摘要：針對目前溫度采集報警系統功耗大、應用場合有限等缺陷，設計了一種基于CC430F5137單片機的低功耗無線通信溫度采集報警系統。本系統具有功耗低、精度高、無線傳輸可靠性高等特點。介紹了CC430F5137芯片的特點和系統的硬件結構原理，給出了系統硬件設計框圖和軟件流程，并詳細地分析了溫度采集模塊和RF無線收發模塊。實驗結果驗證了采用CC430F5137設計溫度采集報警系統的可行性。系統運行穩定可靠，有較好的應用前景。
引言
隨著科技的不斷進步，現代化生產對溫度采集的實時性、高效率和低耗能的要求不斷提高，而且許多測量溫度的現場環境非常惡劣，使操作人員難以到達現場測量。對此，需要一種能夠自動采集、處理并能夠無線傳送數據的溫度采集系統。同時，為了節省使用成本以及維護，此系統還需要具備長期穩定工作的性能。因此，開發一種低功耗并且能夠無線傳輸數據的溫度采集系統，能夠彌補目前溫度采集領域的缺陷。
參考文獻設計的溫度采集系統雖然具有低功耗性能，但是都必須用線路連接才能進行通信，這大大限制了應用場合，使其應用具有一定的局限性。參考文獻設計的溫度采集系統利用的ZigBee無線通信技術作為通信工具，但是其必須利用單獨的外接ZigBee模塊才能完成通信功能，所以制作成本較高。針對以上缺點，本系統采用的CC430F5137芯片不但具有MSP430系列的低功耗性能，而且具有RF無線收發器的功能。這兩種性能充分滿足了低功耗和無線通信的要求，使得系統的成本降低，達到了目前應用的要求。
1 裝置整體運行原理
1.1 裝置運行原理
無線溫度采集報警系統主要由兩部分組成，一部分是溫度采集模塊，另一部分是中央控制模塊。中央控制模塊包括鍵盤及顯示模塊和報警模塊。系統整體框圖如圖1所示。系統工作時，首先由各個溫度采集模塊中的溫度傳感器完成對溫度的采集任務，然后CC430F5137單片機通過I/O口得到溫度參數，最后將采集的溫度信息通過CC430F5137內部集成的RF無線收發器傳輸給主控制器系統。主控制系統對各個站點采集來的溫度數據進行系統的分析，并將結果利用數碼管進行顯示。當溫度超過上限值或下限值的時候，則觸發報警裝置，通過驅動一個蜂鳴器和報警燈來實現。報警溫度的上下限值可以通過鍵盤輸入模塊進行設置。主控制臺有兩組數碼管，一組數碼管顯示溫度采集模塊的序號，可以通過鍵盤來選擇要顯示的溫度采集模塊的序號，另一組則顯示溫度值。
2 系統硬件設計
溫度采集報警系統的硬件設計包括溫度采集模塊設計和中央控制器設計。
2.1 溫度采集模塊設計
2.1.1 CC430F5137器件介紹
CC430F5137是TI MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發器相結合的產品，可實現極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無線網絡應用無需維修即可工作長達10年以上。此外，微型封裝所包含的高級功能還可為創新型RF傳感器網絡提供核心動力，以向中央采集點報告數據。CC430 F5137為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、2KB RAM、CC1101無線電、AES-128和USCI，供電電壓為1.8～3.6 V，正常工作模式消耗電流為160μA/MHz，低功耗模式3消耗電流為2.0μA。
2.1.2 CC430F5137的RF無線收發模塊電路設計
CC430F5137內部集成了CC1101無線電收發器，RF頻率為432.999817MHz，信道間隔為199.951172kHz，數據傳輸速率為38.383484kbps。在本系統設計中，可以設置無線發送功率。根據發射距離的遠近去設置功率的大小，可以使功耗達到最低，實現低功耗。其電路圖如圖2所示，CC430F5137的供電電源為兩節7號電池，電壓為+3V，外接晶振為26MHz，RF_N和RF_P為RF無線電發射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達到-30dBm，傳輸距離可以達到100m左右。
2.1.3 溫度采集電路設計
考慮到設備低功耗的要求，所選的溫度傳感器必須具有低功耗特性，這里選擇了MAX6613型集成溫度傳感器。MAX6613是一款高速度、高精度的低功耗溫度傳感器，特別適合用于低功耗的產品中。MAX6613的電源供電電壓范圍為1.8～5.5V；低電源電流消耗，典型值為7.5μA；測量范圍為-55～+130℃；非線性誤差為1.3℃。其測量溫度與輸出電壓關系式為：
Vout=-0.011 23T+1.8455Vref (1)
式中Vout為傳感器的輸出電壓，T為被測溫度，Vref是通過參考電壓得到的傳感器的測得電壓。單片機通過模擬采集口采集傳感器的輸出電壓，通過公式(1)就可以計算出實際測量的溫度值。因為CC430F5137內部集成了ADC模塊，其輸入電壓范圍為0～3.6V，可以滿足系統的要求，所以可以直接將MAX6613的電壓輸出口接在CC430F5137的ADC輸入口上，其電路圖如圖3所示。
2.2 主控制器設計
主控制器的RF接收發射模塊與溫度采集模塊中的RF接收發射模塊設置相同，在此不再贅述。
2.2.1 報警系統硬件電路設計
報警系統通過控制晶體管的開通與關斷去控制蜂鳴器和報警燈的導通與關閉，從而達到報警的目的。
CC430F5137單片機的P2.0口通過控制輸出信號的高低電平來控制晶體管的導通或截止，如圖4所示。如果晶體管導通，則蜂鳴器報警并且觸動報警燈亮。當所測溫度的值超過預設的溫度上、下限值范圍時，會啟動報警系統。當溫度值調節在正常的工作范圍內，報警系統會自動停止報警。
2.2.2 鍵盤及顯示模塊硬件電路設計
鍵盤采用4×2的鍵盤模式，一共8個按鍵，其功能按鈕分別為啟動按鈕、停止按鈕、功能1上限溫度值設定按鈕、功能2下限溫度值設定按鈕、功能3溫度采集模塊序號選擇按鈕、數值加1、數值減1、手動報警按鈕。
CC430F5137共有16個外部中斷I/O口，分別為P0口和P1口。在此，采用P0口作為鍵盤掃描端口，只要有一個鍵被按下，相應的兩個I/O口就會被置為低電平，只要判斷是哪兩個I/O口有中斷發生，就能判斷出被按下的按鈕，進而執行相應的操作。
2.2.3 顯示模塊硬件電路設計
顯示模塊考慮到成本的要求，采用數碼管作為顯示界面，如圖5所示。系統中選用8個數碼管進行顯示溫度。其中前4個為一組，用來顯示溫度采集模塊的序號；后四個為一組，用來顯示溫度采集模塊采集的溫度值，其中第一個數碼管為符號位。系統采用74HC245總線驅動器用來驅動相應的LED數碼管，P1口作為LED數碼管的片選信號。
3 系統軟件設計
溫度采集報警系統的軟件設計包括主控制器和溫度采集模塊的軟件設計。
3.1 主控制器軟件設計
主控制器程序流程如圖6所示。首先按動開始按鈕系統開始運行，此時CC430F5137會發出一個控制指令給指定的溫度測量模塊，開始進行溫度采集，被指定的溫度采集模塊將所測溫度數據發送給主控制器(系統初始默認的是顯示第一個溫度采集模塊的測量數據)。主控制器接收到數據后，開始執行顯示程序。首先在第一組數碼管上顯示溫度采集模塊的序號，第二組顯示溫度值。主控制器會連續判斷溫度值是否越限，如果越限，系統會觸發報警裝置，這時蜂鳴器會發出響聲，并且報警燈點亮，直到溫度值回到允許的范圍內。如果有按鍵被按下，會執行相應的按鍵功能，并發送給指定的溫度采集模塊。
3.2 溫度采集模塊軟件程序設計
溫度采集模塊程序流程如圖7所示。當主控制器發送控制指令后，溫度采集模塊開始接收指令，并執行相應的指令功能。首先溫度采集模塊中的CC430F5137會采集MAX6613輸出的電壓信號，然后計算出相應的溫度值，并發送給主控制器。如果沒有接收到指令，系統不會采集MAX6613的電壓信號，溫度采集模塊會一直處于低功耗模式3中，這樣就能降低功耗。在低功耗模式3中，系統的DC發生器關斷，只有晶振是活動的，系統的總中斷允許位被打開。如果有RF無線收發器中斷，此時系統就會從低功耗模式3中喚醒，開始執行溫度檢測程序。這樣就能使功耗降到最低，達到低功耗的要求。
RF無線電中斷子程序：
結語
本文設計了一種基于CC430F5137的無線溫度采集報警系統。此模塊主要是由主控制器和溫度采集模塊組成。經過測試，系統運行穩定可靠，但是在距離較遠和傳輸中間有障礙物的情況下，發送的數據會有接收丟失的狀況，根據實際的應用場合還需要不斷改善。
