采用MSP430單片機的多傳感器智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

引言

隨著科技的不斷發(fā)展，信息化建設的步伐越來越快，控制系統(tǒng)向智能控制系統(tǒng)發(fā)展已成為一種趨勢。本文設計了一套基于MSP430單片機的智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過單片機采集多路傳感器信息，并通過相應數(shù)據(jù)通路將信息發(fā)送到主控平臺，同時主控平臺通過對采集到的信息進行判斷，自動通過CAN總線將控制信息發(fā)送到各個節(jié)點，單片機通過無線收發(fā)芯片接收控制信息，并驅動電動機實現(xiàn)相關控制。

工作原理

原理簡介

本系統(tǒng)是使用MSP430單片機為核心的多傳感器智能監(jiān)控系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)框圖。單個節(jié)點的控制和數(shù)據(jù)傳輸，使用MSP430單片機為核心。各節(jié)點由角度傳感器、溫濕度傳感器和風速傳感器采集數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)通過由CC1020無線收發(fā)模塊和CAN通訊模塊組成的數(shù)據(jù)采集模塊傳輸主控單片機，主控單片機通過以太網通信模塊將信息傳送到上位機：上位機進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)一調度后通過數(shù)據(jù)通路反饋控制信息，各節(jié)點的單片機接收到相應命令后，通過控制步進式直流電動機實現(xiàn)相關操作。

系統(tǒng)結構

系統(tǒng)硬件設計

傳感器選擇

（1）角度傳感器SCA60C

角度傳感器SCA60C僅可精確檢測到0～90度的角度范圍，在0～90度的傾角范圍內，傳感器輸出的是正比于傾角大小的+0.5～+5V的模擬電壓信號。

（2）溫濕度傳感器DHT21

DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連。單DATA管腳用于微處理器和AM2301之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，當前數(shù)據(jù)傳輸為40位，16位濕度數(shù)據(jù)、16位溫度數(shù)據(jù)和8位校驗和。

（3）風速傳感器：WFS-1-1風速傳感器

WFS-1-1風速傳感器的風杯及風標由高耐候性、高強度工程塑料制造，傳感器殼體使用ABS工程塑料成形，上下殼體由橡膠0型圈密封。內部電路均經過噴涂三防漆處理，整個風速傳感器具有很好的耐惡劣環(huán)境的適應性。該傳感器的測量范圍為0～60m/s，分辨率為0.1m/s，信號輸出為脈沖信號。

各傳感器的接口電路見圖2。

系統(tǒng)的中央處理器部分

MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令：大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算：還有高效的查表處理指令：有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

CAN通訊模塊

CAN通訊模塊的硬件電路連接如圖3所示。CAN控制器SJA1000支持兩種與單片機的連接模式，本設計中選擇的是Intel模式。SJA1000的讀寫信號直接和單片機的讀寫信號連接，復位信號由單片機的I/O口控制，以便實現(xiàn)軟件復位SJA1000芯片。芯片的中斷管腳連接單片機的外部中斷，當收到一包數(shù)據(jù)后，通知CPU。82C250為CAN收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。CANH和CANL管腳增加阻容電路，濾除總線上的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

無線模塊部分

CC1020通過簡單的四串行sPI接口進行編程。有8位的結構配置寄存器。每一位寄存器的地址是7位，l位作為讀/寫位，初始化讀或寫的操作。CC1020一次完整的配置，要求發(fā)送33個數(shù)據(jù)幀，每幀16位（Address 7位，R/W1位，Data 8位）。將CC1020設為低功耗模式，只需發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，因此所需的時間不到2ms。

CC1020的外圍電路如圖4所示。PDO與微控制器的一個輸入端連接。PDI、PCLK和EIPSEL連接到微控制器的輸出端。當PSEL引腳端無效（保持高電平）時（PSEL引腳端低電平有效），PCLK、PDI和PDO是高阻抗輸入狀態(tài)。PSEL有一個內部上拉電阻，在低功耗模式時必須斷開（由微控制器三態(tài)控制），或者設為高電平，以阻止電流流入上拉電阻。微控制器的一個雙向引腳與CC1020的DIO連接，用于數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收（輸入與輸出）。DCLK提供數(shù)據(jù)定時，必須連接到微控制器的一個輸入端。數(shù)據(jù)輸出可以選擇使用單獨的引腳。這時要設置CC1020的INTERFACE寄存器SEPDI DO=1。在同步模式下，LOCK引腳用作數(shù)據(jù)輸出，而DCLK引腳作為異步模式的數(shù)據(jù)輸出，DIO引腳端則只用于數(shù)據(jù)輸入。

以太網通信電路

以太網模塊的硬件電路連接如圖5所示。ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設接口的獨立以太網控制器，主要由七個主要功能模塊組成：SPI接口，控制寄存器、雙端口RAM緩沖器、判優(yōu)器、總線接口、MAC模塊和物理層模塊。它與主控制器的通信通過兩個中斷管腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達10Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進行網絡通信狀態(tài)指示。ENC28J60與網絡介質的連接由20F001N為網絡隔離變壓器，它的作用是實現(xiàn)ENC2810160與網絡介質的連接，并抑制雙絞線上的各類干擾，提高網絡通信的穩(wěn)定性。TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-與ENC28J60的輸入輸出引腳相連。TPTX+、TPTX-、TPRX+、TPRX-通過以太網接口連接上位機，從而連入以太網。

步進電機驅動電路

步進電機選擇4相5線步進電機，如圖6所示，其驅動電路主要由L297+L298組成，該驅動電路集驅動與保護于一體。L297是脈沖分配器，只要步進電機A、B、C、D四項依次連接到J1的1、2、3、4各點，且將剩下的一條線接地，L297就會自動的將輸入到端口CW/CCW的脈沖分配給步進電機的各個相序，此時步進電機便可轉動。本設計中單片機通過輸出DIR和PULSE兩個信號，從而控制驅動電路使步進電機轉動。

系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)分為三個單元，各單元的流程圖分別如7～9所示。節(jié)點采集單元初始化完成后，首先判斷有無收據(jù)傳輸單元發(fā)來的命令，如果有則控制電機轉動（正轉或者反轉）；如果沒有則開始采集各傳感器信息，處理后打包通過無線模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸單元，發(fā)送完畢后繼續(xù)判斷有無收據(jù)傳輸單元發(fā)來的命令，依次循環(huán)。數(shù)據(jù)傳輸單元在完成對CPU、無線模塊和CAN通信模塊的初始化后，首先判斷是否收到主控機的控制命令，如果有則將此命令發(fā)送至節(jié)點采集單元，如果沒有則判斷是否有節(jié)點采集單元發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)信息。若有則接收數(shù)據(jù)，并通過CAN模塊發(fā)送至主控單片機，發(fā)送完畢后返回繼續(xù)判斷是否收到主控機的控制命令：若沒有則同樣返回繼續(xù)判斷是否收到主控機的控制命令。主控單元在CPU、CAN模塊和以太網模塊初始化完成之后，先判斷是否收到上位機命令，收到則通過CAN模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸單元：若沒有收到則判斷是否收到數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果有則通過CAN模塊接收數(shù)據(jù)，并通過以太網模塊發(fā)送至上位機，然后返回繼續(xù)判斷是否收到上位機命令；若沒有數(shù)據(jù)，同樣返回開始下一個循環(huán)。

總結

本文設計了一種基于MSP430單片機的多傳感器智能監(jiān)控系統(tǒng)。該智能監(jiān)控系統(tǒng)具有穩(wěn)定、人性化等優(yōu)點。CAN總線通信速率高、差錯能力強，可支持多點采集，最多可支持110個節(jié)點：無線模塊能減少數(shù)據(jù)采集單元的布線：以太網模塊可將相關數(shù)據(jù)采集到網絡服務器上，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)可應用于工業(yè)和生活的很多方面，具有一定的市場前景。