基于DSP的智能溫度檢測系統(tǒng)設計

摘要：為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化管理，本文基于DSP技術利用節(jié)點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、實用型溫度檢測系統(tǒng)。結果證明，該系統(tǒng)可實時檢測環(huán)境溫度，報警靈敏，可廣泛應用在農(nóng)業(yè)及其他領域。

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，農(nóng)業(yè)正朝著智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。“智慧農(nóng)業(yè)”就是充分應用現(xiàn)代信息技術成果，集成應用計算機與網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、音視頻技術、無線通信技術及專家智慧與知識，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化管理。溫度作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一個重要指標，溫度檢測系統(tǒng)是智能農(nóng)業(yè)的一個子系統(tǒng)。以DSP技術為核心，利用接口簡單、性能穩(wěn)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(xiàn)場蜂鳴器報警、遠程智能短信報警、溫度值實時顯示、溫度節(jié)點可擴展等功能的溫度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領域可廣泛進行應用推廣。

1 智能溫度檢測系統(tǒng)

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

1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)整體方案

本智能溫度檢測系統(tǒng)主要由DSP主控單元、CPLD譯碼單元、鍵盤掃描單元、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(tǒng)檢測的溫度高于或低于設定的閾值，系統(tǒng)可通過現(xiàn)場的蜂鳴器報警，或通過智能手機模塊將信息遠程發(fā)送。溫度閾值和系統(tǒng)發(fā)送的手機終端號碼均可通過鍵盤掃描單元設定或修改，液晶屏顯示操作進程。

該系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 DSP主控單元

本智能溫度檢測系統(tǒng)采用TMS320C54x DSP芯片作為主處理器。TMS320C54x是TI公司生產(chǎn)的一款16位定點型DSP處理器，內(nèi)部采用程序總線和數(shù)據(jù)總線分開的增強型哈佛結構，存儲空間包括數(shù)據(jù)存儲空間、程序存儲空間、I/O空間，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的數(shù)字信號處理指令。TMS320C54x采用核電壓和外設電壓分開供電的雙電壓供電模式，具有豐富的外設接口，內(nèi)置看門狗定時器，提供多種程序固化方式。主處理器的選擇為系統(tǒng)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，是一種用戶根據(jù)自身設計要求而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法實現(xiàn)，生成相應的目標文件，通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設計的數(shù)字系統(tǒng)。在本設計中，選用XILINX公司的XC95144XL-T0100芯片，用來完成系統(tǒng)硬件資源分配、邏輯譯碼、鍵盤掃描等工作，利用原理圖及VHDL硬件編程語言混合模式進行譯碼實現(xiàn)，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，此模塊具有開放的44引腳接口，可以方便用戶進行二次開發(fā)。M33G為串口通信模塊，在系統(tǒng)硬件設計時，選用16C450芯片實現(xiàn)并口到串口的轉(zhuǎn)換，使DSP處理器可以快速高效的與M33G通訊。在硬件設計時一定要考慮M33G模塊天線及SIM卡座的固定方式。本單元可實現(xiàn)遠程智能短信報警功能，此單元與系統(tǒng)的連接如圖2所示。(備注：系統(tǒng)中各功能單元的+5 V、+3.3 V、GND與系統(tǒng)的+5 V、+3.3 V、GND連接，不在圖中體現(xiàn)，下同。)

1.5 鍵盤掃描單元

鍵盤掃描單元由CPLD硬件描述語言VHDL程序設計實現(xiàn)，采用4x4鍵盤，自行定義鍵值。掃描輸入端共需四根信號線，掃描輸出端共需四根信號線，八條信號線均接到CPLD芯片上的I/O引腳，通過CPLD軟件譯碼實現(xiàn)鍵盤的功能，這樣的設計節(jié)省硬件資源，進一步提高了系統(tǒng)的性價比。通過本單元實現(xiàn)遠程手機號碼的輸入、更改、刪除等功能。此單元與系統(tǒng)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(qū)動芯片采用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(tǒng)采用16位并行接口設計，與系統(tǒng)的連接如圖4所示。通過液晶屏可實時顯示監(jiān)控的溫度值，在手機號碼的輸入、更改、刪除時，液晶屏顯示當前操作內(nèi)容。

1.7 蜂鳴器/LED燈單元

蜂鳴器/LED燈單元在本系統(tǒng)中負責系統(tǒng)報警，當系統(tǒng)的溫度與設定溫度的偏差不在設定的控制范圍時，蜂嗚器/LED燈報警。設計中，利用TMS320C54x的XF、HD2引腳分別通過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

溫度傳感器選擇性價比較高的DS18B20芯片。該芯片是DALLAs公司生產(chǎn)的單總線器件，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(zhuǎn)換精度高，接口電路簡單，可實現(xiàn)多點組網(wǎng)測溫，給硬件設計工作帶來了極大的方便。

2.1 DS18B20特點

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(nèi)，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(zhuǎn)換為12位的數(shù)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合特別有用。每個DS18B20有唯一的64位序列號，這使得可以有多個DS18B20同時在一條單總線上工作。

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的關鍵信號線與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芯片的讀寫功能，選用TMS320C54x DSP外設HPI主機接口單元的數(shù)據(jù)引腳HD1與其連接，將HD1引腳配置成通用輸入輸出功能，實現(xiàn)DS18B20芯片對溫度的適時采集：DQ信號線需加4.7 KΩ的上拉電阻，保證HD1數(shù)據(jù)線的驅(qū)動能力。DS18B20的GND端與系統(tǒng)的GND相連即可。

3 溫度檢測軟件實現(xiàn)

基于DSP的智能溫度檢測系統(tǒng)整體實現(xiàn)的流程如圖6所示。

DS18B20芯片對時序和電性參數(shù)要求很高，在軟件程序編寫時，必須嚴格遵守其工作時序，任何一個環(huán)節(jié)有誤，DS18B20均不能正常工作。本系統(tǒng)采用一個DS18B20芯片，在軟件程序編寫時可以忽略對序列號的讀取。當硬件中增加溫度節(jié)點控制時，需要對多個DS18B20進行溫度采集，可以通過讀取DS18B20序列號用匹配ROM指令按順序依次訪問各個傳感器，實現(xiàn)對各個傳感器的溫度采集。在DS18B20芯片復位時，如果芯片復位不成功，DS18B20就不會產(chǎn)生應答信號，應用數(shù)字示波器跟蹤檢查其工作時序是否正確。溫度檢測單元軟件實現(xiàn)的流程如圖7所示。

4 結論

基于DSP的智能溫度檢測系統(tǒng)經(jīng)實驗驗證可以實時檢測當前環(huán)境的溫度值，測量結果誤差小、精度高，并且可以通過顯示屏進行實時顯示測量結果，當系統(tǒng)檢測到當前溫度大于或小于設定的溫度閾值范圍時，系統(tǒng)通過現(xiàn)場蜂鳴器/LED燈報警或通過遠程智能短信進行報警.該系統(tǒng)可實現(xiàn)多個溫度節(jié)點組網(wǎng)測溫，省去了ZigBee組網(wǎng)通信技術，提高了系統(tǒng)的性價比，為農(nóng)業(yè)實現(xiàn)智能化管理奠定了一定的技術基礎，該智能溫度檢測系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性和實用性。