单片机实现无线测温节点的超低功耗测量采用无线方式对变电站进行温度检测.doc

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1、参赛作品正文1.摘要随着供电负荷的迅速增加以及供电设备的老化，变电站由于输变线路接头温度过高引起的火灾、爆炸现象时有发生，严重影响到用电安全，给供电、用电双方带来巨大的经济损失，因此对变电站灾害的实时监测、预警成为电力系统研究的热点和难点。传统的变电站接头温度检测方法是人工手持红外温度探测枪进行逐点测温，这种模式常出现漏测、误报现象，而且高电压、强辐射环境给工作人员带来身体伤害。分布式光纤温度测量系统也是处理变电站异常的方案，但存在布线困难、工程复杂、投资大等问题；而变电站无线自动测温系统的开发，充分利用了无线资源，做到了防剪、防破坏，且安装维护简单。 本文取得了以下成果：首次采用独立电源和单

2、片机工作模式切换，实现无线测温节点的超低功耗测量。温度探头模块运用智能温度传感器DS18B20，它直接集成A/D转换，感温范围广并且温度采集精度高；由于变电站内引线供电是不可能的，所以必须采用电池供电，因此必须采用超低功耗的单片机以保证使用寿命。本文采用超低功耗单片机MSP430F1121，并且采用法国SAFT3.6V电池供电，最大限度的保证了供电寿命。另外发射采用功耗较低的智能数传模块NRF24L01，使得该产品功耗达到最低，供电电池最常使用年限可长达四年。温度集中器模块：考虑到温度处理模块要对温度采集模块大量的温度数据进行数据处理，因此必须选择一款处理速度较快和精度较高的单片机，并且可以内

3、置大的内存卡用来存储信息，所以我们采用STM32来作为温度处理的主控芯片。并且该产品设置独立按键模块来控制TFTLCD，我们可以通过触摸屏TFTLCD进行温度信息的阅览查找和显示，它可以实现温度信息的曲线绘制，数据记录汇总等多项功能。PC机处理模块：我们把处理的数据通过无线或者485总线发送给PC机。由PC机完成时时采样和报警。综上三个模块，很好的克服了变电站内引线困难，无法采用电池供电，以及电池更换不便等多项技术难题。该产品具有功耗低，实时处理速度快，结构简单，易于安装维护等多项优点，鉴于国内在变电站无线温度检测模块生产方面只有为数不多的厂家，并且价格极其昂贵，所以本产品以其高的性价比具有广

4、阔的市场前景。关键字：MSP430F1121 NRF24L01 STM32Abstract With the rapid increase of power load and power supply equipment degradation, due to transmission line connector in substation temperature too high causing fire and explosion phenomena occur, seriously affecting the safe use of electricity, causing huge

5、economic losses to both power supply and utilization, substation real-time monitoring, early warning of disaster research hot points and difficulties of the electric power system. Traditional methods of joint temperature detection of substation is constructed to point-by-point temperature handheld i

6、nfrared temperature detecting guns, this pattern often leak test, the phenomenon of false positives and high voltage, the intense radiation environment brings physical injury to staff. Distributed optical fiber temperature measurement system of substation exception scenarios, but wiring difficulties

7、, engineering issues such as investments in complex, and wireless development of automatic measurement system for substation, full use of radio resources, cut-proof, vandal resistant, and installation and maintenance simple.This paper made the following results: first adopted independent power suppl

8、y and single-chip microcomputer work mode switch, realize the wireless temperature nodes low power consumption measurement; This paper temperature acquisition module using intelligent temperature sensor DS18B20, it directly integrated A/D conversion, temperature range and high precision temperature

9、acquisition; Because in the transformer substation power supply wire is not possible, so must use batteries, so must use low power consumption of the single chip microcomputer to ensure that the service life. Based on the low power consumption MCU MSP430F1121, launch the low power consumption of int

10、elligent digital module NRF24L01, make the products meet the minimum power consumption, the power supply of the most commonly used batteries can be for four years. Temperature receiving processing module: considering temperature processing module to temperature acquisition module a lot of temperatur

11、e data data processing, so must choose one fast processing speed and precision of single chip microcomputer, and can be built-in large memory card used to store information, so we adopt STM32 as the main control chip temperature treatment. And through the touch screen TFTLCD that it can realize the

12、temperature information curve drawing, data record summary etc. Functions. The final step we put the processing of data sent to the PC. As two module in chip selection and scheme design to achieve optimal, has certain market prospect.Key words: MSP430F1121 NRF24L01 STM32 2. 变电站无线温度检测设计方案 无线温度检测模块由3部

13、分组成，分别为温度探头，温度集中器，计算机控制中心。我们只制作前两个部分，报警系统以及温度的设定由PC机来完成。（1） 温度探头：本文采用DS18B20进行多点温度测量，该温度芯片直接合成AD转换，分辨率可以达到0.0625摄氏度，并且很好地解决了变电柜内不能布线的缺陷，很好地做到实时监控各个检测点的温度。关于变电站内不能采用拉线供电，所以必须采用一款功耗极低的单片机作为主控芯片。因此我们选用MSP430F1121来控制温度探头模块，由电池提供供电；由于在变电柜内电池的更换非常不方便，所以普通的干电池是完不成该项目的，为此我们选择法国SAFT3.6V锂电池供电，最大限度的保证了电池使用寿命。我

14、们把采集好的温度信息通过NRF24L01和天线发射给温度集中器，由温度集中器做数据的汇总处理。（2）温度集中器：集中器主要功能为将附近的温度检测点所检测的温度值汇总，并通过独立键盘和TFTLCD显示器进行数据汇总，并将数值通过无线方式或者485总线或者以太网方式发送到计算机控制中心。在此模块中由于需要对大量的数据信息进行处理，所以需要选择一款高精度，高运算速度的单片机。STM32单片机高速度能很好的满足了该项目的要求，并且我们要设计一个独立的键盘模块，设置六个按键来控制TFTLCD。此外还需要一个温度接收模块来接受温度探头发射的温度信息。由于温度探头模块采用的是NRF24L01，所以温度集中器

15、同样采用NRF24L01来接受温度信息。（3）计算机控制中心：一套完整的上位机监控系统，可是设置温度范围，该系统随时监控接收到的温度数值，如果某个数值超出报警温度即进行报警，采用专用的数据库存储温度信息，能够对历史数据进行查询，形成温度曲线，必要时以短信的方式提醒工作人员温度报警。 （4）系统设计框图 ： 图一中低功耗的温度探头模块当检测到电压超过预警范围以及电池欠压时会通过无线的方式把温度信息以及电池的情况发给温度集中器，并且温度探头和温度集中器都有一一对应的编号。温度探头模块和温度集中器模块如下图所示： 系统方案比较与论证2.1温度探头部分主控芯片方案比较方案一：采用传统的AT89S52单

16、片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗相对较高，比较经济实惠。方案二：采用TI公司生产的MSP430F1121单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的超低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC，其价格也比较实惠。并且只有20管脚连接较方便，主要是功耗低是本方案的首选。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。而且价格适中。由于变电站无线温度采集的瓶颈就在于功耗的高低，从这个角度出发并且综合考虑价格性能因素，我们决定采用MSP430F149F1121

17、为主控芯片。2.2温度探头部分无线通信模块方案比较 方案一：采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。 方案二：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。方案三：采用NRF24L01无线射频模块进行通信，NRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。它能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。考虑到系统的复杂性和

18、程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。2.3温度探头部分温度传感方案比较 方案一：采用AD590是美国ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。方案二：采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。经济

19、，方便。使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD590精度低。AD590还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用DS18B20作为本系统的温度传感器。2.4温度集中器部分主控芯片方案比较 方案一：采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗相对较高，但处理速度较慢，比较经济实惠。方案二：采用ARM芯片STM32， 此芯片包括一系列32位产品，具有高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作特性，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。价格相对偏高。综上，我们需要多个温度节点进行

20、数据处理，所以需要用一款高速度和高精度单片机，适中考虑价格因素我们采用STM32芯片来做温度的采集芯片。2.5温度集中器部分显示方案比较方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：TFTLCD使用特性好：低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间；低功耗.显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端；显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高

21、彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器；由于接收部分需要对采集的大量温度信息进行汇总，所以需要一款大显示屏并且可以显示各种字符以及温度信息，综上我们选择TFTLCD3、主要芯片介绍3.1温度传感器DS18B20本方案采用的温度传感器是美国 DALLAS公司推出的 DSl8B20 芯片，它是一线制数字温度传感器，其器件内部集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块。该器件可将温度信号直接转换成 16 位串行数字信号，并通过串行输出方式与单片机通讯 测温范围为40 l20 ，可编程的分辨率为 9-12 位，对应的可分辨温度分别为 0.5， 0.

22、25 ，0.125 和0.0625 摄氏度，可实现高精度测温；适应电压范围3.05.5V，工作电压既可以远端引入，也可以采用寄生电源的方式提供多个DS18B20，可以并联到3根或2根线上；CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器端口较少，可节省大量引线和逻辑电路。以上特点使 DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统，本设计采用的DS18B20是3引脚小体积封装形式。DS18B20的优点主要有：（1）线缆少，一根地址信号线上可挂接多个DS18B20 传感器，大大减少了现场线缆，方便现场布线；（2） 由于传感器输出的就是数字信号，传输过程中没有精度的损失，系统精度可

23、以保证；（3） 信号由传感器出来直接进入采集器，使系统可能发生故障的环节少，便于维护；（4） 成本低廉，零待机功耗；（5） 测温范围-55+125 ，以 0.5 递增，华氏器件 -67+2570F ，以 0.90F 递增；（6） 可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5，0.250.125，0.0625；（7） 温度数字量转换时间 200ms（ 典型值 ）；（8） 负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作外形。图3.1 DS18B20引脚及封装引脚定义： (1)DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； 图3.2 DS18B2

24、0硬件连接图3.2 NRF24L01芯片概述 NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。供电电压为1.9 V3.6 V。 3.2.1引脚功能及描述NRF24L01的封装及引脚排列如图所示：表3.1：各引脚功能引脚功能CE使能发射或接收；CSN

25、，SCK，MOSI，MISOSPI引脚端微处理器可通过此引脚配置nRF24L01； IRQ中断标志位；VDD 电源输入端； VSS电源地；XC2，XC1 晶体振荡器引脚； VDD_PA为功率放大器供电，输出为1.8 V；ANT1,ANT2天线接口；IREF参考电流输入。3.2.2工作模式通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表所示。 待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。 在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所

26、有配置寄存器的值仍然保留表3.2：nRF24L01四种工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式

27、，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状

28、态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。如下图，给出SPI操作及时序图：图3.4 SPI读操作图3.5 SPI 写操作3.3 MSP430F1121 德州仪器生产的MSP430F1121是一种超低功耗微控制器,具有16 位的RISC结构,CPU上集成有16个寄存器以及常数发生器,使MSP430F1121达到最大代码效

29、率。数字控制震荡器提供从任何低功耗模式到激活模式小于6us的快速唤醒时间。MSP430F1121的体积小(20管脚贴片,尺寸17mm 16mm),功耗低,且具有混和信号处理能力,能利用片上集成的比较器实现模拟量测量,大大简化了外围电路设计,非常适合于开发低成本、智能化小型化、低功耗的智能温控设备。MSP430F1121单片机具有以下特点: （1）16位R ISC指令结构； （2）具有高级语言编程的能力,配套方便的集成开发环境可加速软件的开发；（3）内置4kB 的Flash 和256BRAM； （4） 一个16 位定时器Timer- A和看门狗定时器；（5）一个具有3种内部参考电平和输出带RC滤

30、波的比较器；（6）低电源电压范围1.83.6V,超低功耗,低工作电流。（7）5 种节电方式,16位RISD体系125 ns指令周期。（8）有三个捕获/比较寄存器的16位定时器。（9）利用外部元件的斜率A / D 转换器。图3.6 MSP430F1121系列单片机的封装形式3.4 STM32介绍STM32系列32位Flash微控制器基于ARM Cortex-M 系列处理器，旨在为MCU用户提供新的开发自由度。 它包括一系列32位产品，具有高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作特性，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。无可比拟且品种齐全的STM32产品基于行业标准内核，提供了大量工和

31、软件选项，使该系列产品成为小型项目和完整平台的理想选择。（1）2V-3.6V供电 （2）容忍5V的I/O管脚 （3）优异的安全时钟模式 （4）带唤醒功能的低功耗模式 （5）内部RC振荡器 （6）内嵌复位电路 （7）工作温度范围：-40至+85或105 图3.7 STM32F103RBT6 的引脚图 我们选择的是 STM32F103RBT6 作为MCU，STM32F103 的型号众多，我们选择这款的原因是看重其性价比，作为一款低端开发板，选择 STM32F103RBT6 是最佳的选择。 128K FLASH、 20K SRAM、 2 个SPI、 3 个串口、 1 个 USB、 1 个 CAN、

32、2 个12 位的ADC、RTC、51 个可用 IO 脚，这样的配置无论放到哪里都是很不错的了，更重要的是其价格，18元左右的零售价，足以秒杀很多其他芯片了，所以我们选择了它作为我们的主芯片。3.5 TFTLCD TFT-LCD 即薄膜晶体管液晶显示器。TFT-LCD 与无源 TN-LCD、STN-LCD 的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。 有如下特点： （1）2.4/2.8两种大小的屏幕可选。 （2）320240的分辨率。

33、（3）16 位真彩显示。 （4）自带触摸屏，可以用来作为控制输入。 （5）DST2001PH TFTLCD，DST2001PH的控制器为 ILI9320，采用26 万色的 TFTLCD屏，分辨率为 320240，采用 16 位的 80 并口。 图3.8 TFT-LCD 的引脚4、系统模块硬件设计4.1温度探头部分由MSP430F1121、DS18B20和NRF24L01组成的最小系统原理图如下：图4.14.1电源模块本系统模块需要一3.3V左右电源为MSP430F1121供电，本文采用法国SAFT3.6V电池供电，下面是它的一些参数：（1） 高电压及稳定工作电压（开路电压 3.67V ，负载电

34、压 3.0V） （2） 脉冲放电优势（建议最大脉冲：1秒/分，4500mA） （3） 更为宽阔的工作温度范围（储存：-60/100 ，工作：-60/85） （4） 更高的容量优势（1/2AA1.2AH AA2.7AH） （5） 更少的自放电，更长地贮存、使用寿命（小于1%，615年）（6） 更突出的安全性能（无运输限制，UL认证，符合EN50020“欧洲防爆电气标准”要求，可以在爆炸性环境下使用） 七、长期使用寿命跟踪记录（超过10年以上应用历史） 从以上参数可以看出该电池供电电压可以直接供给MSPF1121芯片工作，并且可以保证电池的使用寿命。4.2温度集中器部分 下面是温度集中器STM32

35、MCU原理图图4.2 MCU原理图4.2.1按键模块本文设计六个独立按键： M确认按键原理图控制TFTLCD，上下键可以上下翻阅信息以及翻页的功能，左右键是左右移动阅览信息，中间的圆形按键是MENU菜单键，最右边的是是确认键4.2.2液晶显示模块该产品采用TFTLCD对采集好的温度信息进行显示。 图4.3 TFTLCD和STM32的连接管脚该触摸屏比LCD12864更具优势，处理温度信息更加方便灵活。4.2.3存储模块由于多点温度测量，由温度探头发送大量的数据信息交由STM32芯片处理，由于STM32的内存并不能满足要求，所以我们用SD卡来扩展内存，并且很好的保证了数据的完整性，掉电信息不会丢

36、失。下面是它和STM32的连接4.2.4无线模块 我们采用 NRF24L01 模块块，它属于 2.4G 通信的无线模块，并且都有性价比极高的特点。其中 NRF24L01 模块的最大通信速率为 2Mbps，其原理图如下：图4.55、发送端软件设计5.1 DS18B20的初始化本系统发送端采用DS18B20温度传感器采集温度，经MSP430F1121收集处理数据，然后通过NRF24L01无线发射模块发送给温度接收模块STM32芯片进行数据的处理：开始配置NRF发送模式复位DS18B20发送跳过ROM命令开始温度转换读取温度值数据经NRF24L01发送YES发送是否 成功？本系统接收端采用nRF24

37、L01无线模块接收发送端传来的温度数据，经单片机STM32数据处理后在TFTLCD上显示。最后由STM32据经串口传输给PC机。其中包括NRF24L01模块和TFTLCD显示器的初始化。流程图如下初始化TFTLCD配置NRF24L01接受模式开始把数据传给PC机显示温度数据接受温度数据温度接收模块原理图6.总结数据采集与处理是单片机的常用领域，除了电信号以外，单片机还可以利用传感器实现对非电信号的采集。本设计采用一种直接数字输入式的温度传感芯片DS18B20实现了单片机控制的数字温度计系统。基于DS18B20数字温度传感器构成的实时监控系统确实具有精度高、抗干扰能力强、电路简单等诸多优点，温度

38、传感器得到电缆长度达到几十米都可以正常读取温度数据。相比之下，传统的温度检测系统采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号调理、AD转换处理电路才能将温度信号转换成数字信号，不但电路复杂，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的精度差，很难保证热敏电阻的一致性和线性，在应用中需要很好的解决引线误差补偿问题、共模干扰问题和放大电路零点漂移误差等技术问题。本设计内容重点：NRF24L01无线传输模块的操作。MSP430芯片与NRF24L01无线传输模块、DS18B20的连接STM32芯片与NRF24L01无线传输模块、LCD显示器的连接、进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、

39、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。参考文献1DS18B20 Data sheet DB/OL2003.52胡大可.MSP430 系列 FLASH 型超低功耗 l6 位单片机M .北京:北京航空航天大学出版社,2004.3谢楷,赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践M .北京:机械工业出版社,20094孙少伟，戴义保，章高琴.基于 DS1820组网测温的研究J .自动化仪表,2006(10):42- 45.5王心水.一种基于单片机的多功能温度控制器的设计J .电子技术,2010(1):46- 48.6余瑾,姚燕.基于 DS18B20测温的单片机温度控制系统J .单片机开发与应用,2009(25):105- 107.7马向阳,王明艳.单片机与数字传感器在温度测控系统中的应用