程設(shè)計實踐[M].北京：清華大學出版社，2014.

[7] 唐繼賢，楊揚. MSP430超低功耗16位單片機開發(fā)實例 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[8] 王振，胡清，黃杰. 基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2009，17(12):24-26.

[9] 任璐，李文石，錢敏. 基于nRF24L01的無線電子計分系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用，2017，36(4):24-26.

[10] 王振義.CRC校驗碼算法的研究與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2012，20(9):38-40.

[11] 胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

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

國家級大學生創(chuàng)業(yè)實踐項目(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，碩士研究生導師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，E-mail：503560490@qq.com。