基于MSP430温湿度测量仪设计.docx
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基于MSP430温湿度测量仪设计
基于MSP430的温湿度测量仪设计
集美大学信息工程学院
电子信息工程专业2006届杨燕宇学号：
2002820036
【摘要】本设计以MSP43F437单片机为核心，采用集成化的数字温度湿度传感器，实现了对温度湿度的测量、显示、存储、传输、打印。
来自温湿度传感器信号IIC总线进入MSP430F437，在MSP430F437中，温度湿度数据一方面送LCD显示；另一方面将温度湿度数据存储在AT25256中，存储下来的温度湿度数据可以经RS232总线传输到PC中，在PC应用程序中，可以对温度湿度数据进行曲线显示，并可以打印报表。
同时还可以通过按键对温度湿度测量的时间间隔、是否存储、起始时间等参数进行设置。
此外，还采用VB编写了PC端应用程序。
整个系统可以外接9VDC电源供电，可以采用9V锂电池供电，由于MSP430单片机的超低功耗特性，以及程序设计中采用低功耗设计方式，使得整个系统非常省电，特别适合于手持式仪表。
【关键词】温度测量湿度测量MSP430
TheDesignofTemperatureandHumidityMeterBasedonMSP430
InformationTechnologyCollegeofJimeiUniversity
MajorofElectronicEngineering，2006YANYUYANG，NO：
2002820036
[Abstract]Inthisdesign,IusetheMSP43F437forcoreandtakeanintegrationnumericaltemperaturesensortocarryoutthemeasuringofthetemperaturedegreeandthehumidity,andtoshow,tosave,totransmit,toprinttheresultofthemeasuring.ThesignalcomingfromthesensoristransmittedtotheMSP430F437throughtheIICBUS.ThedatathatwehavegatheredwillbeshowintheLCDandwillbedepositedintheAT25256.ThedatawehavedepositedcanbetransmittedtothepcthroughtheRS232BUS.WecanshowthedatabyacurveinPCinvirtueofapplicationprogram,andwecanalsoprintthereportforms.Wecansetthetimepartition,starttimeandcandecidewhetherdepositthedataornotthroughthekeyboard.Inaddition,IalsowritethePCapplicationprogramusingVB.Thesystempowerissupplyby9VDC.Wecandrivethesystembythe9VLithiumbattery.ThankstothelowpowerexhaustscharacteristicoftheMSP430,andwedesigntheprograminpurposeofsavingpower,thesystemconsumelittle,andthesystemisspeciallysuitableforhandheldappearance.
[KeyWords]TemperatureMeasureHumidityMeasureMSP430
引言
温湿度测量是现代测量新发展出来的一个领域，尤其湿度的测量更是不断前进。
经历了长度法、干湿法直至今天的电测量的历程，使湿度测量技术日渐成熟。
时至今日，由于我们不再满足于温湿度的测量，尤其是一些场所的监控直接要求实时测量并记录其全过程温湿度变化，并依据这些变化认定储运过程的安全性，导致了新的温湿度测量仪的诞生。
温湿度测量仪是将温湿度参数进行测量并按照预定的时间间隔将其储存在内部存储器中，在完成记录功能后将其联接到PC机，利用适配软件将存储的数据提出并按其数值、时间进行分析的仪器。
利用该仪器可确定储运过程、实验过程等相关过程没有任何危及产品安全的事件发生。
目前，温湿度测量仪在食品储运、博物馆文物、档案管理、建材实验、农业及畜牧业的应用、气候记录、重要医卫场所、管路维护等方面都重要的应用。
第一章温湿度测量仪设计方案
1.1系统基本要求
◆采用MSP430超低功耗单片机作用系统设计的核心；
◆采用段式LCD显示温度和湿度；
◆采用集成的数字式温度湿度传感器；
◆具有参数设计功能；
◆具有数据存储功能；
◆具有通信功能。
1.2系统基本结构
图1-1系统基本结构图
1.3各个模块的功能
1）MSP430F437单片机
v本系统的核心器件，主要功能是温度湿度数据采集、处理、存储、传输、LCD显示等。
2）温度湿度传感器电路
v采用集成的数字式温度湿度传感器，通过IIC总线与MSP430F437通信。
3）LCD显示电路
v采用段式LCD，显示采集到的温度、湿度、时间等数据及系统的工作状态信息。
4）数据存储电路
v采用4片AT25256，存储采集到的温度湿度数据，并存储时间及参数设置信息。
5）RS232通信电路
v与PC通信，可从PC上设置系统参数，并可以读取、擦除AT25256中的数据。
6）按键电路
v完成系统参数设置功能。
7）JTAG电路
v现实程序的在线调试及下载编程功能。
8）电源电路
v采用9V锂电池供电，通信电路转换电路，提供系统工作所需的3.3V电源。
第二章温湿度测量仪的硬件设计
2.1MSP430F437介绍
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位超低信号功耗的混合处理器。
称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用要求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
MSP430单片机主要特点如下：
（1）超低功耗。
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅仅0.1uA，活动模式耗电250uA/MIPS，IO输入端口的漏电流最大仅仅50nA。
（2）强大的处理能力。
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前最流行的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS。
（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。
MSP430系列单片有机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
视型号的不同可能组合有以下功能模块：
看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时B（其Timer_B），串口0，1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12/14位ADC，12位DAC，IIC总线，直接数据存取（DMA），端口1～6（P1~P6），基本定时器（BasicTimer）等。
（4）系统工作稳定。
上电复位后，首先由DC0_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。
这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。
另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40~+85℃，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。
（5）方便高效的开发环境。
目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型，国内大量使用的是FLASH型。
这些器件的开发手段不同，对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩摸的芯片。
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，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行，读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。
2.2温湿度测量电路
2.2.1温湿度传感器介绍
温度湿度采用瑞士Sensirion的SHT7x集成的数字式传感器，采用IIC总线与MSP430F437通信，电路简单，SHT7x命令字很，使得通信程序设计很方便。
这种传感器采用独特的CMOSensTM技术，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。
SHT7x温湿度传感器的主要特性如下：
（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、IIC总线接口全部集成于一片（COMSensTM技术）；
（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；
（3）带有工业标准的IIC总线数字输出接口；
（4）具有露点值计算输出功能；
（5）具有卓越的长期稳定性；
（6）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并且可编程；
（7）小体积（7.65×5.08×23.5mm），可表面贴装；
（8）具有可靠的CRC数据传输校验功能；
（9）片内装载的校准系数可保证100%互换性；
（10）电源电压范围为2.4～5.5V；
（11）电流消耗,测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA。
SHT7x温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装形式，其引脚说明如下：
（1）GND：
接地端；
（2）DATA：
双向串行数据线；
（3）SCK：
串行时钟输入；
（4）VDD电源端：
0.4～5.5V电源端；
（5）（5～8）NC：
空管脚。
SHT7x的测量原理如下：
SHT7x的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。
由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。
COMSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准IIC总线等电路全部集成在一个芯片内。
SHT7x的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。
SHT7x传感器的校准系数预先存在OTP内存中。
经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线IIC总线器件，从而将数字信号转换为符合IIC总线协议的串行数字信号。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。
首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。
最后，传感器可直接通过IIC总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。
SHT7x的时序使用说明如下：
（1）传输开始。
初始化传输时，应首先发出“传输开始”命令，该命令可在SCK为高时使DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。
接下来的命令顺序包含三个地址位（目前只支持“000”）和5个命令位，当DATA脚的ack位处于低电位时，表示SHT7x正确收到命令。
（2）连接复位顺序。
如果与STH7x传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：
即当DTAA线处于高电平时，触发SCK9次以上，此后应接着发一个“传输开始”命令。
（3）温湿度测量时序。
当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。
使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210ms的时间。
为表明测量完成，SHT7x会使数据线为低，此时控制器必须重新启动SCK，然后传送两字节的测量数据与1字节CRC校验和。
控制器必须通过使DATA为低来确认每一个字节，所有的量均从右算，MSB列于第一位。
通讯在确认CRC数据位后停止。
如果没有用CRC-8校验和，则控制器就会在测量数据LSB后保持ack为高来停止通讯，SHT7x在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。
SHT7x传感器中的一些高级功能是通过状态寄存器来实现的，寄存器各位的类型及说明见表1所列。
下面对寄存器的相关位的功能说明：
（1）加热。
使芯片中的加热开关接通后，传感器温度大约增加5C，从而使功耗增加至8mA＠5V。
加热用途如下：
通过对启动加热器前后的温、湿度进行比较，可以正确地区别传感器的功能；在相对湿度较高的环境下，传感器可通过加热来避免冷凝。
（2）低电压检测。
SHT7x工作时可以自行检测VDD电压是否低于2.45V，准确度为±0.1V。
（3）下载校准系数。
为了节省能量并提高速度，OTP在每次测量前都要重新下载校准系数，从而使每一次测量节省8.2mS的时间。
（4）测量分辨率设定。
将测量分辨率从14位（温度）和12位（湿度）分别减到12位和8位可应用于高速或低功耗场合。
表1SHT7x命令字表
No
命令
命令字
1
保留（Reserved）
0000X
2
测量温度
00011
3
温量湿度
00101
4
读状态寄存器
00111
5
写状态寄存器
00110
6
保留（Reserved）
0101X-1110X
7
软件复位
11110
2.2.2温度湿度测量电路
在现代电子系统中，有为数众多的IC需要进行相互之间以及与外界的通信。
为了提高硬件效率和简化电路设计而广泛使用Inter-IC（IIC）。
IIC总线是一种用于内部IC控制的具有多端控制能力的双线双向串行数据总线系统。
能够用于替代标准的并行总线，连接各种集成电路和功能模块。
IIC器件的应用能够减少电路间连线，减小电路板尺寸，降低硬件成本，并提高了系统可靠性
MSP430可以同时连接多个IIC设备，其连接关系如图2-1所示。
图2-1MSP430与多个IIC总线设备通信
在本系统中，MSP430与温度湿度传感器SHT7x的连接关系如图2-2所示，电路结构非常简单。
图2-2MSP430与SHT7x通信连接图
2.3温度湿度数据存储电路
2.3.1AT25256介绍
温度湿度数据存储芯片采用ATMEL公司的SPI接口的低电压串行EEPROMAT25256。
AT25256主要适用于低功耗场合，内部按照32K×8位组织，可以工作在3.3V电压下，最大串行时钟频率为2.1MHz。
支持64字节的页写方式以及字节写方式。
另外，AT25256还可以通过设置写保护引脚/WP的电平来设置芯片的只读或可写状态。
2.3.2SPI协议介绍
串行外围设备接口SPI（SerialPeripheralInterface）总线技术是一种同步串行接口，其硬件功能很强，因此，与SPI有关的软件相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
SPI总线上可以连接多个可作为主机的MCU（微控制器）、装有SPI接口的输出设备、输出设备，如液晶驱动、A/D转换等外设，也可以简单连接到单个TTL移位寄存器芯片。
总线上允许连接多个设备，但在任一瞬间只允许一个设备作为主机。
其中SPI总线的时钟线由主机控制，另外还有数据线：
主机输入/从机输出线和主机输出/从机输入线。
主机和哪台从机通信通过各从机的选通线进行选择。
应用SPI的系统可以简单，也可以复杂，主要有多种形式：
（1）一台主机MCU和若干从机MCU；
（2）多台MCU互相连接成一个多主机系统；（3）一台主机MCU和若干从机外围设备。
MSP40与SPI设备的连接关系如图2-3所示。
图2-3MSP40与SPI设备的连接图
2.3.3温度湿度数据存储电路
本系统的采用了2块SPI接口的AT25256芯片，其电路原理图如图2-4所示：
图2-4温湿度数据存储电路
2.4RS232通信电路
2.4.1RS232协议介绍
对于RS-232C接口，需要说明两点是：
首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment）而制定的。
其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（Recommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都的规定如下：
（1）在TxD和RxD上：
v逻辑1（MARK）=-3V～-15V
v逻辑0（SPACE）=+3～＋15V
（2）在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
v信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V
v信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V
以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。
对于数据（信息码）：
逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平告语+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±（3～15）V之间。
RS-232C与TTL转换：
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换，
RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是：
（1）联络控制信号线：
数据装置准备好（Datasetready-DSR）、数据终端准备好（Datasetready-DTR）、请求发送（Requesttosend-RTS）、允许发送（Cleartosend-CTS）、接收线信号检出（ReceivedLinedetection-RLSD、振铃指示（Ringing-RI）；
（2）数据发送与接收线：
发送数据（Transmitteddata-TxD）、接收数据（Receiveddata-RxD）；（3）地线。
2.4.2RS232通信电路
RS232通信电路由两部分组成，一部分在主板上，如图2-5所示，另一部分电路在RS232的通信电缆上，通信电缆上的电路主要完成TTL电平与RS232电平的相互转换。
这两部分采用立体声的音频接口连接。
立体声的音频接口比较小，制作在便携式仪表上比采用DB9的RS232接头更美观，同时插拔更方便。
图2-5RS232通信电路
2.5段式LCD显示电路
2.5.1段式LCD显示原理
液晶显示器的原理是利用液晶的物理特生，通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。
光线通过和不通过的组合就可以在屏幕上显示出图象来。
通俗地说，液晶显示器就是两块玻璃中间夹了一层（或多层）液晶材料，液晶材料在信号控制下改变自己的透光状态，于是就能在玻璃面板前看到图像了。
由于液晶是通过境光来显示信息的，液晶本身不主动发光，所以液晶功耗很低，更加适合于单片机低功耗应用系统。
另外，液晶只能使用低频交流电压驱动，直流电压将损坏液晶。
液晶有很多种类，常见的有段式液晶、字符式液晶、图形式液晶等。
其中段式液晶价格低廉，使用简单，被广泛地用于各种单片机应用系统中，例如各种智能仪表的显示。
在MSP430系列单片机中，MSPX1XX系列没有段式液晶驱动模块，MSP430F4XX系列片内具有段式液晶驱动模块。
具体型号的液晶驱动段能力不同，参见本书第1章选型部分。
在液晶驱动电路中，液晶等效为电容。
两个电极板分别为公共极与段极。
公共极由COMn信号驱动，段极由SEGn信号驱动。
MSP430液晶驱动模块主要特点如下：
（1）具有显示缓存器
（2）所需的SEG、COM信号自动产生
（3）4种驱动方法
（4）多种扫描频率
（5）段输出端口可以切换为通常输出端口
（6）显示缓存器可作为一般存储器
（7）用ACLK经BasicTimer产生频率
MSP430液晶驱动模块有4种驱动方法，分别为静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动、4MUX驱动。
静态驱动方法，除了公共极需要一个引脚，驱动的每一段还各需要一个引脚。
如果设计中涉及很多段数，就需要占用众多引脚。
为了减少引脚个数，可以根据需要选择多路驱动方法：
2MUX驱动、3MUX驱动、4MUX驱动方法。
增加公共极个数，可以极大地减少引脚数。
需要驱动的段数越多，效果越明显。
本系统由于所需要显示的段码较多，故采用了4MUX的驱动方式，其显存与I/O脚的对应关系如图2-6所示。
图2-64MUX驱动时显存与IO脚的对应关系
2.5.2段式LCD显示电路
段式LCD显示电路接口电路如图2-7所示。
图中，R15、R16、R17为10K等值电阻，以此分压产生LCD显示所需的交流电压波形。
图2-7段式LCD显示电路
2.6按键电路
按键是计算面系统中最常用的人机对话输入部分。
在单片机应用系统中，为了控制系统的工作状态以及向系统输入数据，一般均设有按键或键盘。
键盘一般分为编码键盘和非编码键盘两种。
编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。
只要按下某一个键，就能产生这个键的代码（一般称为编码），这种键盘使用比较方便，需要编者按写的键盘输入程序也比较简单。
非编码键盘是由若干个按键组合的开关矩阵，按键的作用，只是简单地实现接点的接通和断开，非编码键盘必有一套相应的程序与之配合，才能产生出相应的键
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