基于DSP的智能溫度檢測系統設計

摘要：為實(shí)現農業(yè)的智能化管理，本文基于DSP技術(shù)利用節點(diǎn)可擴展的溫度傳感器DS18B20芯片設計了一款具有GPRS遠程報警功能，經(jīng)濟、實(shí)用型溫度檢測系統。結果證明，該系統可實(shí)時(shí)檢測環(huán)境溫度，報警靈敏，可廣泛應用在農業(yè)及其他領(lǐng)域。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，農業(yè)正朝著(zhù)智慧農業(yè)發(fā)展。“智慧農業(yè)”就是充分應用現代信息技術(shù)成果，集成應用計算機與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及專(zhuān)家智慧與知識，實(shí)現農業(yè)的智能化管理。溫度作為農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要指標，溫度檢測系統是智能農業(yè)的一個(gè)子系統。以DSP技術(shù)為核心，利用接口簡(jiǎn)單、性能穩定的DS18B20溫度傳感器芯片，設計了具有溫度檢測、溫度閾值設定、現場(chǎng)蜂鳴器報警、遠程智能短信報警、溫度值實(shí)時(shí)顯示、溫度節點(diǎn)可擴展等功能的溫度檢測系統。該系統在農業(yè)領(lǐng)域可廣泛進(jìn)行應用推廣。

1 智能溫度檢測系統

智能溫度檢測系統在智慧農業(yè)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，成為智慧農業(yè)中信息采集必不可少的一部分。精確的獲取農業(yè)生產(chǎn)或農業(yè)產(chǎn)品管理中的溫度參數，有助于提升我國農業(yè)管理水平和農業(yè)生產(chǎn)效能，促進(jìn)農業(yè)的現代化精準管理、加速智慧農業(yè)時(shí)代的到來(lái)。

1.1 系統實(shí)現整體方案

本智能溫度檢測系統主要由DSP主控單元、CPLD譯碼單元、鍵盤(pán)掃描單元、溫度檢測單元、蜂鳴器/LED燈報警單元、GSM單元、液晶屏顯示單元組成，當系統檢測的溫度高于或低于設定的閾值，系統可通過(guò)現場(chǎng)的蜂鳴器報警，或通過(guò)智能手機模塊將信息遠程發(fā)送。溫度閾值和系統發(fā)送的手機終端號碼均可通過(guò)鍵盤(pán)掃描單元設定或修改，液晶屏顯示操作進(jìn)程。

該系統框圖如圖1所示。

1.2 DSP主控單元

本智能溫度檢測系統采用TMS320C54x DSP芯片作為主處理器。TMS320C54x是TI公司生產(chǎn)的一款16位定點(diǎn)型DSP處理器，內部采用程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)分開(kāi)的增強型哈佛結構，存儲空間包括數據存儲空間、程序存儲空間、I/O空間，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的數字信號處理指令。TMS320C54x采用核電壓和外設電壓分開(kāi)供電的雙電壓供電模式，具有豐富的外設接口，內置看門(mén)狗定時(shí)器，提供多種程序固化方式。主處理器的選擇為系統的低功耗、功能擴展、產(chǎn)品升級提供了保障。

1.3 CPLD譯碼單元

CPLD(Complex Programmable Logic Device)為復雜可編程邏輯器件，是一種用戶(hù)根據自身設計要求而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法實(shí)現，生成相應的目標文件，通過(guò)下載電纜(“在系統”編程)將代碼傳送到目標芯片中，實(shí)現設計的數字系統。在本設計中，選用XILINX公司的XC95144XL-T0100芯片，用來(lái)完成系統硬件資源分配、邏輯譯碼、鍵盤(pán)掃描等工作，利用原理圖及VHDL硬件編程語(yǔ)言混合模式進(jìn)行譯碼實(shí)現，編譯環(huán)境為Xilinx ISE 10.1版本軟件。

1.4 智能手機單元

智能手機單元(GSM)采用Qisda公司的M33G模塊，此模塊具有開(kāi)放的44引腳接口，可以方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。M33G為串口通信模塊，在系統硬件設計時(shí)，選用16C450芯片實(shí)現并口到串口的轉換，使DSP處理器可以快速高效的與M33G通訊。在硬件設計時(shí)一定要考慮M33G模塊天線(xiàn)及SIM卡座的固定方式。本單元可實(shí)現遠程智能短信報警功能，此單元與系統的連接如圖2所示。(備注：系統中各功能單元的+5 V、+3.3 V、GND與系統的+5 V、+3.3 V、GND連接，不在圖中體現，下同。)

1.5 鍵盤(pán)掃描單元

鍵盤(pán)掃描單元由CPLD硬件描述語(yǔ)言VHDL程序設計實(shí)現，采用4x4鍵盤(pán)，自行定義鍵值。掃描輸入端共需四根信號線(xiàn)，掃描輸出端共需四根信號線(xiàn)，八條信號線(xiàn)均接到CPLD芯片上的I/O引腳，通過(guò)CPLD軟件譯碼實(shí)現鍵盤(pán)的功能，這樣的設計節省硬件資源，進(jìn)一步提高了系統的性?xún)r(jià)比。通過(guò)本單元實(shí)現遠程手機號碼的輸入、更改、刪除等功能。此單元與系統的連接如圖3所示。

1.6 液晶屏顯示單元

液晶屏顯示單元采用AM—17622液晶屏，AM—17622是臺灣晶采光電科技股份有限公司生產(chǎn)的2.0英寸TFT-LCD屏，具有白色LED背光，驅動(dòng)芯片采用HX8309，支持8/9/16/18位并行接口設計，并具有豐富的命令功能。本系統采用16位并行接口設計，與系統的連接如圖4所示。通過(guò)液晶屏可實(shí)時(shí)顯示監控的溫度值，在手機號碼的輸入、更改、刪除時(shí)，液晶屏顯示當前操作內容。

1.7 蜂鳴器/LED燈單元

蜂鳴器/LED燈單元在本系統中負責系統報警，當系統的溫度與設定溫度的偏差不在設定的控制范圍時(shí)，蜂嗚器/LED燈報警。設計中，利用TMS320C54x的XF、HD2引腳分別通過(guò)電流放大電路控制蜂鳴器和LED燈工作。

2 溫度檢測單元硬件設計

溫度傳感器選擇性?xún)r(jià)比較高的DS18B20芯片。該芯片是DALLAs公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)器件，能夠直接讀取被測物體的溫度值，電壓適用范圍為3～5 V。DS18B20抗干擾能力強，轉換精度高，接口電路簡(jiǎn)單，可實(shí)現多點(diǎn)組網(wǎng)測溫，給硬件設計工作帶來(lái)了極大的方便。

2.1 DS18B20特點(diǎn)

DS18B20提供9～12位精度的溫度測量，溫度測量范圍為-55～+125℃，在-10～85℃范圍內，測量分辨率為±0.5℃，增量值最小可為0.0625℃，電源供電范圍3.0～5.5 V。將測量溫度轉換為12位的數字量最大需要750 ms，DS18B20有外部供電和寄生電源兩種供電方式，采用信號線(xiàn)寄生供電，不需額外的外部供電，在需要遠程溫度探測和空間受限的場(chǎng)合特別有用。每個(gè)DS18B20有唯一的64位序列號，這使得可以有多個(gè)DS18B20同時(shí)在一條單總線(xiàn)上工作。

2.2 硬件電路

DS18B20與TMS320C54x DSP處理器的硬件接口連接極其簡(jiǎn)單，設計中DSl8820采用外部3.3 V電源供電，與TMS320C54x DSP處理器的外設供電電壓一致;DS18B20的關(guān)鍵信號線(xiàn)與TMS320C54x DSP的一條GPIO口相連，利用GPIO口的雙向輸入輸出特性完成對DS18B20芯片的讀寫(xiě)功能，選用TMS320C54x DSP外設HPI主機接口單元的數據引腳HD1與其連接，將HD1引腳配置成通用輸入輸出功能，實(shí)現DS18B20芯片對溫度的適時(shí)采集：DQ信號線(xiàn)需加4.7 KΩ的上拉電阻，保證HD1數據線(xiàn)的驅動(dòng)能力。DS18B20的GND端與系統的GND相連即可。

3 溫度檢測軟件實(shí)現

基于DSP的智能溫度檢測系統整體實(shí)現的流程如圖6所示。

DS18B20芯片對時(shí)序和電性參數要求很高，在軟件程序編寫(xiě)時(shí)，必須嚴格遵守其工作時(shí)序，任何一個(gè)環(huán)節有誤，DS18B20均不能正常工作。本系統采用一個(gè)DS18B20芯片，在軟件程序編寫(xiě)時(shí)可以忽略對序列號的讀取。當硬件中增加溫度節點(diǎn)控制時(shí)，需要對多個(gè)DS18B20進(jìn)行溫度采集，可以通過(guò)讀取DS18B20序列號用匹配ROM指令按順序依次訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)傳感器，實(shí)現對各個(gè)傳感器的溫度采集。在DS18B20芯片復位時(shí)，如果芯片復位不成功，DS18B20就不會(huì )產(chǎn)生應答信號，應用數字示波器跟蹤檢查其工作時(shí)序是否正確。溫度檢測單元軟件實(shí)現的流程如圖7所示。

4 結論

基于DSP的智能溫度檢測系統經(jīng)實(shí)驗驗證可以實(shí)時(shí)檢測當前環(huán)境的溫度值，測量結果誤差小、精度高，并且可以通過(guò)顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示測量結果，當系統檢測到當前溫度大于或小于設定的溫度閾值范圍時(shí)，系統通過(guò)現場(chǎng)蜂鳴器/LED燈報警或通過(guò)遠程智能短信進(jìn)行報警.該系統可實(shí)現多個(gè)溫度節點(diǎn)組網(wǎng)測溫，省去了ZigBee組網(wǎng)通信技術(shù)，提高了系統的性?xún)r(jià)比，為農業(yè)實(shí)現智能化管理奠定了一定的技術(shù)基礎，該智能溫度檢測系統具有良好的經(jīng)濟性和實(shí)用性。