（测试计量技术及仪器专业论文）基于msp430f1111a单片机的温度控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 温度是与人类生活密切相关的物理量，在众多的行业中都需要对温度进行测控。 随着半导体技术的飞速发展，各种数字化、智能化温度测量技术的应用范围越来越 广。因此，掌握温度测控系统的硬件组成及系统软件设计尤为重要。通过该课题的 研究将对自己的动手能力和创新精神有很大的促进作用。 目前中央空调在各大商场、宾馆、饭店己迅速普及。随着人们生活水平的提高， 户式中央空调也走进了家庭。为了独立控制各个房间的温度，就需要使用温度控制 器，为此设计了款基于m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机的温度测控系统，该系统具有低功 耗、低成本、方便用户操作等特点。 m s p 4 3 0 f l l l l a 单片机是一种具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点 的1 6 位单片机，因此在许多领域都得到广泛的应用。特别是它的超低功耗的特点是 其他单片机不可比拟的。另外，m s p 4 3 0 系列单片机支持采用汇编语言和c 语言进 行开发，采用c 语言可以大大提高开发效率，缩短开发周期，并且采用c 语言开发 程序具有非常好的可读性和移植性，因此采用c 语言开发m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机非 常方便。 论文首先对国内外温度测控技术的现状作了简介，包括温度检测技术的发展与 创新，目前常用的检测方法和课题的目标；然后对课题所用的主要芯片和元件做了 简单的介绍，阐述课题的设计原理和方法；在论文的第三部详细讲述了课题所使用 的热敏电阻的非等距离插值非线性补偿算法；第四部分介绍了课题的硬件部分设计； 第五部分讲述了软件设计方法与过程；最后介绍了课题所设计的系统在设计过程中 注意的事项以及系统的调试。 关键词温度；线性化；温度控制；s 么模数转换；i a r ； a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r ei sc l o s e l yr e l a t e dt oh u m a nl i f e ，i nm a n yi n d u s t r i e smn e e do f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , d i g i t a l a n d i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n to ft h ea p p l i c a t i o no f t e c h n o l o g ym o r ew i d e l y t h e r e f o r e ，t h e m a s t e ro ft h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m h a r d w a r ea n ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t 1w i l lh a v et h ev e r yg r e a t p r o m o t i o nt h r o u g h t h i st o p i c sr e s e a r c ht oo w nb e g i n n i n ga b i l i t ya n dt h ei n n o v a t i v es p i r i t i 玎v i e wo ft h ep r e s e n tc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gi nt h em a j o rs h o p p i n gm a i l s ，h o t e l s ， r e s t a u r a n t sa l r e a d yr a p i d l yp o p u l a r i z e d w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ， t h eh o u s e h o l dt y p ec e n t r a la i rc o n d i t i o n i n ga l s oe n t e r e dt h ef a m i l y f o rt h ei n d e p e n d e n t c o n t r o le a c hr o o m st e m p e r a t u r e ，n e e d st h ea p p l i c a t i o nt e m p e r a t u r em o n i t o r , f o rt h i s r e a s o nd e s i g n sas e c t i o no ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h et o p i ct h es y s t e mw h i c h d e s i g n s “b a s e do nt h em s p 4 3 0 f l l l l at e m p e r a t u r es u p e r v i s o r ys y s t e m sr e s e a r c h h a s l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，u s e r f r i e n d l yo p e r a t i o na n ds oo n m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 am c ui sak i n d o fh i g hi n t e g r a t i o n ，e x t e r n a le q u i p m e n tr i c h ， u l t r a 1 0 w p o w e ra d v a n t a g e so f t h e1 6 - b i tm i e r o c o n t r o l l e r , i nm a n ya r e a sh a v eb e e nw i d e l y u s e d p a r t i c u l a r l yi t s u l t r a 1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yo t h e rm c u u n p a r a l l e l e d i na d d i t i o n ，m s p 4 3 0m c us u p p o r t e dt h eu s eo fa s s e m b l yl a n g u a g ea n dc l a n g u a g ed e v e l o p m e n t ，u s i n g cl a n g u a g ec a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o f d e v e l o p m e n t ，s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，a n du s i n gc - l a n g u a g ed e v e l o p m e n tp r o c e s s h a sav e r yg o o dr e a d a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , t h eu s eo fcl a n g u a g ed e v e l o p m e n t m s p 4 3 0 f l l l l am c ui sv e r yc o n v e n i e n t f i r s to fa l ld o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp a p e r so nt h es t a t u so ft h et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y m a d eab r i e f , i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ) 7 d e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o n ，t h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o dc o m m o n l yu s e db yt h eg o a l s a n dt a s k s ；t h e nt h em a i nc h i pw h i c ha n dt h ep a r tu s e st ot h et o p i cm a k et h es i m p l e i n t r o d u c t i o nt oe x p l a i n ，e l a b o r a t i o nt o p i cp r i n c i p l eo fd e s i g na n dm e t h o d ；n a r r a t e di n d e t a i li n p a p e r t h i r dt h e t o p i c u s e st h e r m i s t o r sn o n - e q u i d i s t a n c ei n t e r p o l a t i o n m i s a l i g n m e n tc o m p e n s a t e st h ea l g o r i t h m ；t h ef o u r t hp a r ti n t r o d u c e dt h et o p i ch a r d w a r e p a r td e s i g n ；t h ef i f t hp a r tn a r r a t e dt h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o da n dt h ep r o c e s s ；f i n a l l y i n t r o d u c e dt h et o p i cd e s i g n ss y s t e mi t e mw h i c ha sw e l la ss y s t e m sd e b u g g i n gp a y s a t t e n t i o ni nt h ed e s i g np r o c e s s 1 1 河北科技大学硕士学位论文 k e y w o r t i st e m p e r a t u r e ；l i n e a r i z a t i o n ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；s 一4a d c ：i a r l 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多垫立 沙0 8 年，2 月3 目 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 留不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：j 长盎 沙略年l 阳9 日 指导教师签名： 跏g 年屈月苫日 孚 ，绚 ， 酾细 名 月 签 胆 师 事 溯 降 戥 弼 匕日 指 箩 第1 章绪论 第1 章绪论 温度与人类生活密切相关，随着人类社会的进步，测量温度的产品也在飞速的 发展。传统的利用水银温度计人工监测温度的方法，由于工作量大，操作不方便， 测量准确度低，难以满足各个领域的要求而慢慢被新技术和产品所代替，科技，生 产技术的进步发展迫切要求新的智能化的测量技术的快速发展。 随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检 测与控制温度。通常温度监测系统主要选用热敏电阻、数字温度传感器、光纤温度 传感器作为温度传感器，它们在温度检测领域中各有其特定的优点，因而被广泛地 采用。单片机在最近几年发展速度相当快，人们的日常生活中大量的使用着单片机， 为满足各种应用要求而生产的单片机也越来越多。对于一种产品来说，人们不但关 心它的价格、性能，而且关心它使用是否方便等，因此我们在选择器件时，要根据 课题的需要来选择，不能盲目的追求先进。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机具有丰富的外 设而且功耗很低，工作稳定，方便调试，利用热敏电阻和m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 设计的温 度检；1 9 1 控制系统具备以上特点成为课题的首选。 该课题是针对当前中央空调的控制需要，设计出一款用于中央空调的温度控制 器。整个系统通过一个红外遥控器控制，使用者只需通过遥控器上的按键来轻松设 定系统工作时的参数，从而控制中央空调工作，使室内温度满足用户的要求。 1 1 研究背景及国内外技术现状 1 1 1温度检测的发展趋势 温度是与人类生活密切相关的物理量，在众多的行业中都需要对温度进行测控。 随着半导体技术的飞速发展，各种数字化、智能化温度测量技术的应用范围越来越 广。 国内许多恒温库的温度检测技术还停留在较落后的水平。以山东德州地区为例， 整个地区用于储存肉食、蔬菜和水果的恒温库有1 0 0 余个，但其对温度的检测还只 是采用水银温度计或动圈仪表，存在着测量精度低，反应速度慢，实时性不好等问 题。这就使得恒温库的管理远远跟不上农业迅速发展的要求，同时也造成经济上的 损失。 随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检 测与控制温度。通常温度监测系统主要选用热敏电阻、数字温度传感器、光纤温度 传感器作为温度传感器，它们在温度检测领域中各有其特定的优点，因而被广泛地 采用。单片机应用于温度检测在最近几年发展速度相当快，人们的日常生活中大量 河北科技大学硕士学位论文 的使用着单片机。对于一种产品来说， 使用是否方便等。因此，方便、快捷、 1 1 2目前常用的温度检测方法 人们不但关心它的价格、性能，而且关心它 准确成为现代温度测量产品的发展趋势。 温度测量的原理是：将随温度变化而变化的物理参数，如膨胀、电阻、电容、 热电动势、频率、光学特性等通过温度传感器转变成电的或其他信号，传给处理电 路。最后转换成温度数值显示出来。常见的温度检测方法有以下几种： 平均升温法。工业上普遍采用的一种测量电抗器温度的方法，是平均温升法。 该方法主要是利用电抗器断电后的绕组电阻随时间的变化曲线，再外推求出断电瞬 间的电阻值，然后利用平均温升计算公式进行计算。可以看出，该方法也只能测量 电抗器的平均温升，而电抗器内部各点温升是不同的，温差可达2 0 - 4 0 红外测温技术。红外温度连续监控系统是将一种非接触无源高精度红外温度传 感器，安装在关心区域处的温度测量方法，采用红外线进行温度测量的关键器件是 红外线传感器。红外线传感器系统的组成，主要由光学系统和辅助光学系统，光电 转换器件，电信号放大处理和模数转换等部分组成。红外传感器的工作原理，是通 过接收目标物体发射，反射和传导的能量来测量其表面温度，探测元件将采集的能 量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数输出。测温必须经过标定 才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果在使用中出现测温超差，则需要进行 重新标定。由于传感器己将温度数据确定，若出现偏差，只能由单片机进行数据处 理加以修正，给出正确的测量温度。红外测温装置具有故障率低、精确可靠的特点， 这种温度测量方式也是一个趋势。目标和测温仪所在的环境条件如温度、污染等因 素对测温的准确性产生影响【1 】f 2 】 利用变色测温贴片进行测量。这种测温方法是近几年才兴起的测温方法，变色 测温贴片是一种能够随物体温度的变化而改变颜色并由此可以掌握物体温度变化的 产品，在变压器测温中有所应用。这种产品的优点是：特别适合于普通温度计无法 或难以测量的部件、外表面以及危及生命的环境中的物体。如晶体管、集成电路、 化工反应罐、发动机轴承、导电母线、开关、接头、变压器等的温度测量。它具有 如下优点：便于巡视检查，温度发生变化，就引起颜色变化，人们即可采取措施， 避免事故发生，防患于未然；产品轻巧，便于携带，安装简便。如带有不干胶的测 温变色贴片，用时很方便，揭下来一贴就可以了；比较经济，在测量相同数目的测 温点时，比其它测温工具节省费用，不过目前应用并不广泛【3 1 。 采用光纤温度传感器进行测量。光纤传感技术自从七十年代一出现，就在世界 范围内得到迅猛发展。光纤传感技术具有光学敏感测量和光纤传输的许多优点，诸 如，灵敏度高、无辐射干扰、电绝缘和抗电磁干扰性好、化学稳定性好、安全防爆 2 第1 章绪论 以及重量轻、体积小、可挠曲、便于复用成网、易于实现远距离多通道的遥测与控 制等。现在许多种类型的光纤传感器都己商业化并在生活、生产等各个领域中得到 大量应用。对电抗器在线温度的测量采用光纤温度传感器多采用分布式光纤温度传 感器，现在，分布式光纤温度传感器在国外已广泛应用于实践中，在国内，重庆大 学、中国计量学院、浙江大学、北京理工大学、华中科技大学、北京航空航天大学 等单位根据应用的需要，先后开展了分布式光纤温度传感器的研究，并且已有少量 产品问世。但是，到目前为止，我国的光纤传感器研究仍然未完成由实验室向产品 化的过渡，很少有分布式光纤温度传感器产品应用到实际生产和生活中1 4 j 。 1 2选题的目的、论文内容及意义 1 2 1温度检测的发展现状 温度与人类生活密切相关，随着人类社会的进步，测量温度的产品也在飞速的 发展。传统的利用水银温度计人工监测温度的方法，由于工作量大，操作不方便， 测量准确度低，难以满足各个领域的要求而慢慢被新技术和产品所代替，科技，生 产技术的进步发展迫切要求新的智能化的测量技术的快速发展。 随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检 测与控带0 温度。通常温度监测系统主要选用热敏电阻、数字温度传感器、光纤温度 传感器作为温度传感器，它们在温度检测领域中各有其特定的优点，因而被广泛地 采用。单片机在最近几年发展速度相当快，人们的日常生活中大量的使用着单片机， 为满足各种应用要求而生产的单片机也越来越多。对于一种产品来说，人们不但关 心它的价格、性能，而且关心它使用是否方便等，因此我们在选择器件时，要根据 课题的需要来选择，不能盲目的追求先进。 1 2 2课题的目的、内容及意义 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机具有丰富的外设而且功耗很低，工作稳定，方便调试， 利用热敏电阻和m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 设计的温度检测控制系统具备以上特点成为课题的 首选。 该课题的目的是：设计出一款用于中央空调的温度控制器。整个系统通过一个 红外遥控器控制，使用者只需通过遥控器上的按键来轻松设定系统工作时的参数， 从而达到弱电控制强电，控制中央空调三速风盘电机的转速来控制出风口的出风量， 使室内温度满足用户的要求。 其内容主要包括：查阅资料，选择元件；建立课题的电路模型，设计硬件电路； 程序流程的设计，编程调试；软硬件结合对电路进行仿真、试验。 单片机是本系统的核心，它控制着系统的各项功能，因此选择性能可靠的单片 3 河北科技大学硕士学位论文 机对课题的实现尤为重要。考虑到满足功能要求、性价比、开发手段、货源保证等 因素，课题选择了超低功耗、具有1 6 位r s i c 结构、支持汇编和c 语言开发的单片 机m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 。 温度传感器是本系统的测量单元，考虑到系统是对中央空调的出风量的控制， 对测量精度的要求不是太高，针对课题查阅大量相关的数据、资料，最终选定热敏 电阻为本课题的首选。 m s i p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机是一种具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点 的1 6 位单片机，因此在许多领域都得到广泛的应用。特别是它的超低功耗的特点是 其他单片机不可比拟的。另外，m s p 4 3 0 系列单片机支持采用汇编语言和c 语言进 行开发，采用c 语言可以大大提高开发效率，缩短开发周期，并且采用c 语言开发 程序具有非常好的可读性和移植性，因此采用c 语言开发m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机非 常简单。作为一名测试计量技术及仪器专业的学生，在课题中使用m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机，触类旁通，可以掌握m s p 4 3 0 系列单片机开发的步骤、方法、技巧与注意 事项等。而且对单片机c 语言和编程思路也有了进一步的巩固。 利用热敏电阻和m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机设计温度检测系统具有硬件电路简单、 成本低，涉及到模拟电路、数字电路、硬件和软件等各方面的知识，课题的研究在 温度检测方面具有一定的借鉴价值。 1 2 3论文内容的安排 本文的内容具体安排如下： 第1 章绪论，介绍了引信的体制，课题研究的背景和意义，国内外研究现状以及 本文的研究内容和结构安排。 第2 章介绍了元件的选择方法，系统设计用到的主要芯片和元件的简介，最后介 绍了利用所选元件m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 和热敏电阻测量温度时的原理。 第3 章介绍了热敏电阻的非线性补偿算法，根据课题的需要，在比较硬件电路补 偿法和软件补偿算法，以及软件算法中的等距离插值法和非等距离插值算法的优缺 点，最终使用了软件补偿法非等距离插值补偿算法来补偿电路中热敏电阻的温 度偏差，提高了系统的精确度。 第4 章介绍了系统的硬件电路的设计，硬件电路的介绍中把系统分为电源电路、 复位电路、接口电路、温度测量电路、和系统总电路5 个部分进行介绍。 第5 章给出了系统软件的设计方法，系统软件分为温度采集模块、继电器控制模 块、红外接收解码程序、系统中断程序和主程序。主程序通过函数的调用来协调个 程序模块的工作。 第6 章是系统的检测与调试，讲述了课题在设计的过程中需要注意和遇到的问 4 第1 章绪论 题。分为硬件电路的检测应注意的问题，和软件调试。最后介绍了系统的软硬件结 合调试。 最后对全文所作的工作做出总结。 5 第2 章系统主要元器件和测量原理综述 第2 章系统主要元器件和测量原理综述 我们都知道，在当今充满竞争的社会潮流中，我们所设计的产品能否在市场站 住脚，除了产品的质量、信誉、服务等，还有一个最重要的因数就是产品的成本， 课题是应用在中央空调上的温度控制系统，最终是要转化成商业产品的。这就要求 我们在系统开发阶段合理的选择各种元器件，在不影响产品的质量的情况下，最大 限度地降低系统成本。这样产品投产之后才会在市场上具有更大的竞争力。根据课 题的应用对象，产品的可靠性，成本等因素最终选择了1 1 公司m s p 4 3 0 f 1 1 x 系列单 片机。 本章首先对m s p 4 3 0 f 1 1 x 系列单片机的主要特点和芯片引脚功能进行介绍，使 读者对m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 整体上了解。然后单独介绍了在设计中要用到的 m s p 4 3 0 f l l l l l a 单片机的定时器和比较器，这2 个模块在本设计的硬件和软件设计 中都属于难点和重点。 在对热敏电阻的介绍中，先从温度传感器的分类和选择来介绍，讲述了选择热 敏电阻的原因，然后对热敏电阻简单的介绍。本章的最后部分介绍了课题的设计原 理。 2 1m s p 4 3 0 f l l l l a 单片机的主要特点 m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 属于m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机的一种，是一种超低功耗的混合 信号控制器，它具有1 6 位r s i c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器能使其 达到最高的代码效率。数字控制振荡器( d c o ) 可以使系统在低功耗的模式下迅速 唤醒，能够在6 m s 内使系统从低功耗模式转到激活工作状态模式。 2 1 1m s p 4 3 0 f 1 1 l l a 单片机的特点 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机主要具有以下特点1 1 2 1 。 具有很低的供电电压。最低可以低到1 8 v ，供电电压范围1 8 - 3 6 v 。 超低功耗。这是目前很多其他单片机没有的特点，m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机在 休眠状态下的工作电流只有0 8 口a ，就是在2 2 v 、1 m h z 条件下工作的电流也只有 2 0 0 t a 。 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要6 m s 。 快速的指令执行时间。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机采用1 6 位的r i s c 结构，指令 执行时间只需要1 5 0 n s ，是传统单片机不能比拟的。 具有灵活的时钟设置方式。m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机主要有6 种时钟设置方式： 可变内部电阻设置方式、单个外部电阻方式、3 2 7 6 8 h z 晶体方式、高频率晶体方式、 6 河北科技大学硕士学位论文 谐振器方式和外部时钟源方式。用户可以根据功耗要求和速度需求进行灵活的时钟 设置。 1 6 位定时器t i m e a 带有3 个捕获i l k 较寄存器。 代码保护功能。单片机的安全熔丝能对程序的代码进行保护，从而可以对知识 产权进行保护。 具有j t a g 仿真调试接口，非常便于软件的调试。 2 1 2m s p 4 3 0 f 1 1 1 1 a 单片机的结构 图2 1 为m s p 4 3 0 f 1 1 x 系列单片机的管脚图。 u l 珏s r p1 7 7 r a 2 渤? ) i v c cp 1 鑫1 a i 皿堇疆c u 【 t 2 5 ：l t 0 9 ep1 5 。1 0 l 。、! x 鉴 砺；p 1 甄圣c ix ： c k x o ：玎p 1 3 j t a 二 x e kp 1 2 呵a 1 r 汀0 0 丑 p l - 1 ，t a d p 2 8 盘( ：xp 1 n 能c 甩 匏1 鞠臻二kp 三4 芯a 1 j t - a 2 p 2 2 ，c 兔c 堰玎强0p 2 3 正a o 叮a 1 = 印4 3 0 ni l i a 1 图2 - 1m s p 4 3 0 f 1 1 x 系列单片机的管脚图 f i g 2 - 1m s p 4 3 0 f l l xs e r i e sm c up i n 如图2 1 所示： t e s t ：用于端口1 的j t a g 管脚检测方式选择。 v c c ：电源端，接电源高电平。 p 2 5 ro s c ：通用数字i o 管脚j b 接电阻管脚，通过外接电阻来确定d c o 的工 作频率。 v s s ：电源接地端。 x o u t t c l k ：晶体振荡器输出端n 试时钟输入端。 x i n ：晶体振荡器连接端。 瓦聂- n m l ：复位信号输入端不可屏蔽中断输入端。 p 2 o a c l k 通用数字i o 管脚a c l k 输出端。 p 2 1 i n c l k ：通用数字i o 管脚t t m e r _ a ，i n c l k 时钟信号。 p 2 2 c a o l 蛐o ：通用数字i o 管脚门n m e ra ，捕获：c c i o b 输入，比较：o u t 0 输出。 7 第2 章系统主要元器件和测量原理综述 p 3 o s t e o ：通用数字i o 管脚从传输使能：u s a r t o s p l 模式。 p 3 1 s i m 0 0 ：通用数字f o 管脚u s a r t 0 s p i 模式下的从传输或者主输出。 p 3 2 s o m l 0 ：数字通用i o 管脚s a r l 0 s p l 模式下的从输出或者主输入。 p 3 3 u c l k 0 ：数字通用u o 管脚外部时钟输入一j s a r 罚厂i 7 触玎或s p i 模式， 时钟输出一7 s a r t o s p i 模式。 p 3 4 舢t x d 0 ：通用数字i o 管脚发送数据输出一i s 删s p i 模式。 p 3 5 u r x d 0 ：通用数字i o 管脚发送数据输出一j s 鲇冽s p 模式。 p 3 6 ：通用数字i o 管脚。 p 3 7 ：通用数字i 0 管脚。 p 2 3 c a 0 t a l ：通用数字v o 管脚t i m e ra ，捕获：c c i o b 输入，比较：o u t l 输出。 p 2 4 c a l 压a 2 ：通用数字i o 管脚t i m e ra ，比较：o u t 2 输出。 p 1 0 傩c l k - 通用数字i o 管脚t i m e ra ，t a c l k 时钟输入信号。 p 1 1 压a 0 ：通用数字i o 管脚厂r 蛆e ra ，捕获：c c l 0 a 输入，比较：o u t 0 输出。 p 1 2 t a l ：通用数字v o 管脚t i m e r a ，捕获： 输入，比较：输出。c c l lao u t l p 1 3 厂i ：舵：通用数字i o 管脚t i m e ra ，捕获：c c l 2 a 输入，比较：o u t 2 输出。 p 1 4 s m c u c c r n 寄存器 捕获比较寄存器。在捕获比较模块中，可读可写。在捕获方式下，当满足捕获 条件时，硬件自动将计数器t r a 的数据写入该寄存器。如果要测量某些窄脉冲的脉 冲宽度，可以定义上升沿和下降沿都捕获。在上升沿时，捕获一个定时器数据，这 个数据在捕获寄存器中读出；在等待下降沿的到来，在下降沿时又捕获一个定时器 数据，那么两次捕获定时器数据差就是窄脉冲的电平宽度。 2 1 3 jt i m e rb ( 定时器b ) t i m e r b 是一个1 6 位的定时器计数器。它最多有7 个捕获比较寄存器。t i m e rb 支持多个时序控制、多个捕获比较功能和多个p w m 输出。t i m e r b 有丰富的中断 功能，中断可以由计数器溢出产生，也可以由捕获比较寄存器产生。t i m e rb 主要 有以- f 特点： 1 6 位的计数器定时器，共有4 种中断模式，有4 个可以选择的长度； 第2 章系统主要元器什和测量原理综述 可以选择设置时钟源； 3 个捕获h i , 较寄存器； 双缓冲比较锁存； 具有中断向量寄存器，能快速译码t i m e rb 产生的中断。 t i r n e r b 和e r _ a 相比，结构基本相同，但也存在差异，主要有以下的差异： t i m e r _ b 的计数长度为8 、1 0 、1 2 或者1 6 ，可以软件编程实现； t i m e r b 的t b c c r x 是双缓冲的，并且可以分组； t i m e r b 所有的输出都可以设置成高阻状态； t i m e r b 中不在使用s c c i 位。 在程序设计中t i m e r b 和t i m e r - a 的设置方法基本相同，都是通过对寄存器的 特定位来完成的，由于本论文篇幅有限就不在详细的介绍了。下面将对m s p 4 3 0 f l l x 系列单片机的比较器进行介绍。 2 1 4 m s p 4 3 0 f 1 1 x 单片机的比较器 m s p 4 3 0 f l l x 系列单片机大部分型号都带有比较器模块( 比较器a ) 。比较器支 持a d 转换、电压监控和外部模拟信号的控制。比较器a 主要有以下特点【2 0 】： 反向和非反向的终端输入复用器； 比较器输出有软件选择的r c 滤波器； 比较器的输出可以作为定时器a 的捕获输入； 端口输入缓冲由软件控制； 具有中断功能； 可选择参考电压的产生； 比较器和参考电压产生可以关闭。 与定时器相同，用户对比较器a 的所有操作都是通过操作该模块的寄存器来完 成的，比较器a 的寄存器主要有c a c t l l 、c a c t l 2 、c a p d 。 ( 1 )c a c t l l 寄存器 c a c t l l 寄存器是一个8 位的寄存器，该寄存器包含比较大的控制部位， c a c t l l 寄存器为分配如图2 - 6 所示。 l 堡! 垒里丕l 垦垒娶墨呈圣i 曼垒垦曼里! = ql 堡! 叁q 塑l5 三垒! 坠l 堡笪兰g 丝里鱼 图2 - 6 c a c t l l 寄存器 f i g 2 6c a c t l lr e g i s t e r 下面对c a c t l l 寄存器的各个位进行详细介绍。 1 6 河北科技大学硕+ 学位论文 c a e x ：交换比较器的输入端，也控制比较器的输出是否反向，多用于测量与补 偿比较器a 的偏压。 c a r s e l ：比较器的参考选择。该位与c a e x 位结合起来选择内部参考电源。 表2 - 9 给出了c a e x 和c a r s e l 两个位与选择内部参考电源的关系。 由表2 9 可以看出，适当设置c a e x 和c a r s e l 位就可以完成内部参考电源的 选择。 表2 - 9 内部参考电源的选择 t a b 2 - 9m a t e r i a l sf o ri n t e r n a lr e f e r e n c ep o w e rs o u r c e sc h o i c e c a e xc a r s e l内部参考电源的选择 0o内部参考电源接正端 0 1内部参考电源接负端 l0内部参考电源接负端 l1内部参考电源接正端 c a r e f l 、c a r e f 0 ：这两位用来选择参考电源。表2 1 0 给出了c a r e f l 和 c a r e f o 位与参考电源的关系。 表2 1 0 参考电源的选择 t a b 2 - 1 0r e f e r e n c et ot h ep o w e ro fc h o i c e c a r e f lc a r e f o参考电压的选择 o0 0内部参考电源关闭，使用外部参考电源 0 1选择0 2 5 v c c 作为参考电压 10选择0 。5 v c c 作为参考电压 11选择二极管电压作为参考电压 由表2 1 0 可以看出，适当设置c a r e f l 、c a r e f 0 位可以完成比较器参考电压 的选择。 c a o n ：比较器的开关控制。当该位为1 时，打开比较器；当该位为o 时，关闭 比较器。比较器关闭可以用来降低功耗。 c a i e s ：比较器中断的触发沿选择，当该位为1 时，下降沿触发；该位为o 时， 上升沿触发。 c a i e ：该位用于控制中断的使能。当该位为1 时，允许中断；该位为0 时，禁 止中断。 c a i f g ：该位为中断标志位。当该位为1 时，有中断产生；该位为0 时，没有 1 7 第2 章系统主要元器件和测量原理综述 中断产生。 通过以上位的介绍可以知道比较器具有中断功能。设置c a i e 位使能中断，可以 设置c a l e s 选择中断触发沿，当有中断产生的时候，硬件会设置c a i f g 中断标志 位，然后进入中断服务程序进行处理，硬件会自动清除中断标志位。 ( 2 )c a c t l 2 寄存器 c a c f l 2 寄存器是一个8 位的寄存器，该寄存器包含比较器的控制位，主要是 一些与输入输出有关的信息。该寄存器的位分配如图2 7 所示。 l 未用 l p 2 c a lp 2 c a 0 i c a f i c a o u tl 图2 7c a c t l 2 寄存器 f i g 2 - 7c a c t l 2r e g i s t e r 由图2 7 可以看出，c a c t l 2 的高4 位未用，只用了低4 位。下面对c a c t l 2 寄存器的各个位进行介绍。 p 2 c a l ：该位用来选择c a l 管脚。当该位为1 时，管脚连接到c a l ；当该位为 0 时管脚不连接到c a l 。 p 2 c a 0 ：该位用来选择c a 0 管脚。当该位为1 时，管脚连接到c a 0 ；当该位为 0 时管脚不连接到c a 0 。 c a f ：比较器的输出滤波选择。当该位为1 时，比较器的输出进行滤波处理； 当该位为o 时，比较器的输出不进行滤波处理。 c a o u t ：比较器的输出。该位是只读的。对该位写操作无效。 ( 3 ) c a p d 寄存器 该寄存器用来控制比较器输入的缓冲功能。m s p 4 3 0 f 1 1 x 系列单片机的i o 口都 有缓冲功能当比较器使用该管脚的时候，可以关闭输入缓冲功能；这一功能由c a p d 寄存器控制。当该寄存器的某个位为1 时，则相应的管脚关闭输入缓冲功能；当该 寄存器的某个位为0 时，相应的管脚不关闭输入缓冲功能。 以上对m s p 4 3 0 f 1 1 x 系列单片机的定时器t i m e l a 、t i m e r b 和比较器进行了 详细的介绍，课题“基于m s p 4 3 0 f l l l l a 单片机的温度控制系统的研究”在硬件电路 的设计，和软件程序的编写主要应用了这几个模块。下面将介绍课题设计时的有一 个主要元件热敏电阻。 2 2热敏电阻传感器的简介 目前，温度传感器没有统一的分类方法。按照输出量分类有模拟式温度传感器 和数字式温度传感器。按测量方式分类有接触式和非接触式温度传感器。按照类型 分有分离式温度传感器( 含敏感元件) 、模拟集成温度传感器和智能温度传感器( 即 1 8 河北科技大学硕士学位论文 数字温度传感器) 吲。 常用的温度传感器的测温原理，测温范围以及特点如表2 1 1 所示【3 5 j 。 2 2 1温度传感器的分类 模拟式温度传感器输出的是随温度变化的模拟信号量。其特点是输出响应速度 较快和m p u ( 微处理器) 接口复杂。数字式温度传感器输出的是随温度变化的数字量， 同模拟输出相比，它输出速度响应较慢，但容易与m c u 接口。 2 2 2温度传感器的选择 在课题的设计中，温度传感器的选择是很重要的。传感器的选择，很大程度上 决定了预9 控结果的成败。作为单片机测控系统前相通道的关键部件，在选择传感器 的时候应考虑以下几方面因素： ( 1 )根据测控对象与测控环境确定传感器的类型 首先需要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后刁一能确定。 因为，即使测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选择，哪一种原理的传感 器更为合适，则需要根据被测对象的特点和传感器的使用条件综合考虑以下一些具 体问题：传感器的量程；被测位置对传感器体积的要求；测量方式是接触 式还是j 接触式；传感器信号的引出是有线还是无线：是购买传感器还是自 行研制传感器以及价格因素等。 在综合考虑上述因数之后就能确定选何种类型的传感器，然后在考虑传感器的 具体性能指标。 ( 2 )灵敏度的选择 通常情况下，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，因为灵 敏度越高，与被测量变化相关的输出信号的值越大，有利于信号处理。但是传感器 的灵敏度越高，与被测量无关的外界噪声越容易混入，噪声被放大系统放大后 会影响钡4 量精度。因此，要求传感器本身应具有很高的信噪比，尽量减少从外界引 入的干扰信号。 另夕 、，某些传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向 要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求 传感器的交叉灵敏度越小越好。 ( 3 )频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应好，可测 的信号频率范围就宽，传感器的输出信号必须在允许的频率范围内保持不失真，实 际上传感器的频率响应总有一定延时，希望延迟时间越短越好。 1 9 表2 1 1 常用的温度传感器的测温原理，测温范围以及特点 t a d 2 1 1c o m m o n l yu s e dt e m p e r a t u r es f n s o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s ，s c o p ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 钡u 量原理 种类测温范围特点 玻璃水银温度计一2 0 + 3 5 0 玻璃有机液体温度计 一1 0 0 + 1 0 0 体积熟膨胀 双金属温度计 o + 3 0 0不需要用电 液体压力温度计一2 0 0 + 3 5 0 气体压力温度计一2 5 0 + 5 5 0 电阻变化 铜电阻 - - 5 0 - - - + 1 5 0 中等精度，价格低 铂电阻一2 0 0 + 6 0 0高精度，价格高 热敏电阻一2 0 0 + 7 0 0 精度底，灵敏度高，价格最低 热电效应 镍铬一铐铜 2 0 0 + 8 0 0 ( 熟电偶) 镍铬铬硅 一2 0 0 + 1 2 5 0 测温范围宽，测量精度高但需要冷端