基于msp430单片机的温湿度监测系统设计.doc

基于 msp430 单片机的温湿度监测系统设计#*5101520253035摘要：基于越来越多的场合所需要及时监测环境温湿度的需求，本文给出了基于 MSP430单片机的温湿度监测系统的设计方案，系统以 MSP430 单片机为核心，采用温湿度传感器SHT11 芯片，对温湿度监测系统的软硬件进行设计。该系统具有温湿度采集和实时显示及超过设置上、下限温湿度自动报警等功能。实验结果表明，该系统具有成本低、环境采集误差小，可提高作业效率等特点，具有广阔的应用前景。关键词：温湿度监测，单片机，软硬件设计，自动报警中图分类号：TP274.2The design and research of temperature detection systembased on single-chip microcomputerZHU Xingyue, JI Rendong, SHEN Lingbin, ZHANG Lin, ZHAO Zhimin(College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016)Abstract: A temperature and humidity detection system based on single-chip microcomputer isexplained in this paper. The hardware of this system consists of temperature and humidity sensor(SHT11) and microcontroller (MSP430). The system designed here can realize temperature andhumidity collection and display, automatic alarm with simple circuit. The experimentalverification of the system is also illustrated in this paper and the results show that the advantagesof the system lie in significant energy saving, low cost, small error of environment collecting, highefficiency with wide application promising.Key words: temperature and humidity detection, Single-chip microcomputer， software andhardware design，automatic alarm0 引言是随着社会经济的发展和科学技术的不断进步，许多情况下都需要对环境的温湿度进行限定。因此，为了随时可以检测环境温湿度以进行监测1,2，减少由于温湿度对工程带来的经济损失，本文设计基于SHT11对温湿度进行测量的系统，可以实现对环境温湿度的监测。考虑到该温湿度监测仪可用于野外或温室大棚等可能没有市电的环境，元器件的选择应充分考虑节能等因素，主控模块采用MSP430系列单片机MSP430F149，实现监控系统对温湿度进行实时监控以进行超限报警。TI公司生产的MSP430系列是超低功耗的混合信号控制器，特别适合于电池应用的场合或手持设备。同时，该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合设计片上系统3。由于它的各项优点，成为许多电子产品设计的不二选择，超低功耗不仅延长了设备电池的使用时间，降低了企业成本，同时开辟了全新的服务，为消费者带来丰富的节能选择4。此外，MSP430系列单片机还针对许多热门应用设计了一系列专用单片机，如水表专用单片机、医疗仪器专用单片机、电能计量专用单片机，这些单片机都是在相同型号的通用单片机的基础上增加专用模块构成的5。-1-404550系统中温度的数据采集由瑞士Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片SHT11完成6。该芯片为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7，它采用CMOSens技术，将温湿度传感器、信号放大器、AD转换、三线串行接口全部集成于芯片内，有很好的稳定性和可靠性8,9，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10。本系统具有测量准确、调试方便、可实时记录报警信息的特点，并为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件。1 总体设计方案温度监测系统以msp430为核心，采用温湿度传感器SHT11测量温湿度，系统由温湿度数据采集模块、主控模块、显示模块、按键模块组成，由温湿度数据采集模块采集数据送入单片机，处理之后根据按键操作完成相应的温度和湿度显示，并且具有超限报警的功能，图1为系统结构图。55温湿度监测模块报警模块2 硬件设计主控模块2.1MSP430单片机图 1 系统结构框图Fig. 1 Structure of system显示模块按键模块MSP430单片机是由TI公司推出的一系列超低功耗微处理器。它的显著特性是具有超低功耗，有5个低功耗模式可供选择；数字控制的振荡器（DCO）可以使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6 s的时间内激活到活跃的工作方式；同时还拥有强大的处理能力，保证了60可编制出高效率的源程序；丰富的片上外围模块；灵活的时钟系统；稳定的工作状态；方便高效的开发方式，开发语言有汇编语言和C语言等特点。以上特性使之成为电池供电便携设备的首选微处理器11。2.2温湿度监测模块本设计采用SHT11传感器测量温湿度。SHTxx系列单芯片传感器是含有已校准数字信号65输出的温湿度复合传感器。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连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。-2-2.2.1SHT11 的内部结构与功能SHT11的内部结构框图12如图2所示。70图 2 SHT11 内部结构框图Fig. 2 Internal structure of SHT11SHT11 传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为 14 位、12 位，通过状态寄存器可降至 12 位、8 位湿度测量范围是 0100RH，对于 12 位的分辨率为 003RH，测7580温范围为-401238，对于 14 位的分辨率为 001。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中进行标定，校准系数以程序形式储存在 OTP 内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号，使 SHT11 具有 100的互换性。其测量原理是利用传感器分别产生的相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至 AD 转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至 MSP430F149 单片机13。2.2.2SHT11 的通信开始传送。一个“传输开始”命令必须发出。其过程为当 SCK 是高电平时 DATA 线是低电平，接着 SCK 给出一个低脉冲，当 SCK 再次为高电平时 DATA 再次升高。如图 3 所示。接下来的命令序列由三个地址位（只有.000.是目前支持的）和五个命令位组成。SHT1185通过第八个 SCK 时钟的下降沿后的 DATA 的下拉引脚来指示命令的正确接收。在 SCK 时钟的第九个下降沿时，DATA 线被释放（升为高电平），如图 4 所示。传输两个字节的测量数据和一个字节的 CRC 校验和传输，C 必须通过 DATA 线的下拉引脚接收每一个字节。图 3 SHT11 开始传输时序图-3-9095100Fig. 3 Start transmission timing diagram of SHT11图 4 SHT11 复位时序图Fig. 4 Reset timing diagram of SHT11连接复位顺序。如果与 SHT11 传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位；即当DATA 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。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，SHT11 会使数据线为低，此时控制器必须重新启动 SCK，然后传送 2 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 SCK 为高来停止通讯，SHT11 在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式14。2.3显示和按键模块系统的显示模块采用8位数码管显示，加上4*1的按键模块控制。其中K1、K2分别在数码管上显示当前温度和湿度，K3、K4显示0，方便硬件调试。1052.4报警模块系统采用了声光报警。若系统检测到周围环境的温湿度超过或低于测量的要求范围，则单片机驱动P3.5接口的LED闪烁，同时蜂鸣器响起，提醒报警。2.5系统调试的实验测试中，按键1，可以在数码管上显示出当前温度，按键2，可以显示当前湿度。110115按键3和4，显示数字“0” 。为了检验SHT11显示温湿度的正确性，利用可以显示温湿度的闹钟与SHT11放在离加热到一定温度的热水旁，观察其读数变化并记录。表1为闹钟与SHT11监测的温湿度记录结果对比。表 1 温湿度结果对比Tab.1 Temperature and relative humidity comparison of SHT11 and alarm测量次数123SHT11测量的温度()55.252.750.2闹钟显示的温度()55.953.150.3SHT11测量的湿度（%)97.188.485.3闹钟显示的湿度(%)958683-4-456789101112149.848.545.043.241.334.831.129.226.855.250.348.944.843.041.934.531.029.827.055.984.581.878.273.071.673.578.473.274.997.185837972707280757595温湿度闹钟的参数：温度测量范围：-20 +60温湿度测量精度：1.0(1530)5%RH(40%RH80%RH)120125130135140温度分辨率：0.1湿度测量范围：10%RH99%RH湿度分辨率：1%RH从得到的实验结果可以看出，SHT11 测量出来的温度值与闹钟显示的数值很接近，而相对温度与闹钟的显示数值有大概 1%到 2%的误差，但在温湿度闹钟的测量精度的误差范围内。此款温湿度闹钟使用方便，取样时间 5 秒，灵敏度和节能性兼顾，测量精度相对较高，价格低廉。但由于它只需满足平时空气的温湿度监测，因此测量的上下限范围相对而言比较小。在用两种不同的仪器测量温湿度的时候，SHT11 是即时显示当前温湿度，可以较快的得到实时数值，而温湿度闹钟需要 5s 时间的取样刷新，所以相对于 SHT11 来说要得到当前温湿度时间较长，且测量数据也不如 SHT11 精准。综上，此款以 SHT11 为作为温湿度监测芯片的温湿度监测仪能够进行实时的温湿度监测，并且可以实现超限报警的功能。3 软件设计的在系统软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于进一步扩展。整个程序主要包括了主程序、温湿度数据采集、数码管显示、按键处理、声光报警等模块的设计。图5是监测仪主程序流程图，在程序设计时采用按键选择的结构，主要为温湿度显示选择。按键后，由单片机系统判断，若为K1,则显示当前温度；若为K2，则显示当前湿度；若为K3或者K4，则显示“0”。最后判断温湿度有没有超限，若超限，则进入声光报警，LED闪烁和蜂鸣器响起；若正常，则继续测量温湿度。2温湿度测量程序放在定时器的中断服务程序里。中断服务程序包括了：“写”命令子程序、“读”命令子程序、数值计算子程序和显示子程序，最后将实际温湿度值存储于2个固定存储单元中，温、湿度各占一个单元。-5-本系统的温湿度测量模块中，SHT11的I C口与MSP430F149单片机普通的I/O口相连接。145图 5 系统流程图Fig. 5 Flow diagram of system4 结论本文从理论设计和实际测量出发，对温度、湿度监测与报警系统展开分析和研究。在传统的温湿度监测和报警系统的基础上加以改进，设计出低功耗的温湿度监测系统。对设计的系统，可以得到以下结论：150155（1）采用 MSP430F149 为核心器件进行温湿度测量和控制，具有成本低、抗干扰能力强等特点。本文将 MSP430 与 SHT11 结合起来，设计了低功耗、高性能的测量系统。（2）系统的软件程序采用C语言完成，大大提高了开发调试的工作效率。理论和实践证明该监控系统具有高可靠性、高性价比、控制简单方便等优点，提高了控制的精度。（3）SHT11 是单片集成的数字温湿度传感器，所有信号的调理都由芯片完成，采用 I2C总线实现通信，并直接输出数字信号。这既解决了传统湿敏电阻和热敏电阻带来的电路复杂的问题，又避免了大量安装多个传感器所面的高成本等问题。通过软硬件测试证明该系统能够安全可靠的运行测量误差小，具有良好的应用效果。参考文献 (References)1朱旭光，刘建辉. 农业大棚的温湿度控制系统J.自动化技术与应用，2005,24（2）：45-47160234张全国，徐广印，杨群发等. 户用钢制辅热式沼气发酵系统试验研究.太阳能学报，2004，25（6）：755-759胡大可