林雨歆，林琦，劉娜娜，蔡建義，高勝銀，孫衛(wèi)

（西安理工大學(xué)，陜西西安，710061）

0 引言

隨著信息時代的到來，自動化系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，需要長時間、多點位的監(jiān)控環(huán)境溫濕度狀態(tài)，且需具備自動報警功能，若要實現(xiàn)較密集的采集多個監(jiān)測點溫濕度狀態(tài)，目前依然面臨很多困難：

(1)監(jiān)控范圍廣、時間長，監(jiān)控點位多；

(2)溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)控精度要求越來越高；

(3)溫濕度采集數(shù)據(jù)量大，不便于記錄與日后分析。

上述問題來源于某大學(xué)圖書館實地考察，為解決這些問題，本文設(shè)計制作了基于MSP430的單總線多點位溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備溫濕度數(shù)據(jù)采集、顯示、報警、記錄功能，實現(xiàn)對該大學(xué)圖書館全方位、多點位溫濕度實時監(jiān)控、記錄和保存。

1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)采用單總線形式，由于測量探頭結(jié)構(gòu)簡單,系統(tǒng)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(jiān)控采集點的設(shè)置。系統(tǒng)按照每分鐘一次的頻率對環(huán)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(tǒng)的存儲區(qū)，另一方面通過串口彩色液晶屏進行實時顯示，當(dāng)某路采集溫濕度超出設(shè)定值時，在顯示屏上出現(xiàn)報警提示。同時，利用PC機實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的實時查詢、數(shù)據(jù)整理、繪制數(shù)據(jù)曲線以及對歷史存儲數(shù)據(jù)的分析、導(dǎo)入、導(dǎo)出和實時顯示等功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(nèi)外設(shè)，在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)程序失控時可以實現(xiàn)迅速復(fù)位，其內(nèi)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(shè)定溫濕度數(shù)值的比較，判斷溫濕度是否在合格范圍內(nèi)，滿足本系統(tǒng)設(shè)計需求。

2.2 單總線系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用單總線技術(shù)（1-Wire Bus），其采用單根信號線，對數(shù)據(jù)進行雙向傳輸，以及系統(tǒng)控制通訊功能，其內(nèi)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(dāng)總線閑置時，狀態(tài)為高電平。如果出現(xiàn)序列混亂，1-wire器件不會響應(yīng)主機。

2.3 串口液晶屏

在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中,采用液晶顯示屏提升了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)采用SPI串口液晶屏， SPI串口接收MSP430單片機串口發(fā)送的指令，若指令符合通訊協(xié)議即可實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的實時顯示功能。

2.4 溫濕度采集模塊

本文設(shè)計的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，要實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的監(jiān)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(shù)字信號與模擬信號之間的有效轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸至溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主控平臺— MSP430單片機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和利用。DHT22傳感器滿足設(shè)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(fù)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(jiān)控系統(tǒng)中適用性強。同時，DHT22溫濕度傳感器也具有輸出信號準(zhǔn)確率高、抗干擾、低功耗等優(yōu)勢，可有效提升本文所設(shè)計的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能。DHT22技術(shù)參數(shù)如表1所示，引腳分配如表2所示。

表1 DHT22技術(shù)參數(shù)

表2 DHT22引腳分配

2.5 單總線數(shù)據(jù)格式

系統(tǒng)采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間為4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)和整數(shù)部分，操作流程為：數(shù)據(jù)傳輸一次為40bit，高位先出。用戶發(fā)送開始信號后，DHT22從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT22發(fā)送響應(yīng)信號，并觸發(fā)一次采集信號，DHT22不會主動進行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式，通訊過程如圖4所示。

圖4 通訊過程

當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時其為高電平，此時主機把總線拉低，然后等待DHT22響應(yīng)，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(fā)送的開始信號后，輸出低電平響應(yīng)信號，主機發(fā)送開始信號后，延時等待(20-40)μs后，讀取DHT22的響應(yīng)信號,信號響應(yīng)過程如圖5所示。

圖5 信號響應(yīng)過程

當(dāng)總線為低電平，說明DHT22發(fā)送了響應(yīng)信號， 如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則DHT22沒有響應(yīng)，此時則要檢查線路是否連接正常，當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)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(tài)。

2.6 電源系統(tǒng)與分布式監(jiān)控點電源

根據(jù)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(zhuǎn)變?yōu)楸鞠到y(tǒng)所需要的 5V直流電壓，為系統(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換。

3.1 下位機軟件

下位機軟件采用C語言編程，實現(xiàn)對外圍溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集，一方面通過串口將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲在Flash中；當(dāng)上位機有上傳的命令時，下位機則把存儲在Flash中的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guān)閉中斷。采集溫濕度的核心代碼，如函數(shù)1、2所示。

函數(shù)1：通過單總線讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用LabVIEW編制，實現(xiàn)從下位機中獲取數(shù)據(jù)，并保存和分析數(shù)據(jù)，在終端呈現(xiàn)給用戶，軟件流程如圖7所示；在系統(tǒng)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(shù)據(jù),便于日后檢查與存檔，如圖8所示；溫濕度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)曲線顯示

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

本系統(tǒng)采用IPS屏幕技術(shù)，溫濕度測試采用經(jīng)過校準(zhǔn)的溫濕度計與系統(tǒng)測試結(jié)果進行對比驗證，經(jīng)20個點位的對比試驗，溫度誤差±0.3℃以內(nèi)，濕度誤差5%以內(nèi)，符合設(shè)計要求。系統(tǒng)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(jié)論

本文利用MSP430、DHT22、IPS，通過單總線系統(tǒng)，利用C語言編程以及LabVIEW軟件編制技術(shù)設(shè)計了一款多點位溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度參數(shù)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(xué)圖書館溫濕度多點位、實時監(jiān)控管理需求。該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于博物館、醫(yī)院、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚等場所。下一步將在此基礎(chǔ)上增加遠程傳輸功能，提升系統(tǒng)綜合性能和應(yīng)用范圍。