基于MSP430G2553和ds18b20的测温系统.docx

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基于MSP430G2553和ds18b20的测温系统

嵌入式控制系统与应用

课程论文

 

题目:

基于MSP430G2553和ds18b20的测温系统

院系名称:

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学号:

 

摘要

为了在现实生活和工业生产及过程控制中准确测量温度,设计了一种基于低功耗MSP430单片机的数字温度计,整个系统通过单片机MSP430控制DS18B20读取温度,采用LCD1602显示,温度传感器DS18B20与单片机之间通过串口进行数据传输,且外围的整合性高,DS18B20只需一个端口即可实现数据通信,连接方便,通过多次实验证明,该系统的测试结果与实际环境温度一致,除了具有接口电路简单,测量精度高,误差小,可靠性高等特点外,其成本低,功耗低的特点使其拥有更广阔的应用前景。

关键字:

DS18B20MSP430G2553单片机液晶显示

 

 

1引言

温度的测量和控制在储粮仓库、智能楼宇空调控制及其它的工农业生产和科学研究中应用广泛。

温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结(如AD590)之类的模拟传感器,经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理,获取表示温度值的数字信号,再交由微处理器或DSP处理。

被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始,到转换为微处理器可处理的数字信号之间,设计者须考虑的线路环节较多,相应测温装置中元器件数量难以下降,随之影响产品的可靠性及体积微小化。

由此会造成整个检测系统有较大的偏差.稳定性和抗干扰性能都较差。

本文设计一种基于数字温度传感器DSl8820的小型测温系统,主控芯片采用TI公司的MSP430单片机,数字温度传感器通过单总线与单片机连接,系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温度测量,可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。

2测温系统硬件构成

2.1硬件设计

2.1.1系统硬件设计总方案

系统硬件设计总方案如图1所示:

图1硬件设计方框图

电源系统由miniUSB输出5V以及芯片LE33组成,实现对MSP430G2553核心处理芯片、LCD1602液晶显示等硬件模块提供所需电源;显示部分由LCD1602液晶对温度进行实时显示;软件设计部分包括模拟串口对DS18B20数据进行读取以及LCD1602液晶的驱动和显示。

2.1.2MSP430G2553引脚功能说明

本次设计需要用到MSP430单片机的1脚电源、16脚复位端、20脚接地端、配置P2.2口为待测信号输入端,P2.0为LCD片选信号端,P1为LCD并行数据输出端,如表1所示。

图2所示为MSP430G2553单片机的最小系统图。

表1MSP430G2553引脚及功能说明

引脚序号

引脚名称

功能说明

1

VCC

电源正

2

P2.2

频率信号输入端

5

P2.0

LCD片选信号端

6

P1.x

LCD并行数据输出端

13

P2.5

蜂鸣器报警

16

RST

复位脚

20

GND

电源地

图2MSP430G2553最小系统

2.1.3LCD1602引脚功能说明

LCD12864液晶显示屏用到电源接口线,脚背光电源接口线,脚并行接口选择。

LCD1602引脚功能如表2所示。

表2LCD1602引脚功能说明

引脚序号

引脚名称

功能说明

1

VSS

模块的电源地

2

VDD

模块的电源正端

4

RS(CS)

并行指令/数据选择信号、串行片选信号

5

R/W(SID)

并行读写选择信号、串行的数据口

6

E(CLK)

并行使能信号、串行的同步时钟

15

LED_A

背光源正极

16

LED_K

背光源负极(0V)

2.1.4DS18B20说明

DSl8820是美国DALLAS公司推出的单总线数字测温芯片。

它具有独特的单线接口方式,将非电模拟量温度值转换为数字信号输出仅需占用1位/A)端口,能够直接读取被测物体的温度值,提高了抗干扰能力和测量精度。

它体积小,电压适用范围宽(3.0V一5.5v),可以采用外部供电方式(如图1所示),也可以采用寄生电源方式.即从数据线上获得电源。

用户还可以通过编程实现9一12位的温度读数,即具有可调的温度分辨率。

因此它的实用性和可靠性比同类产品更高.

DSl8820采用3脚TO一92封装,形如三极管:

同时也有8脚SOIC封装。

测温范围为一55℃一+125。

C,在一10℃一+85℃范围内,精度为±0.5℃。

每一个DSl8820芯片的ROM中存放一个“位ID号:

前8位是产品类型编号,随后48位是该器件的自身序号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。

又因其可采用寄生电源方式供电。

因此,一条总线上可以同时挂接数个DSl8820,可方便的实现多点测温系统。

另外用户还可根据实际情况自设定非易失性温度报警上下限值TH和TL(掉电后依然保存)。

DSl8820检测到的温度值经转换为数字量后,自动存入存储器中,并与设定值TH或TL进行比较,当测量温度超出给定范围时,就输出报警信号,并自动识别是高温超限还是低温超限。

图3DS18B20引脚连接

图4DS18B20温度寄存器格式

图5温度/数据关系

2.1.5UART转USB电路

图6UART电路

PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB 接口转换器,可提供一个RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利联接的解决方案。

该器件内置USB功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART, 只需外接几只电容就可实现USB 信号与RS232 信号的转换,能够方便嵌入到各种设备所以2000年左右开始经常推荐使用该款芯片;该器件作为USB/RS232 双向转换器,一方面从主机接收USB 数据并将其转换为RS232 信息流格式发送给外设;另一方面从RS232 外设接收数据转换为USB 数据格式传送回主机。

这些工作全部由器件自动完成,开发者无需考虑固件设计.

3软件设计

3.1总体设计流程图

系统软件设计包括测量初始化部分、显示部分、报警部分。

系统软件整体流程图如图7所示。

图7系统软件整体设计流程图

3.2初始化模块

设备初始化包括关闭看门狗,I/O口输入/输出功能的配置,时钟初始化,端口初始化以及液晶初始化,其流程图如图8所示。

图8系统初始化流程图

3.3显示模块

首先根据LCD1602液晶的时序图写出液晶驱动函数,并调用驱动函数完成在指定位置处显示字符的功能函数,这样通过定时刷新液晶屏就可以显示温度值了。

4实验展示

4.1实物整体展示

图9实物整体展示图

4.2报警显示和蜂鸣器报警

当温度t>30℃时蜂鸣器报警,红灯闪亮模拟通风降温。

LCD显示警告。

当温度t<27℃时蜂鸣器报警,黄灯闪亮模拟加热升温。

LCD显示警告。

当温度27℃

图10实物调试图

图11实物调试图

5设计心得

通过嵌入式控制系统与应用这门课,通过这门课的学习,我对MSP430G2553有了较为深入的了解。

这门课王老师通过分工合作,同学讲解,同学讨论,以及课后周记总结这样的方式来进行的,不仅提高了自己的自学能力和学习主动性,而且使自己得到了很多方面基本技能的训练。

这次做的设计所需要的知识有很多在书本上是找不到的,而且这些知道并不是像以前一样由老师系统的详细的教授。

所以,这就强迫我去图书馆和网上查阅资料,不过这也培养了我查阅资料的能力,让我受益颇多。

在第一节课上完之后觉得实在是无从下手,根本不知道干什么,对外电路和内电路都十分迷茫,可是后来通过同学之间的分工合作,而且我们先从非常简单的小实验入手,一点一点我就每次可都有了很多收获,通过同学讲解中断,定时器,计数器,捕捉,比较器,PWM,串口,ADC,低功耗,触屏等,我对这些知识能够拿来应用,并能实现基本功能要求,能够把程序弄明白,发现自己会的越来越多,一次课比一次课进步。

通过本次实验,让我对MSP430G2553芯片的输入与输出以及中断查询方式有了一定的了解。

MSP430G2553不像我们之前接触的51单片机可以直接进行位操作,只能运用C语言逻辑运算。

实验虽然很简单,但也费了不少功夫。

首先,对CCS软件操作不熟练,Grace工程可以快速方便地帮助我们配置寄存器,但是自己还不太熟悉。

设置断点和单步调试,是一种很好的找到问题的方法。

而且我学会了多文件编写软件,以后要尽量用多文件操作,把之前写好的程序做成头文件,方便以后调用。

其次,DS18B20是单总线的通讯。

硬件连接较容易,但是时序要求很严格,软件编程一开始,读不出数据。

千方百计地调整时序,精确延时,依旧没有读出温度数据。

查阅大量资料发现,DS18B20的接法不通,会影响到时序问题。

寄生模式和单独电源供电模式,他们的时序一定的区别。

而且电源和地直接接不接10k电阻,时序也不一样的。

这一块废了很大功夫。

最后,MSP430的IO口最大6mA,整个芯片最大电流总和不超过48mA。

然而有源蜂鸣器驱动需要130mA,所以就要加9012NPN三极管来获得大电流。

9012的常温最大输出500mA电流。

6本设计的不足和反思

最为一个温度监控系统,应该加上按钮,当温度异常,蜂鸣器报警时,按下复位按钮,蜂鸣器停止报警,但是红灯继续闪烁。

当故障排除后,红灯灭,系统恢复正常。

如果一分钟后故障没有排除,蜂鸣器再次报警。

检测的实时温度应该通过UART上传到上位机,记录下来。

参考文献

[1]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机[M].北京航空航天大学出版社,2001.

[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版),清华大学出版社,2006.

[3]MSP430G2553DataSheet.

[4]MSP430中文手册.

[5]Op37DataSheet.

[6]MSP430G2系列单片机原理与实践教程.

[7]MSP-EXP430G2系列单片机试验板使用指南.

附录

附一:

元器件及仪器明细表

见另外excel文档。

附二:

实验设计程序

/*

*main.c

*/

#include"msp430g2553.h"

#include"LCD1602.h"

#include"DS18b20.h"

intmain(void)

{

//Stopwatchdogtimertopreventtimeoutreset

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;

P1DIR=0XFF;

P2DIR=BIT0+BIT1+BIT2+BIT3+BIT4+BIT5;

//P2DIR=BIT3+BIT4+BIT5;

unsignedintt;

LCD1602_Init();

DS18b20_Init();

while

(1)

{

P2OUT&=~BIT3;//红灯灭

P2OUT&=~BIT4;//绿灯灭

//P2OUT&=~BIT5;//蜂鸣器关

t=get_one_temperature();

if(t>=300)

{

P2OUT|=BIT3;//红灯亮

LCD1602_write_string(1,1,"warning!

!

!

!

!

!

!

!

");

LCD1602_write_string(2,0,"hig-");

LCD1602_display_temperature(2,4,t);

P2OUT|=BIT5;//蜂鸣器kai

}

if(t<=270)

{

P2OUT|=BIT4;//绿灯亮

LCD1602_write_string(1,1,"warning!

!

!

!

!

!

!

!

!

");

LCD1602_write_string(2,0,"low-");

LCD1602_display_temperature(2,4,t);

P2OUT|=BIT5;//蜂鸣器kai

}

if(t<300&&t>270)

{

P2OUT&=~BIT5;//蜂鸣器关

LCD1602_write_string(1,1,"Thetemprature");

LCD1602_write_string(2,0,"is");

LCD1602_display_temperature(2,4,t);

}

}

}

 

/*

*DS18b20.H

*

*Createdon:

2015-6-28

*Author:

Administrator

*/

#ifndefDS18B20_H_

#defineDS18B20_H_

#include"msp430g2553.h"

/*********************************

**引脚定义**

*********************************/

#defineDQ_1P2OUT|=BIT2

#defineDQ_0P2OUT&=~BIT2

#defineDQ_inP2DIR&=~BIT2

#defineDQ_outP2DIR|=BIT2

#defineDQ_val(P2IN&BIT2)

/**********************************

****命令字符定义*****

**********************************/

#defineRead_ROM0x33//读ROM

#defineMatch_ROM0x55//匹配ROM

#defineSkip_ROM0xcc//跳过ROM

#defineSearch_ROM0xf0//搜索ROM

#defineAlarm_Search0xec//告警搜索

#defineConvert_Temperature0x44//温度转换

#defineRead_Scratchpad0xbe//读暂存存储器9字节内容

#defineWrite_Scratchpad0x4e//写暂存存储器,写的是THandTL,接着发送两位数据就可以

/*********************************

**定义变量**

*********************************/

//externunsignedintCheck_val;//初始化检测变量

//externunsignedintTemp;//存放温度

//externunsignedintTemp_l;//存放温度低四位

//externunsignedintTemp_h;//存放温度高四位

/************************************

****函数定义****

************************************/

externvoidDS18b20_Port_Init(void);

externunsignedintDS18b20_Init(void);

externvoidDS18b20_write_byte(unsignedintdat);

externunsignedintDS18b20_read_byte(void);

externunsignedintget_one_temperature(void);

 

#endif/*DS18B20_H_*/

 

/*

*DS18B20.C

*

*Createdon:

2015-6-28

*Author:

Administrator

*/

#include"msp430g2553.h"

/***********************

****DQ接p2.4***

***********************/

#include"DS18b20.h"

voidDS18b20_Port_Init(void)

{

P2DIR=BIT2;

}

/*******************************************************************************

DS18b20操作时序:

1.DS18b20初始化

2.对64位ROM进行操作

读ROM

搜索ROM

跳过ROM

告警搜索

3.对寄存器进行操作

包括读取温度……

4.精度默认的为0.0625,无法重新设定,没找到相应的指令

相对应的转换时间为750ms

*******************************************************************************

*******************************************************************************

DS18b20初始化方法:

1主机发送480-960us的低电平,释放总线

2等待15-60us

3检测DQ上是否有低电平出现

有:

复位成功,通常时间为60-240us

无:

复位失败,继续等待

4DQ上出现低电平后,低电平持续15us,然后DS18b20开始对单片机发送的数据进行采样

*******************************************************************************/

unsignedintDS18b20_Init(void)

{

unsignedCheck_val;

DQ_out;

DQ_0;

__delay_cycles(600);

DQ_1;

__delay_cycles(60);

DQ_in;

_NOP();

if(DQ_val==1)

{

Check_val=0;//初始化失败

}

if(DQ_val==0)

{

Check_val=1;//初始化成功

}

__delay_cycles(10);

DQ_out;

DQ_1;

__delay_cycles(100);

returnCheck_val;

}

/*******************************************************************************

DS18b20写数据方法:

1DS18b20是“一位一位”的写‘0’和‘1’

2每写一次‘1’或‘0’为一个周期,每个周期约为45-60us

3DQ拉低1us,表示写周期开始,释放总线,让DQ随写入的值变化

4若写1:

DQ拉高至少60us,保证在采样周期内采到的值均为高

5若写0:

DQ拉低至少60us,保证在采样周期内采到的值均为低

6释放总线

*******************************************************************************

*单片机发送数据时,是从写的数据的最高位开始发送*/

voidDS18b20_write_byte(unsignedintdat)

{

unsignedinti;

for(i=0;i<8;i++)

{

DQ_0;

__delay_cycles

(2);

if(dat&0X01)

DQ_1;

else

DQ_0;

__delay_cycles(60);

dat>>=1;;

DQ_1;

__delay_cycles(10);

}

}

/**************************************************************************************************

DS18b20读数据方法:

1DS18b20是“一位一位”的读‘0’和‘1’

2每读一次‘1’或‘0’为一个周期,每个周期约为45-60us

3DQ拉低1us,表示读周期开始,释放总线,让DQ随DS18b20传送的值变化

4若传1:

则检测到高电平,持续时间为60us左右,所以检测一次后要延时60us,再检测下一位传送的数据

5若传0:

则检测到低电平,持续时间为60us左右

**************************************************************************************************

*DS18b20传送数据是从最低位开始传*

*所以单片机在接受数据时,存储变量一共移动8次,将所有数据都接收并回到最高位*/

unsignedintDS18b20_read_byte(void)

{

unsignedi;

unsignedintbyte=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

byte>>=1;

DQ_0;

__delay_cycles

(2);

DQ_1;

__delay_cycles

(2);

DQ_in;

_NOP();

if(DQ_val)

byte|=0x80;

__delay_cycles(60);

DQ_out;

DQ_1;

__delay_cycles(10);

}

returnbyte;

}

/*******************************************************************************

当用一个DS18b20进行温度测量时步骤

1.初始化

2.跳过ROM

3.控制寄存器:

温度转换,读取ROM,读取温度低8位,温度高8位

注意的是,一定要初始化两次

*******************************************************************************/

unsignedintget_one_temperature(void)//只读取了整数,没读取小数的部分

{

unsignedintTemp_l=0,Temp_h=0,Temp=0;

floatf_temp;

DS18b20_Init();

DS18b20_write_byte(Skip_ROM);

DS18b20_write_byte(Convert_Temperature);

__delay_cycles(500000);

DS18b20_Init();

DS18b20_write_byte(Skip_ROM);

DS18b20_write_byte(Read_Scratchpad);

Temp_l=DS18b20_read_b

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