课题名称多路温度检测报警系统设计和实现
摘 要
本课题来源于中国移动常州分公司与河海大学合作的项目。多路温度检测报警系统主要用于监测云服务中心、云数据中心、农业大棚等对温度控制要求高的环境与场合，目的是及时发现温度超出控制范围的区域并给出报警信息。
本文完成了多路温度检测报警系统的设计和实现工作。本系统分为两个主要部分，即温度采集与发送部分和温度接收与显示报警部分。其中温度采集与发送部分由多路温度传感器模块、低功耗单片机和无线通信模块组成。温度接收与显示报警模块由显示报警模块、无线通信模块和低功耗单片机组成。本文通过硬件制作和硬件编程，实现了以上模块各自的功能。最后通过多模块的集成形成本系统的两个主要部分，通过集成调试，最终实现了多路温度采集、无线模块传输和显示报警功能。
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关键字:】MSP430F149；DS18B20；无线通信
目 录
第一章 绪论 - 1 -
1.1 温度在生产生活中的地位 - 1 -
1.2 课题简介 - 2 -
1.2.1 课题来源与背景 - 2 -
1.2.2 本文的章节安排 - 3 -
第二章 多路温度检测报警系统的相关技术 - 4 -
2.1 低功耗单片机及其最小系统 - 4 -
2.1.1 低功耗单片机 - 4 -
2.1.2 单片机最小系统 - 5 -
2.2 无线通信模块 - 8 -
2.3 智能单总线温度传感器 - 10 -
2.4 温度显示和报警装置 - 12 -
2.5 本章小结 - 13 -
第三章 各功能模块的设计与实现 - 14 -
3.1 多路DS18B20模块 - 14 -
3.1.1 多路DS18B20接线方法 - 14 -
3.1.2 DS18B20初始化编程 - 15 -
3.2无线通信模块 - 23 -
3.2.1 NRF24L01无线通信模块编程思路 - 23 -
3.2.2 NRF24L01编程 - 23 -
3.3报警模块和显示模块 - 30 -
3.3.1报警模块设计 - 30 -
3.3.2 显示模块的编程 - 32 -
3.4 本章小结 - 33 -
第四章 系统集成调试 - 35 -
4.1 总体设计规划 - 35 -
4.2 MSP430F149初始化编程 - 36 -
4.2.1 时钟初始化. - 36 -
4.2.2 主要寄存器设置 - 38 -
4.3 温度采集与发送部分 - 40 -
4.3.1 温度采集与发送部分的组成 - 40 -
4.3.2 温度采集与发送部分的搭建 - 40 -
4.3.3 温度采集与发送部分的编程与功能实现 - 41 -
4.4 温度接收和显示报警部分 - 43 -
4.4.1 温度接收和显示报警部分的组成 - 43 -
4.4.2 温度接收和显示报警部分的搭建 - 43 -
4.4.3 温度接收和显示报警部分的编程与功能实现 - 44 -
4.5 系统整体演示效果图 - 46 -
4.6 本章小结 - 46 -
第五章 总结与展望 - 48 -
参考文献 - 49 -
致 谢 - 51 -
附 录 - 1 -
一、英文原文 - 1 -
二、英文翻译 1
三、MSP430F149最小系统板原理图 4
四、NRF24L01原理图和PCB图 5
第一章 绪论
1.1 温度在生产生活中的地位
温度无时无地不在对我们的生产生活产生着这样或那样的影响。大到宇宙小到芯片内部，温度无处不在。适宜的温度对我们的生产生活能够产生积极的影响，而超过一定范围之后，温度就变成了不利因素。
随着互联网的发展，云存储、云计算技术兴起，对大型数据中心的需求也与日俱增。数据中心是“一种多功能的建筑物，能容纳多个服务器 以及通信设备。这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的对环境的要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护，而并不仅仅是一些服务器的集合”[1]。数据中心在运行时产生的热量是相当可观的，而数据中心的最佳工作温度是20℃-25℃。为此，对数据中心温度的检测和控制显得至关重要，谷歌公司就为此不惜成本建立了海上数据中心。再以农业生产为例，适宜的温度是作物生长和发育的重要因素之一，一方面温度直接影响着作物的生长、分布和产量；另一方面，温度也影响作物的发育速度，从而影响作物的生育期长短。[2]此外，温度还影响着作物病虫害的发生、发展。尤其在温室大棚中，温度必须控制在最适宜作物生长的范围内。在传统的大棚生产中，主要靠温度计，配合农民的经验控制大棚温度，这样一来不准确，而来也不能实时检测和控制，对作物生长发育不利。[3]利用传感器和处理器对大棚温度进行实时的检测和报警，不仅准确及时，而且节省人工，应用前景十分广阔。
除此之外，温度在生产生活的各个方面都产生着不可忽视的影响。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度，让温度真正为人类所用，为人类服务。
1.2 课题简介
1.2.1 课题来源与背景
本课题来源于中国移动常州分公司与河海大学合作的项目。2012年5月，中国移动发布消息，表示将在呼和浩特和哈尔滨建设两个数据中心，这是继南方基地和北京的国际信息港项目之后，中国移动又一次进行大型购地盖园区行动。数据中心在运行过程中产生的大量热量如果不实时检测并及时处理，会对中心内设备产生很大的不利影响。鉴于此，本人产生了制作一套能够实时检测多处环境温度并进行报警的系统的想法。该系统不仅能够应用于数据中心，在工业、农业生产以及人们的日常生活中也有十分广阔的应用前景。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。随着传感器技术的发展，传感器已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。[4]传感器技术的发展使其广泛应用于工业、农业及日常生活的各个方面，尤其是智能传感器的出现，使得更多的多功能传感器被应用，并且用无线技术连接，形成了第二代传感器网络。[5]
单片机的应用越来越广泛，对处理器的性能要求也越来越高。单片机作为嵌入式系统的一部分，主要集中应用在中、低端领域。[6]目前单片机发展趋势是功耗更低、外设更加丰富、功能更加灵活、有更好的运算能力、更新速度快、开发工具简单、廉价、功能完善以及性能稳定等。由于单片机技术的快速发展，使得以单片机为控制核心的系统也越来越成熟。
正是由于传感器技术的进步，单片机技术不断发展，使得以传感器为数据来源，单片机为处理核心的检测控制系统的开发变得越来越简便，应用也更加广泛，得到了市场的极大肯定。[7]鉴于以上需求以及技术的发展，本人制作了一套以低功耗单片机为处理器、非接触式智能温度传感器为核心的温度检测系统。
1.2.2 本文的章节安排
第二章为相关技术，将介绍多路温度检测报警系统设计和实现过程中需要用到的主要芯片和技术。
从第三章开始，本文将介绍多路温度检测报警系统的设计和实现过程。第三章分为四节，前三节完成传感器模块、无线通信模块和报警模块的设计与实现，第四节为小结。
从第四章开始，将对第三章中制作和调试完成的模块进行集成调试，集成调试主要分为两个部分，即温度采集与发送部分和温度接受和显示报警部分。在此之前将对低功耗单片机进行初始化编程。本章中介绍了利用单片机编程将各个模块集成使用的方法，最后实现系统的总体功能。
第二章 多路温度检测报警系统的相关技术
2.1 低功耗单片机及其最小系统
2.1.1 低功耗单片机
单片机
MSP430在我国大学已经得到了广泛的应用，而且不仅以超低功耗单片机的形式出现，更多时候它是组委传统51单片机的升级和替换产品出现在小车控制、人机界面甚至信号处理的场合中，MSP430系列单片机的诸多优势使其非常受欢迎。[9]
MSP430系列特别适用于电池应用的场合或者手持设备。同时该系统将大量的外围模块集整合集成到片内，也特别适合设计片上系统，有很强的灵活性。它是一个16位的精简指令架构，有大量工作寄存器和数据寄存器，其中RAM单元也可实现运算。在超低功耗方面，MSP430系列单片机能够在1.8V—3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1—400μA之间，因不同的工作模式而不同。在运算速度方面，MSP43系列单片机能在8MHz晶体驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些复杂算法。在整合方面，MSP430系列单片机将大量的CPU外围模块集成在了片内，如：看门狗（WDT）、定时器A和定时器B（Timer_A、Timer_B）、模拟比较器、串口0和串口1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、14位ADC（ADC14）、端口0（P0）、端口1-6（P1-P6）、基本定时器（Basic Timer）等。由于编译器的效率非常高，MSP430可以使用C语言编程，使得程序可读性高，易于维护。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1835.html
