基于msp430的体温测量仪设计 学位论文.docx

基于msp430的体温测量仪设计 学位论文.docx

《基于msp430的体温测量仪设计 学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于msp430的体温测量仪设计 学位论文.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于msp430的体温测量仪设计学位论文

本科生毕业论文（设计）

题目基于MSP430的体温测量仪设计

学生姓名高兴乐

学号20121321030

学院电子与信息工程学院

专业电子科学与技术

指导教师李敏

二Ｏ一六年5月20日

基于MSP430的体温测量仪的设计

高兴乐

南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京210044

摘要：

随着人们生活水平的提高，对于自身的健康问题变得越来越关注。

而体温作为检测人体健康状况的一个必备的体征数据一直以来都备受关注。

传统体温计无法快速测出人体体温，故设计一种基于msp430单片机控制的电子体温计，实现了实时、快速、简易地测量与显示人体温度的功能。

本设计主要由MSP430单片机控制模块、电源电路模块、温度检测和A/D转换电路模块，温度值液晶显示模块组成，单片机控制模块采用msp430单片机实现对系统的自动控制。

温度采集模块是通过NTC热敏电阻来采集外界温度，然后转换为电压信号。

电压信号由数字和模拟转换电路中的AD7799芯片完成数字信号和模拟信号两者之间的转换，数字信号通过采集电路采集进入单片机内。

然后单片机将接受的温度大小显示在LCD1602液晶显示屏。

关键词：

MSP430单片机；AD7799；NTC热敏电阻；温度

TheDesignOfTheThermometerBasedOnMSP430

Xinglegao

ElectronicandInformationEngineeringCollege，NUIST，Nanjing210044，China

Abstract:

Becauseofthecontinuousimprovementofthequalityoflife,peoplepaymoreandmoreattentiontotheirhealth.Bodytemperatureasanessentialsignofthehumanbody'shealthconditionhasbeenconcernedaboutallthetime.Thetraditionalthermometercannotmeasuringbodytemperaturequickly.SothedesignofanelectronicthermometerbasedonMSP430singlechipisnecessary.Ｉｔrealizeareal-time,fastandeasytomeasureanddisplaythetemperatureofthehumanbodyfunction.Thisdesignismainlycomposed oｆthesinglechipmodule、powersupplycircuit　module、temperaturedetectionandＡ/Dconversioncircuitmodule．thetemperaturemoduleGatheringoutsidetemperature　by　NTCthermistor.theMCUcontrolmoduleusingMSP430singlechipmicrocomputertorealizetheautomaticcontrolofthesystem.ThemoduleselectsNTCthermistortocollecttheexternaltemperatureandconvertstothelinearvoltagesignal.LinearvoltagesignalbytheA/DconversioncircuitmoduleintheAD7799completeA/Dconversion,thedigitalsignalissenttothehostoftheautomaticcontrolmodule.ThetemperaturenumberwillbedisplayedontheLCDscreen.

Keywords:

MSP430MCU;AD7799;NTCThermistor;Temperature

目录

目录3

第1章绪论4

1.1研究背景及意义4

1.2功能及方案分析4

第2章设计方案论证5

2.1设计方案的选择5

2.2各模块部分的基本设计原理7

2.2.1单片机主控模块7

2.2.2体温测量模块7

2.2.3显示模块8

3.硬件系统设计9

3.1主要元器件工作原理简介9

3.1.1MSP430F149单片机9

3.1.2NTC热敏电阻10

3.1.3AD7799的原理11

3.1.4LCD1602液晶显示器介绍13

3.2硬件电路设计13

3.2.1电源稳压电路13

3.2.2MSP430复位电路14

3.2.3MSP430晶振电路15

3.2.4信号采集电路和信号与温度的转换电路15

3.2.5显示电路设计17

4.软件系统设计17

4.1系统整体主程序流程图17

4.2温度得测量与换算子程序流程图18

5.系统测试19

5.1硬件测试20

5.1.1分单元的模块测试20

5.1.2系统的整体测试20

5.3硬件与软件的进行联机测试20

5.4测试的数据和结果分析20

5.4.1测试数据20

5.4.2结果分析21

总结21

致谢23

第1章绪论

温度是客观存在的物理学标量，它不断影响着人民的生活，温度的概念可以说无处不在，小到一个具体事务，大到整个自然环境都有着自己的温度值。

对于人体温度的测量始于l6世纪。

那个时候赛特瑞发现，空气受到热量后会不断膨胀，研制出了第一支通过人的口腔温度来进行温度大小检测的设备（5）。

20世纪初，人们发现水银的熔点和沸点都在常温以外，而且水银很容易受热膨胀，非常适合做温度计。

因而水银开始被用来制作体温计，至到今天，水银体温计在临床测体温时还有着十分广泛的运用。

但水银温度计的弊端随着它的大量使用也愈加明显，如水银的污染严重，测体温周期长，刻度读数精度不够等。

所以现在人们也在积极的寻求一种方便快捷的测体温方式，这时，电子体温计应运而生。

1.1研究背景及意义

由于人们的生活质量不断地改善，大家开始越来越重视自己的身体健康状态。

与此同时，体温又是反映身体健康状况的一个必不可少的体征数据，这样一来，对体温的测量就显得尤为重要。

由于利用水银测体温的原理和设计相对方简便、测量精度又足以满足日常使用，所以它的在很多邻域都有所应用。

但是用它在进行体温测量时的流程比较复杂。

例如，水银体温计每次使用时必须手动（大幅度甩动温度计）清除上次测量的数据残留，而且水银体温计大多用于直接接触人体腋下皮肤，这就使测量难免有点麻烦。

同时最重要的是汞是一种重金属，它对人体的危害极大，体温计一旦不慎打碎，污染太严重等等其他问题，为了能够实现人体体温的精确测量，人们不断研制出各种设备。

一直到现在，电子体温计已经走进了许多医院的大门，而其余相关电子仪器测量体温的方式也越来越受到关注。

随着单片机技术的日趋成熟与各种传感器配合应用，市场上出现种类繁多的电子体温计（3）。

按体温计原理分有电子体温计和红外遥感体温计两种。

电子体温计和红外遥感体温计分别是利用热敏电阻和黑体辐射来判断温度。

红外遥感温度计量程更加宽广多用于工业生产中而红外温度传感器与物体辐射式非线性关系，因此红外传感器测量误差较大

（2）。

而人体温度的测量中对于体温测量要求精度很高，故设计一款电子温度计利用高精度AD模块实现误差在0.05℃。

1.2功能及方案分析

因此，鉴于传统的水银体温计诸多缺点，在运用数字集成电路技术和相应的数字信号处理技术的基础上，课题设计出一种数字式电子体温计。

设计功能：

当用采集数据的触头接触人体的腋窝处时仪器的显示屏能快速显示人体的体温，同时具有复位功能。

设计原理：

以MSP430单片机作为系统的主控核心，外接传感器、AD模块为辅助。

对于体温测量，温度控制模块选用NTC热敏电阻来采集外界温度，通过事先设计的电路转来采集电压信号。

通过外接的AD7799模块接受电压信号完成模数转换，将转化得到数字信号送入MSP430F149单片机的主机中，在单片机内部利用计算好的温度-电压公式反求温度，然后将温度值传输到LCD液晶屏上并显示出来。

第2章设计方案论证

体温数据测量仪的设计通常利用三种传感器来测量，下面是通过利用三种不同传感器设计三种不同的设计方案（13）。

2.1设计方案的选择

方案一：

利用热电偶组成的温差电路，温度检测元件通常使用低温的热电偶，它是将两根不同的金属导线焊接在一起，首先我们要将参考温度设置低于我们要测量的温度，通过测量此时热电偶两端的电压大小，便可通过相关公式推算出检测结点处的温度。

数据采集模块是一自带A/D转换通道的单片机，它的基本原理是将伴随着环境温度变化，导致的热电偶两端的电压或者电流的信号，反馈给单片机，单片机通过数字转换为模拟模块，就可以将采集的电压或电流信号转化为数字信号，再利用热电偶电压温度关系就能换算出实际温度，最后将被测温度显示于显示器上。

系统包含模拟信号转换为数字信号，对采集的到的温度进行处理并且显示出温度的大小，这些功能作用由单片机的I/O口输入单片机进行处理。

除此之外还有晶振和单片机复位的电路。

用到的外设有，四脚按键进行手动复位，中央处理的芯片型号为51系列。

控制的对象有数码管和报警装置电路。

整体结构图，如下图2-1所示。

图2-1热电偶温度采集整体电路图

方案二：

由DS18B20温度传感器进行温度测量。

DS18B20温度传感器可以直接将温度转化为数字信号发送到单片机。

系统可以利用单片机可以直接将温度传感器DS18B20测量得到的数字信号转化并传输到显示器上，可以快速测量环境温度。

该系统易于扩展，将得到的数据信息，由max232和RS232两者之间进行串口数据通信，从而可以将采集到的数据进行快捷的处理（7），系统总体框图如下图2-2所示。

图2-2DS18B20进行温度测量的整体结构图

方案三：

温度信号经过NTC热敏电阻传感器采集转换成相应的电压信号，经过AD7799模块将该模拟信号转换成数字信号，通过并口送入到主机。

主机处理这些信号后得出此时的温度值，并通过LCD液晶显示屏显示出来。

系统框图如图2-3所示。

图2-3NTC热敏电阻测温系统框图

相比较而言：

方案一：

热电偶模块内部结构不复杂而且惯性小对于温度测量范围也相应宽广。

但热电偶测温时容易受到外界环境的信号干扰，会出现比较大的实际误差，不适合测量微小的温度变化，并且它体积较大，价格高。

而电子体温计设计的要求易用，方便携带，体积小，而且测量温度变化范围较小、精度要求要高，故不用采用。

方案二：

由于DS18B20温度传感器的功能相当强大，故该测温系统的电路设计相对简单、同时可测量的温度范围比较大、测量精度较高，但DS18B20精度很差，一般误差在0.1℃，对于人体体温计来说误差较大。

方案三：

采用集NTC热敏电阻。

经过AD7799模块温度采集具有测量精度高、对温差灵敏度高、设备体积小、操作使用方便等优点。

按照实际设计需求，采用方案三来进行设计电子体温计。

2.2各模块部分的基本设计原理

由原系统理框图图2-3可以看出，本论文主要由以下几个部分组成：

单片机控制部分，人体温度的测量部分和温度显示部分。

2.2.1单片机主控模块

本设计主控模块选用单片机MSP430F149。

MSP430单片机是实验常用芯片之一，扩展性高，可以外接多种模块（8）。

特点：

①低电压、超低功耗。

单片机的工作电压1.8V~3.6V，在待机时电流微弱，大大降低了温度计的功耗。

延长温度计使用时间。

②在使用时单片机激活使用实际时间只需要6μS，提高了实际使用效率。

③单片机命令周期125nS，可以更快的运行程序。

2.2.2体温测量模块

模块主要包含测温电路和信号转换的AD7799部分。

下面主要介绍测量的原理和温度的换算方法

（1）。

（一）测温原理：

通过设计电路采集（将NTC热敏电阻与一个阻值为10KΩ的电阻串联）其中热敏电阻上的电压信号，然后通过高精度的AD7799转换器将其转换成数字信号，再输入单片机中处理，利用实现编写的单片机内部的程序先计算此时热敏电阻的电阻值，最后再根据一定的换算公式求出此时对于的热敏电阻所处的环境的温度，并将之显示于液晶显示器上。

（二）温度换算的方法

由上述原理可知，论文的一个关键部分在于，如何根据热敏电阻的实时电阻值来计算相应的环境温度。

让我们先来介绍下NTC热敏电阻的所处的温度与其实时的电阻值的相应关系。

先介绍一个NTC热敏电阻的专业概念--零功率电阻值

（Ω）：

是一个特定的温度下，在做到采集影响的误差对相比较整体的结果可以忽略的电子阻值，电阻的大小和温度波动的关系式为：

（2-1）

2-1公式中，

是热敏电阻在温度T下的阻值，

是热敏电阻在

常温下的标称阻值；B值是热敏电阻的重要参数；这里T和

指的是K度即开尔文温度，K度=273.15（绝对温度）+摄氏度；

例如一个GT502F2730型号的热敏电阻

　GT代表热敏电阻是玻璃封装，502表示在25度时热敏电阻阻值为5K，F表示该电阻的阻值允偏差为±1%，最后的2730表示该电阻的B值为2730K

　　那它的

=5000,

=273.15+25，B=2730,

在我们得出热敏电阻的其他系数时，当得到具体的温度值T就可以用公式求出在向对应热敏电阻的阻值。

当然我们通常使用的温度都是摄氏度，而公式中使用的的是华氏度，所以先把摄氏度转化为K度再进行换算。

例如摄氏度温度是零上30摄氏度，那么T华氏度就应该是（273.15+20）。

反过来，由此次设计的原理可知，在采集到的T温度下的热敏电阻的阻值，由上述公式我们就能反求出这个温度T。

当然求出的T是K度，还必须化为摄氏度。

但是在实际情况中，热敏电阻的重要参数B值却不一定是恒定不变的，材料的差异导致其值就不尽相同。

因而当测量环境的温差变化比较大时利用公式2-1但是总会有误差的存在。

而且，若把公式2-1中的B的大小用式2-2所示方法计算出的值代替的话，则可明显提高测量值准确度，缩小与实际值之间的差异，二者是近似相等的。

（2-2）

上面的公式中，C、D、E为常数。

除此之外，由于B的大小很容易受到各种影响，从而使E的大小也发生不断地变化，但是按照电阻计算公式，在C、D不变的情况下，只要掌握来常数E的变化值也就可以知道B的值了。

对于C、D、E值的大小进行计算如下：

C、D、E的数值大小，可以通过采集四个不同的点，获得它们的温度和电阻值，例如（

）、（

）、（

）和（

），通过式2-3～2-6计算。

首先由式2-3根据和

、

、

、

的电阻值求出

、

、

然后代入以下各式样。

（2-3）

（2-4）

（2-5）

（2-6）

这样一来对一个NTC热敏电阻在常温环境下可以先通过4组温度与电阻值的关系由式2-2求得B值，这样可以大大提高后面程序中计算温度时的精度。

2.2.3显示模块

在整个系统程序正常运行的情况下，必须得对温度进行实时一对一显示，但是比较常规的显示有下面两种方案（9）。

方案一：

用液晶进行温度显示。

液晶屏（LCD1602）散发的热量小，而且功率很低，方便进行屏幕调节方便等优势符合体温计的硬件要求，同时屏幕的可视面积大，不仅仅能够显示数字还可以显示中文汉字及各种数量单位。

在显示时可以明确表达出各种数据的涵义。

方案二：

使用传统的数码管显示。

数码管是一种半导体发光器件，它是利用多个发光二极管来显示数字，可以通过对数码管不同的管脚输入相对的电流来使其发亮，发光，通过控制发光二极管发光的个数和位置来组成阿拉伯数字。

能够显示包括时间、日期、温度在内的所有可用数字表示的参数。

数码管价格实惠，在电器方面使用广泛，但无法显示除数字外其他内容，而且内容显示单一，实验时如果想显示人体的温度、人体的血压、还有人体的脉搏时，数码管不能正常显示。

因为体温计设计的要求来看，最后还是选择1602LCD液晶显示器更加适合。

3.硬件系统设计

设计人体体温测量仪的硬件包括这几个模块：

复位电路、电源稳压电路、晶振电路、体温测量电路和显示电路（16）。

本设计采用单片机MSP430F149，NTC热敏电阻，高精度AD779，1602LCD液晶屏显示的部分。

下面对本论文设计中用到的一些模块芯片进行介绍。

3.1主要元器件工作原理简介

3.1.1MSP430F149单片机

MSP430单片机集成多个模拟电路、数字电路和微处理器。

实验中可以利用单片机内部的电路控制其他模块，并在单片机内部实现数据的接受、处理和发送，所以单片机又被称为混合信号处理器（8）。

（一）特性

运算速度快：

MSP430系列单片机的指令周期只有40ns。

因此使用430单片机时可以更快的执行程序。

在接受、处理数据时拥有更高的反应速度，能够实时显示温度。

超级低的功率损耗：

因为msp430单片机很低的电压就可以正常工作，并提高运行时钟灵活性进而降低MSP430功耗。

可以将AD7799工作电压和单片机的工作电压都设置为3.3V电压降低系统的繁琐程度。

当单片机工作的时钟在1MHz时，那么我们可以单片机的工作电流保持在165uA左右。

片内资源丰富：

MSP430系列单片机内部带有非常多的中断源，我们通过对控制对象的需求进行合理的选择。

减小实际使用过程中对于软件进行设计部分的工作量。

（二）单片机MSP430F149的最小系统部分

如图3.1所示，第8根脚和第9根引脚外接一个晶体震荡设备，外接上电源，剩余的引脚可以作为输入和输出引脚使用。

当单片机正常接好电路，单片机才可以正常工作。

图3.1MSP430单片机的最小系统原理图

3.1.2NTC热敏电阻

（一）简要说明

由于NTC拥有负的温度系数，该NTC的阻值大小会因为温度的不断地提高，出现阻值呈指数关系减小。

这种NTC的电阻阻值大小、温度的特性曲线相比于奇特电阻的阻值大小的变化波动小而对各种温度变化响应很快。

可以实现快速将温度的变化转化为阻值的变化。

图3-1为NTC热敏电阻实物图。

图3-1NTC热敏电阻

（2）基本的工作机理

NTC意思是阻值大小伴随着温度的不断提高而出现阻值呈指数关系减小。

NTC热敏电阻主要由多金属材料掺杂制成，与一些半导体材料的到点性能类似。

NTC热敏电阻的载流子数随着问的提高而提高，阻值随着温度增加而降低。

NTC热敏电阻的阻值在室温时阻值温度区间从一百到一百万之间变化。

它的电阻阻值大小－温度曲线图如图3-2所示。

图3-2NTC电阻－温度特性图

3.1.3AD7799的原理

由于温度系统的测温分辨率及测量精度主要取决于A/D转换模块，本次设计选择高精度、宽动态范围、3通道24位∑－△型AD7799器件。

其第三通道用于测温，其余用来测量另外的参数。

（1）AD7799引脚图

该器件具备完整的模拟前端，能够直接测量出传感器输出的微弱电压信号，转换精度达到24位无误码，采用三线串行口与主控芯片连接。

AD7799具有以下特点：

4.17-470Hz的可编程输出数据速率；3个差分输入通道；50Hz和60Hz同步陷波，可以避开工频电源的干扰；极低的均方根（RMS）噪音；低功耗；采用16引脚TSSOP封装。

如图3-3为AD7799的引脚配置图，图3-4为AD7799的引脚说明图

图3-3AD7799引脚配置图

图3-4AD7799引脚说明图

（二）AD7799内部结构

AD7799内部由多路模拟开关（MUX）、可编程增益放大器（PGA）,∑－△调制器、数字滤器、基准电压输人、时钟电路及串行接口组成。

如图3-5所示

图3-6AD7799内部结构图

3.1.4LCD1602液晶显示器介绍

LCD1602是一种工业字符型液晶显示器（9），能够同时在液晶屏幕上显示出32个字符（16行2列）。

也能够用它来显示我们需要的字母，相应的符号、数字，还有中文的汉字。

液晶屏的每一个字符位型号为5×7，字符位与字符位之间留有一个间隔，就是一个点的间距，通过这样的设置可以使各个字符分开，能够更加高效的传递所需要的信息。

LCD1602液晶显示屏的型号，它的命名方式是服从于它所要显示的具体对象和内容，这种型号的液晶显示屏最大可以显示两行的内容，上下两行每行最多可以显示12个大小的字符量。

图3-7LCD1602实物图

液晶显示屏（LCD）具有辐射小、耗能低、散热强、纤薄轻巧、精确还原图像、显示字符锐利和屏幕调节方便等优势，同时屏幕的可视面积大，屏幕分辨率越高，则表示能够显示的视觉感觉会更加的完美，而且其抗干扰的能力非常的强，它除了能够显示数字之外，还可以显示我们需要的数字和中文汉字，还有各种数量值的单位。

它的引脚图如图3-8所示

图3-8LCD1602引脚图

它的引脚介绍如下：

1602采用标准的16脚接口，其中：

第4脚：

为寄存器选择。

当接受的电压为高电平时，接通数据寄存器；低电平时，接通指令寄存器。

第5脚：

为读写信号线。

高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

第7～14脚：

～

为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

第15脚：

背光正极。

第16脚：

背光负极。

3.2硬件电路设计

3.2.1电源稳压电路

MSP430单片机要给它外接3.3V的供电电源（17），LCD1602液晶屏所需要的电压也是3.3V，热敏电阻的电压采集电路所加的也是3.3V电压，AD7799模块也是接的3.3V电压，复位电路也是需要供电3.3V的电压，因此必须将5V的供电电压，经过稳压芯片的转换，转换过程中要考虑负载的功率大小，选择相应的稳压芯片进行设计，否则不能工作，综上所述，我们VR1部分可以用AMS1117的稳压芯片。

AMS1117芯片具体对所设计的电路进行过电流的保护和温度过热的保护，这样可以很大程度上提高芯片和整个电源系统稳定性能。

AMS1117芯片具有比较先进的电压修正的技术，这样可以使它的输出的电压精度值在±1%范围之内，并且它的误也非常的小。

图3-9整个电源稳压的电路原理图

3.2.2MSP430复位电路

复位电路的作用是清除之前的测量结果，把测量的电路设计还原到默认的状态。

就相当于我们使用的计算器的设置为零的按钮，每当我们按下归零按钮后，整个计算器便回到零的位置，等待操作者再次输入相应的指令后，再重新运行。

但是我们设计的这种复位的电路又不完全等同于某些计算器的归零按钮，因为我们设计的复位电路，其中复位操作在单片机刚上电后就进行一次上电复位。

MSP430单片机其中配置有两种模式，一种模式是外置复位按钮，进行人工手动进行复位，第二种模式是可以通过程序设置和电路自动进入复位操作，这就是所谓的自动复位。

如图3-9所表示的就是设计的MSP430单片机复位电路（16）。

该复位电路利用