推荐基于MSP430的温度采集系统设计精品.docx

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推荐基于MSP430的温度采集系统设计精品

题目：

基于MSP430的温度采集系统设计

摘要

温度的采集和控制在各个行业中都占有重要位置，所以温度采集控制仪表具有广泛的应用前景，越来越多的领域应用到以单片机为控制核心，用液晶以及LED数码管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。

本设计采用MSP430F149微处理器为核心处理器，以DS18B20温度传感器采集实现温度信息的采集和处理，并能实时显示温度信息，并能对温度上下限进行控制，通过键盘设定报警温度，高于或低于报警温度，系统报警。

系统硬件由电源及复位模块、温度采集模块、键盘输入模块、显示模块和报警模块六部分组成，软件采用模块化编程思想，采用C51编程语言实现系统功能。

通过搭建测试环境，对该系统进行功能测试和指标测试，测试结果表明，该系统的测试结果与实际环境温度相符合，并且温度报警也比较灵敏，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，其低成本、低功耗的特点使其拥有更广阔的前景。

【关键词】MSP430F149，温度控制仪（键盘），DS18B20，LED数码管。

【类型】应用型

Thesis:

MSP430-basedtemperatureacquisitionsystemdesign

Profession:

ElectronicandInformationEngineering

Students:

WangYongfeiSignature：

Instructor:

ZhangXiaoliSignature：

Abstract

Acquisitionandcontrolofthetemperatureoccupyanimportantpositioninvariousindustries,sothetemperatureacquisitionandcontrolinstrumentationhasbroadapplicationprospects,moreandmoreareasofapplicationtocontrolcoremicrocontroller,LCDandLEDdigitaltubedisplayterminalofthedigitalcontrolequipment,andintelligentcontrolofthecontrolledobjectbythemicrocontroller.

ThisdesignusestheMSP430F149microprocessorasthecoreprocessor,DS18B20temperaturesensorcollectedtemperatureinformationacquisitionandprocessing,andreal-timedisplayandcontrol.Viathekeyboardtosetthealarmtemperature,higherorlowerthanthealarmtemperature,thesystemalarm.Thisarticlefocusesonthehardwareandsoftwareprogrammingofthesystemdesignprocess.Thehardwarehassixparts:

thepowerandresetmodule,thetemperatureacquisitionmodule,thekeyboardinputmodule,displaymoduleandalarmmodule.

Upthetestenvironment,thesystemfunctionaltestsandindicatorsfortesting,testresultsshowthatthetestresultsisconsistentwiththeactualambienttemperatureandthetemperaturealarmisalsomoresensitiveinadditiontotheinterfacecircuitissimple,highaccuracy,error,highreliability,low-cost,lowpowerconsumptionmakeitmorebroadprospects.

【Keywords】MSP430F149,thetemperaturecontroldevice（keyboard）,DS18B20,LEDdigitaltube.

【TypeofThesis】Application

1绪论

随着电子产业的飞速发展，人类的生活也带来了一场根本性变革，尤其是大规模集成电路的产生，将人类社会带入了一个新的时代。

单片机技术由于功能多样化，高可靠性和高性价比，在工业控制，智能化仪表，家用电器等方面得到了很广泛的应用。

温度是表征物体冷热程度的物理量，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。

随着科学技术水平的不断提高，温度测量技术也得到了不断的发展。

为了确知某一测试对象的温度,我们常常要借助各种仪表和各种手段来获得各种各样的测量结果.但这些数据中包含有变换误差,设备误差以及在传输过程中引入的各种干扰所造成的误差等.传统靠人工控制的温度外围电路比较复杂，测量精度较低，需进行温度校准且它们的体积较大，使用不够方便，更重要的是参数的设定需要有其它仪表的参与,外界设备多,成本高,因而越来越适应不了社会的要求。

在对多类型，多通道信号同时进行检测和控制中,传统的测控系统能力有限。

如何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求，成为一个很迫切的问题。

1.1课题研究目的及意义

温度采集与控制是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量，节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。

随着科学技术的发展，由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多,测量的精度越来越高,响应时间越来越短,因其使用方便,无需变换电路等特点已经得到了广泛的应用,例如:

以前常用的AD590和LM35等,以及现在得到广泛应用的DSl820,DS1821和DS18B20等。

利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测，已成为温度检测技术的一种发展趋势。

其应用领域越来越广泛。

无论在国外还是国内，传感器适用范围和应用领域正在迅速扩大。

本文设计的温度采集报警系统采用具有低功耗的MSP430单片机为主芯片，并利用其自带的A/D转换，温度采集使用单线数字温度传感器DS18B20来实现，显示温度的精度可达0.1度，该显示温度由LED数码管来显示，温度上下限可由不同环境来自行设置。

这种由单总线的DS18B20温度传感器由于使用简单方便，也越来越得到人们亲睐。

温度是工业生产中常见和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行监控。

采用单片机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制。

对于提高企业生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用，温度采集在工业生产，科学研究中和人们的生活领域中都占有很重要的地位，温度控制失误就会引起生产安全，产品质量，产品产量等一系列问题。

为此，我们设计了一种采用MSP430单片机和DS18B20温度传感器控制的温度采集系统。

采用这种设计的温度采集系统，可进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高企业生产效率节约能源、资源都有重要的作用，具有很大的发展前景。

通过本课题的研究与设计，学生独立完成基于MSP430单片机的硬件设计与软件开发，使其熟悉利用单片机进行系统开发的过程，掌握系统设计的基本方法，增强学生实际动手能力。

1.2课题主要研究内容及指标

本课题主要是设计一种基于MSP430单片机的温度采集报警系统，包括硬件和软件的设计部分。

在分析了单线数字温度传感器DS18B20的测温原理的基础上，设计温度采集电路，键盘输入电路，报警以及LED数码管显示电路。

然后通过编写各电路的程序，最终完成课设要求。

主要技术指标：

DS18B20测温范围为-55°C到+125°C之间，精度为0.1°C；MSP430F149单片机采用2个时钟输入，一个32.768KHZ的时钟信号，一个8MHZ的时钟信号。

采用150ns的时钟周期，12位的A/D转换器。

2测温系统总体设计

2.1系统工作原理

该系统主要由5大模块组成，其中包括DS18B20温度传感器，MSP430F149微控制器，LED显示模块，4X4矩阵键盘输入模块，报警模块5大部分组成。

由温度传感器负责数据采集，经微处理器转换后由LED显示模块输出，同时由键盘模块负责输入温度报警的上下限。

当到达设定的温度限定值时就报警。

其组成框图如下所示：

图2.1组成框图

2.2系统工作流程

首先根据所需设定温度报警的上下限值，然后由温度传感器进行温度数据的采集，当微处理器检测到温度超过设定的范围值时就实行报警。

2.3系统核心器件选型

MSP430F149单片机，DS18B20温度传感器，1个四位八段LED和1个二位八段LED数码显示管，4x4矩阵键盘。

2.4MSP430F149单片机

MSP430的简介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、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。

MSP430的功能特性低电源电压范围：

1.8V至3.6V超低功耗。

主动模式：

400微安在1MHz，2.2V。

待机模式：

2.5微安。

关闭模式（RAM保持）：

0.35微安。

有5种省电模式，唤醒在不到6微秒从待机模式16位RISC架构，扩展内存，125ns指令周期时间，三通道内部DMA12位A/D转换器具有内部参考，采样保持和自动扫描功能，16位3路TimerA比较寄存器，16位7路TamerB比较寄存器，电源电压监控器可编程电平检测，串行通信接口（USART1的），选择异步UART或同步SPI的软件通用串行通信接口。

增强型UART支持自动波特率检测IrDA编码器和解码器同步，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）、简洁的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参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

MSP430主要特点如下：

　　1）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）。

2）超低功耗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。

3）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、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）、实时时钟和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

另外，MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

4）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。

图2.4MSP430F149引脚图

2.5单线数字温度传感器DS18B20

作为一种数字化温度传感器，DS18B20测温时无需任何外部元件，可直接输出9~12位（含符号位）的被测温度值，测温范围为-55Ǜ~+125℃；在-10~+85℃范围内测量精度为±0.5℃，输出测量分辨率可谓，最高可达0.0625℃；支持“单线总线”技术，仅需要占用一个通用I/O端口即可完成与单片机的通信；现场温度直接以“单线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。

“单线总线”通信协议简介。

“单线总线”是一种在一条总线（这条总线只有一条口线）具有单主机多从机的总线系统，在“单线总线”可挂多个从机系统。

为了不引起逻辑上的冲突，所有从机系统“单线总线”接口都是漏极开路的，多个从机系统输出信号在总线上实现线与，因此在使用时必须对总线外加上拉电阻。

为保证数据的完整性，所有的单线总线器件都要遵循严格的通信协议。

“单线总线”通信协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写时序和读时序等几种信号类型。

所有的单线命令序列（如初始化、ROM命令、RAM命令）都是由这些基本的信号类型组成的。

在这些信号中，除了应答脉冲外，其他均由主机发出，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。

DS18B20的内部结构及管脚分布DS18B20主要由4部分组成：

64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂多个DS18B20的目的。

高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。

DS18B20数字温度计以9位数字量形式反映器件的温度值。

DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需要一条连接线。

用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需无需外部电源。

因为每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以用多个DS18B20可以同时连接在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。

这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监控和控制等方面非常有用。

GND：

接地DQ：

数据输入/输出脚。

对于单线操作：

漏极开路VDD：

可选的VDD脚。

图2.5.1DS18B20内部机构

图2.5.2管脚分布

　DSB18B20各引脚介绍如下：

GND为地;DQ为数据输入/输出端;VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）;NC为SOIC封装的，NC为空引脚。

3测温系统的硬件设计

3.1电源及复位模块设计

整个系统采用5V和3.3V供电，考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能和波纹小等特点，其使用LD1117芯片，将电压输出为3.3V，复位电路采用RC复位电路，但RC复位电路解决不了电源毛刺和电源缓慢下降等问题，所以在MSP430单片机的电路中采用芯片复位将更加理想，由于本系统实现功能简单，考虑到降低成本，最终采用了RC复位电路。

其硬件电路原理图如下：

图3.1.1电源连接原理图

图3.1.2复位电路原理图

3.2LED显示模块设计

LED显示器是由8只发光二极管构成的8段数码显示显示器。

其中a——g用于构成7笔字形，DP用于构成小数点。

本次设计中采用的是共阳极数码管，当其接低电平时点亮相应LED灯，为了能够更好的驱动数码管采用了三极管放大。

其硬件电路原理图如下：

图3.2数码管显示原理图

其中共有6位，温度显示由四位八段数码管显示2位整数，1位小数，而二位八段数码管用于功能键显示。

其位选端分别与MSP430F149的P3.0——P3.5相连，显示端分别与单片机的P4.0——P4.7相连。

3.3键盘输入模块设计

键盘输入电路主要用于输入数据，从而实现人机交互。

该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。

其电路原理图如下：

图3.3键盘原理图

该矩阵键盘由行线和列线组成，P1.0——P1.3为行线，P2.0——P2.3为列线。

键盘的行线作为键盘的控制输出端，键盘的列线作为键盘的输入端。

同时考虑到P1端口和P2端口具有中断功能，因此键盘的处理程序也可以由中断产生。

键盘的列线通过上拉电路将两个管脚拉高，这样在没有按键按下的情况下，该两个管脚的电平为高电平，如果有按键按下时，相应的列线管脚为低电平，这时通过设置P1口为中断方式，低电平就出发中断而进入中断服务子程序，从而获得输入的数据。

同注意到，键盘的扫描时间是很短的，仅仅几微妙的时间，然而按键的时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有键按下的话是都可以被扫描到的，但是按键按下时有一定的时间抖动，需要加入键盘的抖动处理。

3.4温度采集模块设计

本次系统设计采用的温度转换模块采用的是DS18B20温度传感器，其原理图如下：

图3.4温度采集原理图

其只有一个端口要接，与单片机的P5.6口相接，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源,测量温度范围为-55°C至+125℃。

华氏相当于是-67°F到257华氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C

1）DS18B20的初始化：

（1）先将数据线置高电平“1”。

（2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）

（3）数据线拉到低电平“0”。

（4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。

（5）数据线拉到高电平“1”。

（6）延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。

据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。

（7）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。

（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。

2）DS18B20的写操作：

（1）数据线先置低电平“0”。

（2）延时确定的时间为15微秒。

（3）按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。

（4）延时时间为45微秒。

（5）将数据线拉到高电平。

（6）重复上

（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。

（7）最后将数据线拉高。

3）DS18B20的读操作：

（1）将数据线拉高“1”。

（2）延时2微秒。

（3）将数据线拉低“0”。

（4）延时15微秒。

（5）将数据线拉高“1”。

（6）延时15微秒。

（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。

（8）延时30微秒。

3.5温度报警模块设计

该部分电路主要是驱动一个蜂鸣器，这样只需要将蜂鸣器的一段接地，另一端与单片机进行相接就可以了，其与单片机的P5.5口相接并且报警指示灯与P5.7口相接，在设计电路中还可以增加一些其他颜色的LED灯，设置不同的温度上下限，能够实现电路的多级报警。

其电路原理图如下：

图3.5报警电路原理图

4测温系统的软件设计

4.1系统软件结构及流程图

图4.1.1按键中断服务子程序流程图

图4.1.2DS18B20温度传感流程图

图4.1.3以上为主程序流程图

4.2LED显示模块程序设计

本次实验的显示是由LED数码管显示的，而温度传感器返回的是11位的二进制数值，因此又如何把这11位二进制数值转换为数码管的10进制数值是这块程序的重点。

经过查阅资料，了解到可以逐位进行转换。

一共11位数据，7位作为整数部分，4位作为小数部分，每次取出一位，若为第一位，若为1，则其值为0.0625，因此设置相应的数码管显示，再取出第二位，若为1，则其十进制0.125，累加上去，一次类推，最后完成整个温度的数码转换。

同时在显示温度时采用的是动显温度，是通过看门狗定时器来实现的，设置看门狗定时器为1.9ms中断，当时间到达时自动进入中断实现移位显示，由于时间间隔短，因此人眼看上去就像是数码管一起显示的一样。

4.3键盘输入模块程序设计

键盘的功能为输入数值，此次设计采用的是4x4矩阵键盘，其功能面板如下：

图4.3键盘布局图

其中0——9为10个数字键；

UPSET为上限温度设定选择键，完成上限温度位选功能；

DSET为下限温度设定选择键，完成上限温度位选功能；

UPS为上限温度设定完成确定键，输入完成后按下；

DWS为下限温度输入完成确定键，输入完成后按下；

NO为待定功能键，可以根据软件设置不同功能。

按键输入程序设计时主要是确定输入的键的键值，然后与预先设定的键码表对照，在用一个选择判断语句switch，选择相应键时即执行相应的操作。

在确定键值时用的是行列式扫描法，同时考虑到如果不先按位选键，直接按其他键也会进入按键中断服务子程序，因此特别加入了消除此缺陷的语句，使得在按错键时系统也能执行显示温度的操作，使系统运行更可靠，更稳定。

其实现方法如下：

default:

{//实现按其他键时不会出现死循环，无法正常显示温度

if（（presskey11==0）&&（presskey10==0））{

IE1|=WDTIE;//看门狗中断使能开

TBCCTL0|=CCIE;//定时器中断使能开

}

break;

按键程序的主要思想是首先判断是否按下功能选择键，如果按下，则置相应的功能选择键标志为1，然后再判断是否是在功能选择键标志为1（即先按了功能选择键）的情况下再按了数字键，此时才能进入温度设定程序，否则按键无效，正常显示温度。

同时温度设定完后将相应的功能选择键标志位归0。

4.4温度采集模块程序设计

温度采集模块主要是运用了温度传感器DS18B20，这款温度传感器具有温度转换功能，能通过指令将电压值转换为当前的温度值，同时还可以考虑多个温度传感器一起工作，实现多点的温度采集，而本次系统设计只需要一个就行，因此忽略了取产品ID号的过程，在编程