基于MSP430G2553的大棚智能监控系统设计

2022-03-23 09:24:36 | 浏览次数：

摘要：温室大棚广泛在林业种苗和农业作物培育中，该文提出应用TI超低功耗MSP430单片机作为系统控制核心，应用单总线技术设计应用于温室大棚智能温度湿度监控系统，并给出设计方案。

关键词：MSP430 单总线智能监控系统

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0113-02

随着现代农业和林业的快速发展，温室大棚技术越来越普及，被广泛用于树苗培育和农作物种植当中。温室大棚能克服环境对生物生长的限制，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，在于寻求适合作物生长的温度和湿度。现代电子技术的发展使大棚生产日常管理智能化成为可能，从而取代人工从事温度和湿度等指标的监控，本文提出应用TI超低功耗MSP430单片机作为系统控制核心，应用单总线（1-wire）技术研制智能温度湿度监控系统。

1 智能监控系统设计方案

智能监控系统由控制核心、温湿度传感器、模拟量输入通道、A/D转换、液晶显示和报警电路构成。以应用大棚培育越冬龙柏树苗为例，龙柏树苗喜温暖不耐严寒，生长对温度要求严格，最适宜生长温度为20～28 ℃，白天应适当加大棚室通风量，使棚内温度保持在25 ℃，夜间温度保持在10～20 ℃之间。这就要求监控系统具有两种或多种工作模式，由时钟电路来区分工作模式，温度检测范围为0～50 ℃，测量精度为0.5 ℃，拟定8点至17点为日间模式，棚内温度在20～28 ℃，超出范围提醒工人进行通风或覆盖；同样拟定19点至次日6点为夜间模式，棚内温度控制在10～20 ℃。图1为监控系统结构框图。

选择TI的超低功耗MSP430G2553单片机作为系统的控制核心，MSP430G2553是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的16位定时器、多达24个支持触摸感测的I/O引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力。此外，还具有一个10位模数（A/D）转换器。这些功能能够保障系统的定时、数据处理和A/D转换等功能[1]。本设计采用TI的MSP430 Launch Pad 开放工具进行设计，该工具集成有XDS100v2 USB仿真器使用起来非常方便。

选用DS18B20数字温度传感器作为系统温度传感器，芯片性能特点为宽电压，可以工作在3.0～5.5 v，这样就可以省略调整工作电压的麻烦；测温范围-55～125 ℃，在-10～85 ℃时精度为±0.5 ℃；可编程的分辨率为9～12位，可以实现高精度测温，在9位分辨率时转换速度为93.75 ms，而12位时转换速度为750 ms；独特的单总线接口方式，DS18B20与单片机通信时仅需要一条线即可实现与单片机的双向通讯，而且支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联，实现组网多点测温，在大棚中需要测量温度的位置是多个以免造成局部温度过高或过低。

湿度传感器选用HM1500LF，这是一款低价位的线性电压输出湿度传感器，测湿原理是利用湿敏电容的电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。搭配一片符合单总线协议的可组网的集成A/D芯片DS2450，一片DS2450可以连接4个湿度传感器。

其他电路包括LCD段式液晶，由于整个设计系统尽量考虑低功耗这一特点，所以选用单色LCD段式液晶作为监控显示屏幕；还有扬声器和键盘输入等硬件电路。

2 单总线数据传输

单总线（1-wire）即只用一根信号线，既供电又传输数据，而且数据传输是双向的是DALLAS公司设计的一种通信技术，具有与计算机进行数字通信、总线负载量大、布线简单、精度高、性能稳定、价格便宜等多方面优点，在各种测控系统中得到了广泛的应用[2-3]。

设计中采用的温度传感器DS18B20和湿度传感器HM1500LF都是采用一根总线读写数据所以对读写数据位有严格的时序要求。首先应该遵守相应的通信协议从而保证数据传输的正确性和完整性。该通信协议定义了多种信号时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将单片机作为主机，传感器作为从机。DS18B20复位发送时序如图2所示。

每一次命令和数据传输都是从主机启动写时序开始，如果要求从机回送数据，在写命令后，主机需启动读时序接收数据。所有的读、写时序至少需要60 us，且每两个独立的时序之间至少需要1 us的恢复时间。数据命令的传输都是低位优先。传感器的复位时序包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过拉低单总线并保持至少480 μs产生复位脉冲，然后由主机释放总线，进入接收模式。主机释放总线时，会产生一个由低电平跳变为高电平的上升沿，从机检测到该上升沿后，延时15～60 us，然后通过拉低总线60～240 us产生应答脉冲。单片机接收到传感器应答脉冲后就开始对传感器进行ROM命令和功能命令操作。传感器的读时序是主机将单总线拉为低电平，在5μs之内释放单总线，以便将数据传输到单总线上。传感器发送1，总线保持高电平，若发送0，则总线为低电平。由于传感器发送据后保持15 us有效时间，因此，主机在读时序时必须释放总线，且保持15 us的采样总线状态，以便接收传感器发送的数据 [4]。

3 软件设计

监控系统的软件设计主要是应用MSP430G2553单片机对温度传感器、湿度传感器数据的读写、与预定目标的比较做出判断，通过LCD显示器和蜂鸣器提示工作人员进行合理操作。软件编写、调试和下载通过TI公司推出的集成开发环境CCS（Code Composer Studio）来进行，CCS支持所有的TI公司推出的处理器，包括MSP430、ARM Cortex系列、C2000和DSP。

部分主程序如下所示：

void main （void）{

GPIO_init（）；

DS18B20_init（）；//配置DS18B20

DS18220_reset（）；//DS18B20数据线复位

HM1500_init（）；//配置HM1500LF

HM1500_reset（）；//HM1500LF数据线复位

convert_DS18B20（）；//启动DS18B20

delay_ms（800）；

temperature_data=read_DS18B20（）；//读温度数据

onvert_HM1500（）；//启动HM1500

delay_ms（800）；//