基于MSP430单片机监测环境温湿度以及二氧化碳浓度.docx

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基于MSP430单片机监测环境温湿度以及二氧化碳浓度

婴儿室环境监测电路的设计

设计总讲明

随着科技的飞速进展和普及，高性能设备越来越多，各行各业对温湿度的要求也越来越高。

关于刚出生的婴儿，刚脱离母体进入新环境，对新环境温湿度的要求同样也专门高。

传统的温湿度监测模式是以人为基础，依靠人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。

在这种模式下，不仅效率低下不利于人才资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故差不多上由人为因素造成的，人工维护缺乏完整的治理系统。

而问世监控系统就能够解决如此人才资源白费，治理不及时的问题，这是由于它的智能化设计所决定的。

温度湿度和气体的浓度在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门有着至关重要的作用，准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要。

因此研究温湿度的测量和操纵方法具有重要的意义。

本设计核心部件为超低功耗嵌入式单片机MSP430，信号采集及处理部分由SHT11以及二氧化碳传感器GTS4160构成，输出的信号通过AD转换和MSP430的处理在显示器上显示温湿度以及气体的浓度，信号显示采纳的是液晶屏点阵显示器LCD12684，其他组成部分为实时时钟发生电路，产生与现在相同的时刻和具体日期，也是通过LCD12864液晶模块显示。

超限处理模块是使用PID算法设计，使用单片机的引脚电平通过继电器来操纵温湿度，和CO2气体浓度。

本设计还接入了故障报警模块。

MSP430是嵌入式单片机具有高度的集成化，有看门狗定时电路，比较器，模数转换等功能，与51系列单片机比较具有超低功耗，端口多等优点；SHT11温湿度传感器测温范围为-40～+123．8℃，精度0．1℃，湿度测量范围是0～99％RH，分辨率为0．03RH，完全能够满足设计要求的温度20～27℃，湿度30～50％RH，它为I2C总线连接通信，较其他产品具有品质卓越，超快相应，抗干扰能力强，超高的性价比有点。

GTS4160一种含热敏电阻的混合式CO2敏感元件，它使用的时候一般都配有本产品公司专门配套生产的一个转换和测量模块AM-4模块，模块是数字量串行输出，相比其他CO2气体传感器操作简单，精度高。

在软件设计部分有对测量的温湿度进行上下值的设定，当测量超过限定值时，通过超限自动操纵调节温湿度电气处理电路对其进行处理，分不动作为过冷制热，过热制冷，过湿除湿，过干加湿，和对气体浓度调节，硬件中包括一个开关，为复位开关。

开机后，所有器件初始化，LCD12864产生实时时刻和日期，温湿度传感器SHT11和CO2传感器开始进行温湿度测量和计算，最后通过LCD液晶显示器显示结果。

在测量结果中有超过设定的温湿度上下限的，通过超限模块做出反应。

电路要紧包括了MSP430操纵模块、SHT11温湿度测量模块、二氧化碳检测模块TGS4160、DS1302时刻模块、LCD显示模块、超限继电器处理模块。

其他是一些附件，比如复位、晶振电路。

关键字：

MSP430149；SHT11；TGS4160；DS1302；继电器；LCD12864

Thebaby'sroomenvironmentalmonitoringcircuitdesign

GeneralDescriptionofConstructionDesign

Withtherapiddevelopmentandpopularizationofscienceandtechnology,high-performanceequipmentmoreandmore,allwalksoflifetothetemperatureandhumidityrequirementsmoreandmoreisalsohigh.Foranewbornbaby,justfromthemotherintothenewenvironment,alsototherequirementofthenewenvironmenttemperatureandhumidityishigh.Traditionaltemperatureandhumiditymonitoringmodelisbasedonpeople,relyonartificialturnoneachother,artificialcircuittochecktheinformationtomeasureandrecordenvironmentalconditionssuchasway.Inthismode,notonlylowefficiencyforbetterutilizationoftalentresources,andlackofscientificnature,manymajoraccidentsarecausedbyhumanfactors,artificialmaintenanceofthelackofacompletemanagementsystem.Appearedandmonitoringandcontrolsystemcansolvesuchwasteoftalentresources,managementisnottimelyissue,itisbecauseofitsintelligentdesigndecisions.Temperature,humidityandgasconcentrationinindustrialandagriculturalproduction,weather,environmentalprotection,nationaldefense,scientificresearchdepartmentshaveavitalrole,accuratemeasurementoftemperatureandhumidityinthebio-pharmaceutical,foodprocessing,papermakingandotherindustriesisvital.Sothetemperatureandhumiditymeasurementandcontrolmethodhasthevitalsignificance.

Thisdesignforultra-lowpowerembeddedmicrocontrollerMSP430corecomponents,signalacquisitionandprocessingpartconsistsofSHT11GTS4160andcarbondioxidesensor,theoutputsignalthroughtheADconversionandtheprocessingofMSP430displayedonthemonitortemperatureandhumidityandgasconcentration,signaldisplayUSESLCDlatticedisplayLCD12684,othercomponentsfortherealtimeclockgeneratingcircuit,andthesametimeanddaterightnow,isthroughtheLCD12864LCDmoduledisplay.TransfiniteprocessingmoduledesignistheuseofPIDalgorithm,usingMCUpinlevelthroughtherelaytocontrolthetemperatureandhumidity,andCO2gasconcentration.Thisdesignalsoaccessthefaultalarmmodule.

EmbeddedmicrocontrollerMSP430ishighlyintegrated,awatchdogtimercircuit,comparator,modulusconversion,andotherfunctions,comparedwith51seriesmicrocontrollerwithultra-lowpowerconsumption,portnumber,etc;SHT11temperatureandhumiditysensormeasuringtemperaturerangeof-123.8℃~+40,theprecisionof0.1℃,humiditymeasurementrangeis0~99%RH,aresolutionof0.03RH,cancompletelymeetthedesignrequirementsofthetemperatureof20~27℃,humidityis30~50%RH,itfortheI2Cbusconnectioncommunication,comparedtootherproductswithexcellentquality,superfast,stronganti-jammingcapability,highperformancetopriceratioisalittlebit.GTS4160ahybridCO2containingthermistorsensor,itUSESgenerallyequippedwiththisproductthecompanyspecializedproductionofformacompletesetofatransformationAM-4moduleandmeasuringmodule,serialoutputmoduleisthedigitalquantity,comparedtootherCO2gassensorissimple,highprecision.Thisdesignimplementationissinglechipmicrocomputertemperatureandhumiditymeasurementandcontrolsystem,throughtheLCDdisplaythemeasuredtemperatureandhumidity.SettemperatureandhumiditysensorandA/DconverterisadoptedinthesystemintheintegrationofSHT11chipandTGS4160carbondioxidegasconcentrationdetectionchip,throughsinglechipmicrocomputerforprocessing,accordingtothedateofothermodulesincludingtherealtimeclockgeneratingcircuitandtransfiniterelayprocessingcircuit,tomeasurethevalueofthereal-timedisplayandautomaticallyadjusttheprocessingofthenecessary.IntroducedinthispaperbasedontheTexasinstrumentsMSP430seriesMCUreal-timetemperatureandhumiditymeasurementandcontrolsystemanddisplaysystemdesign,includinghardwarestructureprincipleisintroduced,andanalysisthecorrespondingsoftwaredesignanditskeypoints,includingthesoftwaredesignprocessanditsimplementationoftheprogram.Systemstructureissimpleandpractical,andimprovesthemeasurementprecisionandefficiency.

Keywords：

MSP430F149;SHT11;TGS4160;DS1302;Relay;LCD12864

第1章绪论

1.1研究的目的及意义

温度和湿度以及适应环境所需的各种气体的浓度与人们的生活息息相关。

在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度与湿度和气体浓度进行测量及操纵。

准确测量温湿度和相关气体浓度在生物制药、食品加工、造纸等行业差不多上至关重要的。

传统的温度计是用水银柱来显示的，它的精确度不高，不易读数。

而采纳单片机对温湿度及气体进行操纵，不仅具有操纵方便、简单和灵活等优点，而且能够大幅度提高气体及温湿度操纵的技术指标。

用LCD来显示温湿度和气体浓度的数字量看起来更加人性化更加直观。

采纳SHT11数字温湿度传感器作为检测元件，能够同时测试温度和湿度。

SHT11传感器能够直接读出被测的温湿度值。

同时单片机能够把测量出的数据通过串口传到计算机上，来完成工业中的自动操纵，给工业生产带来了极大的便利。

用单片机操纵的温湿度计不仅硬件电路简单，而且测量精度比较高。

用液晶显示测量值看起来比较美观。

采纳MG811二氧化碳气体浓度检测传元件，直接把空气中的二氧化碳通过化学量的变化，以及模数转换也能直接送到单片机里面进行处理，监测空气中二氧化碳的浓度，调节空气中氧气的含量，给人或者需要贮存的动植物等一个更舒适的环境。

不管在日常生活中依旧在工业、农业方面都离不开对周围环境进行温湿度及周边异常气体含量的的测量。

因此，研究温湿度的测量具有特不重要的意义。

1.2国内外研究的情况

测量温湿度和气体浓度的的关键是温湿度传感器。

过去测量温度与湿度是分开的。

随着技术的进步和人们生活的需要出现了温湿度共测的传感器。

温度传感器的进展经历了3个时期：

传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向进展。

温度传感器也是经历了如此一个时期逐渐走向数字智能化。

现今国内外用的最多的温湿度传感器是SHTXX系列。

SHT11温湿度传感器应用于专利的工业COMS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比极高等优点。

采纳SHT11数字温湿度传感器与单片机MSP430相连比较容易，而且电路比较简单，软件设计也比较简单。

因此，本设计以SHT11数字温湿度传感器为例，介绍基于SHT11数字温湿度传感器的设计，该设计适用于人们的日常生活及工农业生产中用于温湿度的测量。

1.3系统的要紧性能指标和工作任务

由于本设计要紧的方向是设计室内的婴儿室环境监测系统，依照具体要求设计本产品的要紧技术指标为：

（1）、测温范围：

+10—＋80℃；湿度测量范围为20—90%Rh，测二氧化碳浓度范围350—2000PPM（人体正常生存环境的二氧化碳浓度是400—1000PPM）

（2）、温度测量精度：

±0.5ºC

（3）、湿度测量误差：

≤4%Rh，气体浓度误差±10PPM

（4）、设置上下限温湿度和二氧化碳浓度的值，

（5）、当湿度低于20度时，单片机操纵加热装置，高于27度时停止加热；

（6）、当温度高于30度时，单片机操纵自动操纵制冷设备，当制冷到25度时停止制冷。

（7）、湿度低于30%RH时，单片机操纵接通加湿设备，超过50%RH是停止加湿；

（8）、当二氧化碳浓度超过了800PPM时接通继电器接通释放氧气设备。

测试到了正常值得时候停止接通设备。

（9）电源工作范围：

DC3.3～5.0V

系统要紧工作任务如下：

依照本毕业设计实际的任务要求，选择合适的温湿度传感器，完成温湿度的测量，选择适合的气体检测传感器完成必要气体的含量检测，并设计显示电路模块、时钟电路模块、超限处理模块、复位电路模块的程序。

系统开始工作后，依照初始条件读取湿度值和温度值以及二氧化碳气体含量值，测量数据经处理后，将其与设定的温湿及气体含量限度值比较，假如发觉当前的温湿度超限，则自动通过单片机来操纵继电器进而动作，未超限时，系统显示正常的湿温度度值。

1.4方案论证

方案一：

采纳单片机89C51作为主芯片操纵单总线的DS18B20的温度传感器和HS110X相对湿度传感器以及二氧化碳传感器TGS4160组成测量和操纵系统。

方案二：

采纳嵌入式超低功耗单片机MSP430系列单片机来操纵，温湿度传感器和A/D转换器于一体的SHT11芯片构成温湿度以及二氧化碳气体浓度传感器TGS4160的测量和操纵系统。

89C51系列单片机相关于MSP430系列单片机，51系列的只有32个I/O口驱动电源需要5V，而MSP430系列单片机I/O一共有48个,端口比较多，当51的端口不满足时必须外扩端口，而MSP430单片机的端口差不多就能满足需求，而且MSP430的驱动电压只需要3.3V相关于51，省电低功耗。

由于传统的模拟式温湿度传感器一般不仅要设计信号调理电路，还要进行复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证，同时使用分立的温度传感器和湿度传感器测量电路比较苦恼。

而SHT11是具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，集温湿度传感器和A/D转换器于一体，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点，使用起来比较方便，且电路简单。

该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。

而分离式的温度湿度检测不仅会加重系统的工作量，也会导致系统的精度，准确度出现问题，因此本设计采纳方案二。

本设计核心部件为超低功耗嵌入式单片机MSP430，信号采集及处理部分由SHT11构成以及二氧化碳传感器MG811，进入单片机经处理后通过LCD12864显示温湿度，信号显示采纳的液晶屏点阵显示，其他组成部分为实时时钟发生电路，产生与现在相同的时刻和具体日期，通过LCD12864液晶模块显示。

在软件设计部分有对测量的温湿度进行上下值的设定，当测量超过限定值时，通过超限自动操纵调节温湿度电气处理电路对其进行处理，分不动作为过冷制热，过热制冷，过湿除湿，过干加湿，硬件中包括一个开关，为复位开关。

开机后，所有器件初始化，DS1302产生实时时刻和日期，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最后通过LCD液晶显示器显示结果。

在测量结果中有超过设定的温湿度上下限的，通过超限模块做出反应。

电路要紧包括了MSP430操纵模块、SHT11温湿度测量模块、二氧化碳检测模块TGS4160、DS1302时刻模块、LCD显示模块、超限继电器处理模块。

其他是一些附件，比如复位、晶振电路。

总体框图如下

图1-1总体框图

第2章工具简介

系统单片机代码采纳C语言编写，并用IAR软件检查程序有无错误，把生成的需下载的文件，下载到实体的器件中去使单片机进行工作。

2.1C语言

C语言的运算符丰富，它包括的范围相当广泛，使得C语言的运算类型极其丰富，同时表达方式的类型多样化，能够实现在高级语言中不能实现的运算，它有32个关键字，9种操纵语句。

和汇编语言一样，它能够对位，字节和地址进行操作；数据类型专门丰富，能实现各种复杂的数据类型，同时还加入了指针的概念，使得效率更高，同时支持图形编辑，以及多种显示器等；它所应用的结构式语言，这种方式会让程序有层次，一目了然，同时语法显示不严格，

C的优点：

设计自由度高，它提供给用户的方式是一函数的形式，它们能够方便调用，使得程序完全结构化；地址的访问上，能够访问物理地址，对硬件进行直接操作；适用范围广，能够适用于多种操作，例如：

DOS、UNIX等，同时适用于多种机型。

C的缺点：

要紧是数据封装的安全性不高，因此这一点也成为了C语言和C++的最大的区不，另一方面由于语法以及变量的类型没有严格限制，也造成了较低的安全性，再者从应用角度来讲，它比较其他的高级语言来讲较为难以掌握。

2.2IAR软件

IAREmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司为ARM微处理器开发的一个集成开发环境（下面简称IAREWARM）。

比较其他的ARM开发环境，IAREWARM具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。

故在那个地点介绍给打算学习使用或正在使用ARM芯片的朋友们共同探讨。

IARSystems公司目前推出的最新版本是IAREmbeddedWorkbenchforARMversion4.30，并提供一个32k代码限制、但没有时刻限制的免费评估版。

IAREWARM中包含一个全软件的模拟程序（simulator）。

用户不需要任何硬件支持就能够模拟各种ARM内核、外部设备甚至中断的软件运行环境。

从中能够了解和评估IAREWARM的功能和使用方法。

我们编译整理的这本快速用户指南采纳评估版软件安装目录C:

\Programfiles\IARSystem\Embeddedworkbench4.0\ARM\tutor下的教程为例，一步一步介绍IAREWARM的使用方法。

该教程采纳了两个C语言程序，tutor.c和utilities.c。

它们不和任何特定的硬件关联，因此介绍中的全部操作差不多上用模拟程序完成的。

IAREWARM的要紧特点如下：

（1）、高度优化的IARARMC/C++Compiler

（2）、IARARMAssembler

（3）、一个通用的IARXLINKLinker

（4）、IARXAR和XLIB建库程序和IARDLIBC/C++运行库

（5）、功能强大的编辑器

（6）、项目治理器

（7）、命令行有用程序

（8）、IARC-SPY调试器（先进的高级语言调试器）

MSP430使用的开发工具要紧是嵌入式单片机常用的IAR软件，其使用方法如下：

（1）、生成一个新项目

EWARM是按项目进行治理的，它提供了应用程序和库程序的项目模板。

项目下面能够分级或分类治理源文件。

同意为每个项目定义一个或多个编译连接（build）配置。

在生成新项目之前，必须建立一个新的工作区（Workspace）。

一