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基于MSP430单片机的温度采集报警系统的设计
摘要
温度控制仪表具有广泛的应用前景，在各种行业中都占有重要的位置，越来越多的领域应用到以单片机为控制核心，用液晶显示作为显示终端的数字化控制设备，通过单片机对被控对象进行智能控制。
本设计是从降低开发成本、扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性的设计目的出发，采用MSP430F149单片机为控制核心、以单线数字温度传感器DS18B20来完成温度信号的采集、温度以数宇的方式显示在LCD1602液晶上，最终实现温度的采集、显示。
并重点阐述了系统的硬件构成和软件编程的设计过程。
其中硬件构成有六部分:
电源及复位模块、采集模块、报警模块、键盘输入模块和显示模块。
MSP430F149是一种16位内含FLASH型芯片的单片机，具有高速运算、开发设备简便、可现场编程等特点，这给控制系统的设计带来了极大的便利性。
各个模块的电路原理图都由protel来完成。
关键词:
MSP430F149；温度控制；DS18B2O；LCD1602
Abstract
Temperaturecontroltheappearanceprospect,invariousindustrieswilloccupyanimportantposition,moreandmorefieldstoamonolithicintegratedcircuitstocontroltheuseledasadisplayterminalequipmentbysomemonolithicintegratedcircuitstocontroltheobjectisintelligentcontrol.
Thedesignistoreducecosts,expandthedevelopmentofthescopeandthesystemrunningstability,reliability,designedbyMSP430F149monolithicintegratedcircuitstocontrolthetemperaturesensorandfiguresDS18B20tocompletethetemperatureofthecollection,thetemperatureinthenumberofwaysinleddisplayLED1602,achievethetemperatureofthecollectionanddisplayandpolice.Theminimumtemperaturevaluesbasedonactualrequirements,thekeyboardforset,forautomatictemperaturecontrolandotherfunction,andthehardwareandsoftwaresystemoftheprogrammingprocessthedesignofhardwaretoconstituteapartofsixmodules,powerandresetsthecollected,keyboard,themoduledisplaymoduleand.
MSP430F149isa16-bitflashchipsincludingthetypeofoperationofamonolithicintegratedcircuits,thedevelopmentofdeviceeasy,butthecharacteristicsandprogrammingforthecontrolsystemdesignagreatconvenience.,allmodulesofaschematicdiagramofacircuitareproteltocomplete.
Keywords:
MSP430F149；temperaturecontrol；DS18B20；LCD1602
第1章绪论
本章简要介绍单片机技术在工业上的主要应用，MSP430单片机的概述及特点，以及课题研究的主要内容及论文安排。
1.1MSP430单片机概述
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
称之为混合信号处理器，主要是其针对实际应用需求，把许多模拟电路，数字电路和微处理器集成在一个芯片上。
德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31X、32X、33X等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。
每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。
EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。
这也表明了这几个系列的开发模式，即：
用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。
2000年推出了11X/11X1系列。
这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。
这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。
它的许多重要特性如：
片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33x系列才具备。
33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。
当用户设计需要更多考虑成本时，33x并不一定是最适合的。
而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。
2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。
这些全部是Flash型单片机。
F41x系列单片机有48个I/O口，96段LCD驱动。
F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。
并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址,为以后的发展拓展了空间。
MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。
TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。
这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。
2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。
这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。
TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。
在这一新的系列中，有了两个方面的发展。
一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。
二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块[13]。
1.2MSP430的特点[1]
1、处理能力强
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址），简介的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；还有高效的查表处理命令。
这些特点保证了可以编制出高效的源程序。
2、运算速度快
MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合,能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
3、超低功耗
MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。
其次，独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：
基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。
可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。
并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。
在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。
4、片内资源丰富
MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。
其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
5、方便高效的开发环境
MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。
对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的、FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
1.3课题研究的主要内容
1.3.1研究内容
本设计以实现基于MSP430单片机的温度测量为主要目标，主要内容有：
1、MSP430的结构及工作原理；
2、温度测量的控制方法；
3、控制系统所需的控制电路，设计控制系统；控制电路主要由MSP430F149单片机、DS18B20温度传感器，LCD1602.
4、系统原理图、方框图和线路图等。
1.3.2论文安排
（1）原理部分：
第1章主要介绍了MSP430单片机的特点，结构和工作原理。
（2）硬件电路部分：
第3章详细介绍了系统的硬件电路图，MSP430的结构图及外围电路。
（3）软件部分：
介绍了系统的软件流程图。
第2章系统总体方案设计
本章主要介绍系统的原理图以及测量原理，然后介绍本设计的核心部件MSP430F149单片机和单线数字温度传感器DS18B20。
2.1控制系统的原理图
本设计的控制系统主要包括五部分：
采集模块，键盘输入模块，电源及复位模块，报警模块，显示模块，具体结构如图2-1所示。
图2-1控制系统原理图
2.2温度测量原理
本设计的原理是:
温度采集系统主要通过单线数字温度传感器DS18B20采集得到温度数据，MSP430F149作为CPU从温度传感器读取数据，将得到的数据进行判断然后做相应处理，比如显示或报警。
温度传感器通过某种关系的换算，就可以得到温度传感器的输出电压，这样单片机通过模拟口采集得到传感器的输出电压[1]。
由于MSP430F149片内集成了A/D转换通道，这样可以直接将单片机的A/D输入通道与传感器的模拟电压输出通道相连接另外系统通过键盘输入来完成对报警温度上下限的设置，通过显示电路将得到的数据显示出来，当温度超过上限和下限的时候，系统进行报警，报警是通过驱动一个蜂鸣器来实现的。
下面一部分将具体介绍系统的构成。
该系统主要有传感器采集模块、键盘输入模块、电源及复位模块、报警模块及显示模块，分别有P2.6、P1.0-P1.7、RESET、P2.5、P2.2-P2.4和P4.0-P4.7控制。
系统框图如图2-1所示。
由图2-1可以看出，整个系统具有结构简单等特点。
传感器模块与单片机的A/D通道进行连接，这样可以简化模拟采集的设计，从而减小设计的复杂性，增加系统的可靠性。
键盘输入模块是通过单片机的Pl口来实现的，由于Pl口中断功能，所以实现起来非常容易，并且也非常适合软件编程。
电源及复位模块主要是为整个系统提供可靠的电源，另外考虑到系统工作需要有复位功能，因此也为系统提供复位信号。
2.3MSP430F149单片机
本设计采用MSP430F149单片机作为核心部件。
2.3.1MSP430F149的组成
●基础时钟模块，包括一个数控振荡器（DCO）、一个高速晶体振荡器（最高8MHz）和一个低速晶体振荡器（32768Hz）。
●看门狗定时器WatchTimer，可用作通用定时器。
●带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A3。
●带有7个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_B7。
●两个具有中断功能的8位并行端口;P1与P2。
●四个8位并行端口;P3、P4、P5与P6。
●模拟比较器compator_A。
●2位200kbps的A/D转换器ADC12，自带采样保持。
●两通道串行通信接口可用于异步或同步（USART0、USA1T1）。
●一个硬件乘法器。
[2]
2.3.2MSP430F149的特点
●低电压（电压范围是1.8v-3.6v}，超低功耗（2.2v1MHz280uA）。
●超低功耗。
在休眠条件下上作电流只有0.8uA;;就是在（2.2v、1MHz）条件下电流只有280uA。
●使用中断请求将CPU从低功耗模式下唤醒时间：
6us
●快速的指令执行时间。
MSP430F149为16位RISC结构，指令周期为150ns。
●片内有12位A/D转换器，片内提供参考电压。
A/D转换器具有采样保持和自动扫描特点。
●具有灵活的时钟设计。
●方便的调试功能。
●单片机是FLASH型的，可以实现写入和擦除，再加上次单片机提供JTAG口，能实现能很好的在线调试仿真功能。
通过集成的IDE开发环境，使用户很容易调试程序。
●片内提供模拟信号比较器、较多的储存器。
●串口通信模块，USART0USART1。
●提供Pl.0--P6.0六个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。
●安全熔丝的程序代码保护。
2.3.3MSP430F149的定时器及转换模块
在MSP430F149中有一个16位定时器和一个12位转换模块ADC12。
16位定时器可以用作看门狗定时器，实现在秒数量级上的定时。
其中有2个中断向量，便于处理各种定时中断。
另外，定时器还具有捕获模式，我们可以通过定时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量。
12位A/D转换用到2个参考电平，即Vr+和Vr--，作为转换范围的上下限和读数的量程值和0值。
转换数值在输入信号大于等于Vr+时为满量程，小于等于Vr-时为’0’。
ADC12有4种工作模式。
可以在单通道上实现单次转换或多次转换，也可以在序列通道上实现单次转换或重复转换。
对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。
转换的结果保存在16个转换寄存器中，这样ADC12可以进行多次转换而不需要软件干顶，这一点提高了系统性能，也减少了软件开销[2]。
MSP430F149单片机管脚如图2-2所示：
图2-2MSP430F149单片机管脚
2.4单线数字温度传感器DS18B20
美国DALLS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，它是一种智能温度传感器，可把温度信号直接转换成数字信号供微机处理。
由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线[4]。
读出及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外的电源。
DS18B20提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。
2.4.1DS18B20的技术性能：
●独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
●测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。
●支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。
●工作电源:
3-5V/DC。
●在使用中不需要任何外围元件。
●测量结果以9-12位数字量方式串行传送。
●不锈钢保护管直径Φ6。
●适用于DN15-25,DN40-DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。
●标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2任选。
●PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
●适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2.4.2DS18B20的应用范围
●该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。
●轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。
●汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
●供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。
2.4.3DS18B20产品型号与规格
温度传感器DS18B20共有三种型号，分别为TS-18B20，TS-18B20A，TS-18B20B，各种型号的具体性能及参数如表2-1所示。
表2-1DS18B20产品型号与规格
型号
测温范围
安装螺纹
电缆长度
适用管道
TS-18B20
-55~125
无
1.5m
-------
TS-18B20A
-55~125
M10X1
1.5m
DN15-25
TS-18B20B
-55~125
1/2G
接线盒
DN40-60
2.4.4温度传感器DS18B20特点
●单线接口，仅需一根口线与CPU连接可以实现双向通信
●无需外围元件
●由总线提供电源，电压范围3.0V5.5V
●调温范围为-55℃~125℃，固有测温分辨率为0.5℃
●通过编程可以实现九位数字温度读数
●负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧坏，但不能正常工作
2.4.5DS18B20使用中注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。
2、在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
2.4.6温度传感器DS18B20内部结构
温度传感器DS18B20内部结构：
DS18B20采用三脚PR35封装如图2-2所示，其内部框图如2-3所示[5]。
64位的ROM开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号共计48位，最后8位是前56位的CRC校验码。
高速缓存器存储器包含一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EP2RAM。
配置寄存器为高速缓存器中的第五个字节，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，各位字节的定义如表2-2示：
表2-2各位字节的定义
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
后五位一直是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是测试模式，在DS18B20出厂时被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，也就是设置分辨率。
图2-3DS18B20三脚PR35封装
图2-4DS18B20内部结构图
在温度进行计算时，以12位转换位数为例：
对于正的温度，只要将测到的数值整数部分取出，转换为十进制，再将小数部分乘以0.0625就可以将得到的十进制的小数位的温度值了。
而对于负的温度，则需要将采集到的数值取反加1，即可以得到实际温度的十六进制表示。
在按照正温度的计算方法就可以得出十进制的负的温度了[6]。
如表2-3及表2-4所示。
表2-3DS18B20温度寄存器格式
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
bit0
LSByte
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
LSByte
S
S
S
S
S
26
25
24
表2-4部分温度值
温度/℃
二进制表示
16进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+25.0625
0000000110010001
0191H
+0.5
0000000000001000
0008H
0
0000000000000000
0000H
-0.5
1111111111111000
FFF8H
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
2.5数据采集系统
该系统采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20来采集温度数据，作为单片机MSP430149的温度传感器，该芯片有很多优点，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。
由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线（单线接口）。
由于该系统采用DS18B20作为温度采集传感器，这部分电路就比较简单了，图2-5为温度采集电路。
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