林雨歆，林琦，刘娜娜，蔡建义，高胜银，孙卫

（西安理工大学，陕西西安，710061）

0 引言

随着信息时代的到来，自动化系统得到广泛应用，根据人们的需求其功能逐渐完善，但依然存在很多问题，使用户体验感较差、满意度较低。例如工农业生产生活中，需要长时间、多点位的监控环境温湿度状态，且需具备自动报警功能，若要实现较密集的采集多个监测点温湿度状态，目前依然面临很多困难：

(1)监控范围广、时间长，监控点位多；

(2)温湿度数据监控精度要求越来越高；

(3)温湿度采集数据量大，不便于记录与日后分析。

上述问题来源于某大学图书馆实地考察，为解决这些问题，本文设计制作了基于MSP430的单总线多点位温湿度监控系统，该系统具备温湿度数据采集、显示、报警、记录功能，实现对该大学图书馆全方位、多点位温湿度实时监控、记录和保存。

1 系统总体方案

本文设计的温湿度监控系统由MSP430单片机、DHT22单总线温湿度传感器、液晶显示屏等组成，系统原理如图1所示。系统采用单总线形式，由于测量探头结构简单,系统板与采集模块采用单总线进行通讯，采集模块选用干电池供电的DHT22单总线温湿度传感器，便于监控采集点的设置。系统按照每分钟一次的频率对环境的温湿度进行检测，将采集的温湿度信息，一方面通过主控芯片记录在MSP430系统的存储区，另一方面通过串口彩色液晶屏进行实时显示，当某路采集温湿度超出设定值时，在显示屏上出现报警提示。同时，利用PC机实现对环境温湿度数据的实时查询、数据整理、绘制数据曲线以及对历史存储数据的分析、导入、导出和实时显示等功能。

图1 系统原理框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

主控芯片采用MSP430单片机，该型单片机功耗小且集成了较丰富的片内外设，在温湿度监控系统中，当系统程序失控时可以实现迅速复位，其内部的16位定时器具有捕获、比较功能，完成实际测试温湿度与设定温湿度数值的比较，判断温湿度是否在合格范围内，满足本系统设计需求。

2.2 单总线系统

本系统采用单总线技术（1-Wire Bus），其采用单根信号线，对数据进行双向传输，以及系统控制通讯功能，其内部等效电路如图2所示。

图2 单总线硬件接口示意图

单总线要求外接一个约4.7kΩ的上拉电阻，这样当总线闲置时，状态为高电平。如果出现序列混乱，1-wire器件不会响应主机。

2.3 串口液晶屏

在温湿度监控系统中,采用液晶显示屏提升了温湿度监控系统交互性、体验性，便于使用者对温湿度变化情况进行分析和控制。本系统采用SPI串口液晶屏， SPI串口接收MSP430单片机串口发送的指令，若指令符合通讯协议即可实现温湿度数据的实时显示功能。

2.4 温湿度采集模块

本文设计的温湿度监控系统，要实现对环境温湿度的监控、管理功能，首先对温湿度及其变化信息进行采集，然后通过数字信号与模拟信号之间的有效转换，将数据传输至温湿度监控系统主控平台— MSP430单片机，实现数据分析和利用。DHT22传感器满足设计需求，其外形如图3所示。

图3 DHT22传感器

DHT22温湿度传感器属复合型传感器，能够与MSP430单片机进行有效连接。DHT22温湿度传感器体量小，且信号传输距离较远，在温湿度监控系统中适用性强。同时，DHT22温湿度传感器也具有输出信号准确率高、抗干扰、低功耗等优势，可有效提升本文所设计的温湿度监控系统的综合性能。DHT22技术参数如表1所示，引脚分配如表2所示。

表1 DHT22技术参数

表2 DHT22引脚分配

2.5 单总线数据格式

系统采用单总线数据格式，一次通讯时间为4ms左右，数据分小数和整数部分，操作流程为：数据传输一次为40bit，高位先出。用户发送开始信号后，DHT22从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT22发送响应信号，并触发一次采集信号，DHT22不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式，通讯过程如图4所示。

图4 通讯过程

当总线处于空闲状态时其为高电平，此时主机把总线拉低，然后等待DHT22响应，主机把总线拉低必须大于18ms，使DHT22能检测到开始信号，DHT22接收到主机发送的开始信号后，输出低电平响应信号，主机发送开始信号后，延时等待(20-40)μs后，读取DHT22的响应信号,信号响应过程如图5所示。

图5 信号响应过程

当总线为低电平，说明DHT22发送了响应信号， 如果读取响应信号为高电平，则DHT22没有响应，此时则要检查线路是否连接正常，当最后一bit数据传送完毕后，DHT22拉低总线50μs，然后总线由上拉电阻拉高从而进入空闲状态。

2.6 电源系统与分布式监控点电源

根据单片机、温湿度传感器以及其他模块对电流、电压的要求，需对220V交流电压进行降压处理，使其在桥式整流电路作用下，由220V交流电压转变为本系统所需要的 5V直流电压，为系统单片机、温湿度传感器供电，电源部件较为简单，此处不予赘述。

3 系统软件设计

系统软件由上位机软件和下位机软件组成，下位机软件是指烧录至MSP430的软件，上位机采用LabVIEW编制的上位机软件，上位机和下位机通过串口进行数据交换。

3.1 下位机软件

下位机软件采用C语言编程，实现对外围温湿度数据的实时采集，一方面通过串口将数据显示在液晶显示屏上，若满足报警条件时则给出报警信号，另一方面将数据存储在Flash中；当上位机有上传的命令时，下位机则把存储在Flash中的数据通过串口上传至上位机中。软件流程如图6所示。

图6 软件流程

利用MSP430某个IO口实现单总线的功能，对单总线的操作严格按照芯片的时序图进行，操作单总线时关闭中断。采集温湿度的核心代码，如函数1、2所示。

函数1：通过单总线读取一个字节的数据

3.2 上位机软件

上位机软件采用LabVIEW编制，实现从下位机中获取数据，并保存和分析数据，在终端呈现给用户，软件流程如图7所示；在系统D盘中采用Excel建立“温湿度记录表”,用于记录由下位机上传的数据,便于日后检查与存档，如图8所示；温湿度数据曲线显示如图9所示。

图7 软件流程

图8 温湿度记录生成文件夹

图9 温湿度数据曲线显示

4 系统测试结果

本系统采用IPS屏幕技术，温湿度测试采用经过校准的温湿度计与系统测试结果进行对比验证，经20个点位的对比试验，温度误差±0.3℃以内，湿度误差5%以内，符合设计要求。系统温湿度采集、显示正常界面如图10所示，故障界面如图11所示。

图10 正常界面

图11 故障界面

5 结论

本文利用MSP430、DHT22、IPS，通过单总线系统，利用C语言编程以及LabVIEW软件编制技术设计了一款多点位温湿度监控系统，实现对环境温湿度参数的有效收集，完成温湿度检测、报警、可视化显示、自动存储等功能，满足某大学图书馆温湿度多点位、实时监控管理需求。该系统可推广应用于博物馆、医院、现代化农业大棚等场所。下一步将在此基础上增加远程传输功能，提升系统综合性能和应用范围。