多功能数字温度计的设计毕业论文.doc

多功能数字温度计的设计一、 任务：利用单片机设计一个数字电子温度计，能够通过温度传感器测量并显示被测量点的温度。主要包括：单片机传感器显示驱动显示按键二、 设计要求：1. 基本部分：(1) 检测温度范围1030，分辨率1；(2) 正确显示温度(3) 整机静态功耗小于5微安(关闭LCD显示,时钟正常运行)(4) 按键唤醒显示2. 发挥部分：(1) 温度控制功能(能够演示出控制功能的存在)(2) 显示时分秒的时钟功能(能够正常切换和显示)(3) 其他功能目 录摘 要一、方案设计与论证1.1设计要求1.2传感器方案1.3串口通讯实现方案1.4显示设备二、系统结构框架设计2.1 系统总体框架2.2 主控器和检测器结构2.3 电子温度计工作框架三、系统硬件设计3.1复位电路的设计3.2液晶接口电路的设计3.3热电阻PT1000测温电路设计3.4 RS485串口通讯电路设计3.5 整体电路图设计四、系统软件设计4.1 温度测量程序4.2 MSP主控制程序4.3 时间控制程序4.4 按键唤醒程序4.5 报警程序4.6 上位机软件五、系统调试与分析5.1 基本部分测试与分析5.2 发挥部分测试与分析5.3 创新部分测试与分析六、总结参考资料：附录1：附录2： 摘 要本设计根据竞赛要求，主控器单元选用了功耗极低的MSP430FW427单片机为CPU，选用完全符合测量温度范围要求且工作一致性很高的PT1000热电阻作为温度传感器，制作出一种由MSP430 系列单片机构成的高精度、超低功耗数字式温度计。该系统由上位机和下位机两部分组成，下位机连接多个PT1000,采用RS485方式通讯，方便实现多点测温。上位机部分使用了家庭PC，将数据导入SQL Server数据库，上位机软件进行温度曲线（有数秒延迟）绘制。关键字：低功耗；PT1000热电阻；RS485；MSP430摘 要：本设计根据课题要求，采用低功耗的MSP430单片机为主控CPU，辅以完全符合测量温度范围要求且工作一致性很高的DS18B20作为温度传感器，可通过主控单元的键盘来设定各功能之间的切换，能实现对现场的温度进行实时检测，并在液晶显示器上输出温控信息，还能利用MSP430丰富的外围模块，实现多种附加功能，且整体各模块充分发挥了MSP430多种超低功耗模式的优点，实现超低功耗的目的。设计最后采用0.1级的标准电参数表对系统进行测试。经过各项实验测试，该系统的性能指标不仅全部达到了题目的基本要求，而且增加的多路温度采集、定闹、无线远程温度报警、超高温温度检测功能等多方面达到或超过发挥部分的要求。本系统具体功能如下：1、基本功能：（1）检测温度范围为1030，分辨率0.5；（2）正确实时显示测量温度；（3）整机静态功耗小于5微安(关闭LCD显示,时钟能正常运行)；（4）低功耗下，可按键唤醒。2.扩展功能：（1）温度控制，可设定温度检测上下限值； （2）设定温度报警功能，当测量温度超过设定值时，声音报警；（3）时间显示与设置；（4）日历功能，可设置、显示年月日；（5）高温检测；可测量30到125，精度为0.5；（6）无线远程温度报警；当测量温度超过设定值时，远程无线声音报警；（7）无线远程温度查询与报告；用户可通过手持无线查询系统查询温度；（8）多路温度采集；可实现1到8路温度采集和显示；（9）闹钟提示与设定；关键词：超低功耗，电子温度计，MSP430，DS18B20，CC1100。 Ultra low power loss thermotronAbstract：This design basis topic request, uses the low power loss the MSP430 monolithic integrated circuit is master control CPU, auxiliary by conforms to the survey temperature range requirement also work uniformity very high DS18B20 completely took the temperature sensor, may establish between various functions through the master control unit keyboard the cut, can realize to the scene temperature carries on the real-time examination, and outputs warm on the liquid-crystal display controls the information, but also can use the MSP430 rich periphery module, the realization many kinds of attachment function, also the whole various modules have fully displayed the MSP430 many kinds of ultra low power loss pattern merit, realizes the ultra low power loss goal.The design finally uses 0.1 level of sign reference your telegram parameter list to carry on the test to the system.Tests after each experiment, not only this system performance index has met the topic basic requirements completely, moreover increases multi-channel temperature gathering, decides, the wireless long-distance temperature noisily reports to the police, the superhigh temperature temperature examination function and so on achieved or surpasses the display part variously the request.Key words：Ultra low power , Thermotron, MSP430，DS18B20，CC1100.一、方案设计与论证1.1设计要求设计一个电子温度计，能够通过温度传感器测量并显示被测量点的温度。原理方框图如下：1.2传感器方案方案一：（选用DS18B20）测温元件可以采用DALLAS公司的单线数字温度传感器DS18B20。DS18B20提供九位温度读数，测量范围-55125，采用独特1-WIRE 总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。在工作时，通过总线向其提供电源，单片机发出指令码读取温度值。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。 缺点：测量精度小：精度为0.5。 功耗偏大：待机时: 5V*1uA=5uW(MAX) 工作时: 5V*1.5mA=7.5mW(MAX)方案二：（使用MSP430自带的温度传感器）MSP430内嵌的温度传感器实际上就是一个输出电压随环境温度而变化的温度二极管。按照TI公司提供的资料，这个温度二极管输出的电压和对应的温度近似成简单的线性关系。所测温度可由公式(1)求出： T=(VST-V0)/TCSENSOR (1) 其中，T：测量温度，单位； VST ：ADC模块的通道10测量到的电压，单位mV； V0：0时传感器的输出的电压，单位mV； TCSENSOR：传感器的传感电压，即输出电压随温度的变化情况，单位mV/。数值上等于温度每升高1增加的输出电压。 缺点：偏差大概在10%，离散性很大（传感电压误差，A/D转换引入的误差），且不易校准。方案三：（选用PT1000热电阻） 铂电阻的电阻温度系数分散性小，其精度高、线性好、灵敏度也比较高，电路简单，测量精度高，Pt1000的线性很好，测量范围为从200650。当温度在0 650之间时关系式为： Rt=R0(1+At+Bt2) (Rt、R0分别为铂电阻在温度t、0时的电阻值，A,B,C为温度系数)。在0100范围内Rt的表达式可近似线性为： Rt=R0(1+A1t) 总结：通过比较得出方案三可行性最好，精度高，线性好，便于计算，电路有较好的稳定性与灵敏性，测量范围为从200650。本设计可将测温范围由1030扩展至0100，精度为0.1。将PT1000的分度表存进数组中（100*10的数组），方便查询测温。1.3串口通讯实现方案方案一：（RS232通讯） 机算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用，常有的串行通讯有RS232和RS485两种方式。但是，RS232接口在实际应用中发现却有如下缺点：（1） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。（2） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（3） 传输距离有限，最大传输距离标准值为15米。图1.1 RS232接口示意图方案二：（RS485模块） RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线， RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口具有以下优点： （1）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps（2）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 （3）RS-485接口的最大传输距离可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 图1.2 RS485接口示意图总结：为了满足在实际应用中，PC机与测温点的距离要求常常大于50m,故采用RS485通讯方式，RS485通讯功耗小于RS232方式，而传输速率大于RS232方式。1.4显示设备方案一：（使用LED点阵） 可以使用74LS595驱动点阵模块显示。预计要完成扩展功能的显示时间则至少需要16*32的点阵，此方案连线太多，硬件设计不便，并且由于MSP430端口有限，需用算法控制LED点阵显示。方案二：（使用段码液晶）使用MSP430FW427自带的显示驱动HT1621来驱动段码液晶进行显示，且使用段码液晶的功耗小。段码液晶的优点如下：液晶的显示不需要单片机编程，段式LCD驱动简单，耗电量小，特别适合在仅需要显示数字的场合。综合比较，选用方案二。二、系统结构框架设计2.1 系统总体框架 图2.1 系统总体框架图其具体功能如下：（1）温度检测功能：通过两个温度传感器实现多点测温并显示，同时显示从开始运行到当前的最高和最低温度，其精度可达0.1摄氏度。（2）时间显示功能：通过按键可以切换显示时间、设置时间。（3）串口通讯功能：实现PC机与单片机通讯，可以将温度数据传送给PC机进行进一步处理（显示，绘制历史温度曲线）。（4）报警功能：当温度超过30时发出报警信号（亮灯）。（5）按键唤醒功能：当无操作超过十五秒时系统进入休眠状态，通过按键可使其进入正常工作状态。（6）电子密码锁功能：即密码开启功能，密码输入正确单片机开始工作。2.2 主控器和检测器结构图2.2 主控器和检测器结构简图 方案是将题目要求的MSP430与PC机相连，从而实现PC机在参数设置、检测器的温度历史数据、报警记录以及形象直观的温度工作曲线等方面的优势。检测器部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大器、A/D转换电路、看门狗和存储器电路、时钟电路、显示电路、声光报警电路以及与与C机的通信电路等。2.3 电子温度计工作框架 图2.3电子温度计工作原理三、系统硬件设计 3.1复位电路的设计在MSP430单片机中有一/RST 复位管脚,它与不可屏蔽中断功能管脚复用，可由软件选择其功能,正常情况下为复位功能，只要有低电平输入，系统就将复位，我们的复位电路正是基于此原理设计并保证有充分的低电平时间图中R33=68K， R34=200欧，C=25皮法;实际电路如图并运转良好。 图3.1 MSP430复位电路3.2液晶接口电路的设计MSP430 单片机的驱动能力很强可以直接驱动5V接口的液晶，在实际工作中我们的通用系统能够实现将信号由A/D 端口采样输入经过数据处理后在液晶面板上实时显示出来并同步刷新，MSP430FW427自带LCD 驱动接口，有现成的例程可以提供，对显示要求不是很高的地方采用这样的方法可以大大提高开发速度减小开发难度，键盘接口电路可以直接用I/O 口模拟用查询或中断方式控制。 图3.2液晶显示接口示意图 图3.3 液晶显示框架图3.3热电阻PT1000测温电路设计 温度测量原理为：应用电容充放电把被测电阻值转换成时间，而时间的测量可以利用MSP430 内部的捕获比较寄存器准确捕捉，从而测量出热敏电阻的阻值，间接获得温度值。温度检测的电路结构如图3.4所示。 图3.4 带模拟开关的多点测温电路图中Rref是参考电阻，用于定标。Rmeas是被测电阻，即铂电阻；Rp是限流电阻，用于电容放电过程中限制P2.0口的放电电流峰值。工作过程如下：首先令P1.6口置位，输出高电平Vcc通过标准电阻对电容定时充电，定时时间到，端口复位，使电容放电，放电过程一直持续到电容上的电压降到P1.6口的“0”电平上限为止。截止时刻由Timer_a内部的捕捉器通过捕捉入口P2.0准确地捕捉，这一段放电时间可标记为Tref。然后，对P1.5施以同样的操作，可获得电容通过被测电阻放电的时间Tmeas。最后比较Tref和Tmeas，可由下式计算出被测电阻值：(1)式中 被测热敏电阻， 被测元件放电时间， 参考元件放电时间, 参考精密电阻。由(1)式可以看出，只要电压和电容的值在测量中保持稳定，电压和电容的具体取值是不重要的，这是因为在比例测量原理中，这些因素在计算过程中被消除。因此，尽管仪表的供电电池的电压具有离散性，并且该电压会随着时间的推移逐渐减小，但是由于被测电阻值的测量与电源电压值的大小毫无关系，所以该测量方法具有电源电压自补偿特性。两个关键参数Rref和C的取值取决于所要求的分辨率的位数。Rref大约是要测量的最大电阻值的一半，而电容取值应确保当测量上限电阻值时，微处理器不会产生计数过头的现象。例如，欲测的最大电阻为Rmax=1500,分辨率为8位（即28256个测量周期），时钟为6MHz,Vcc=3V,VIL=0.6V,参考电阻Rref750，一次计数时间是12个振荡周期，则达到8位分辨率所需的测量时间为因此可得电容为： 212pF实际应用的电容应比C稍小。3.4 RS485串口通讯电路设计 图3.5 RS485通讯模块设计本设计采用Maxim公司生产的MAX487芯片作为RS485通信收发器,MAX487芯片具有RS-485通信协议,可以带下位机128个、传输距离大于1km、传输速率达250kb/s。单片机可以通过RS485总线方式与主控计算机相连,主控计算机可以向智能电表发出遥控指令,采集到当前的电量数据和历史数据,构成了主从式的RS485通信应用系统。MAX487与MSP430的接口电路如图3.5所示。图中DE为发送器使能端,DE为1时发送器可以工作。DI为输入端,A、B为输出端。当DE为0时,发送器停止工作,且输出端为高阻。为输入使能端,为0时允许接收器工作,A、B为输入端,RO为输出端; 为1时接收器被禁止,RO为高阻状态。MSP430通过P3.3来控制收发器的工作状态,从而达到与主机通讯的目的。3.5 整体电路图设计 图3.6 整体电路图四、系统软件设计 在本系统中采用模块化程序设计，从软件的功能不同可分为两大类：主程序和子程序，其中主程序是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块及相互之间的关系。子程序是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个子程序是一个具有单独功能的可执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划主程序了。主程序调用多个子程序，包括温度测试程序、时间控制程序、键盘扫描以及按键处理程序、单片机与PC机串口通讯程序等。1.温度测试程序：此模块是整个系统的核心部分，其功能是对温度传感器送过来的数据进行处理，进行判断和显示。2.MSP430主控程序：控制各模块的运行，进行数据的发送和处理。3.时间控制程序：此模块的功能是控制日期时间的运行和显示。4.段码液晶显示程序：向段码液晶送数据。控制系统的显示部分，包括温度、时间等。5.键盘扫描电路及按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及相关处理，包括密码输入，键盘唤醒功能的实现。6.串口通讯程序：实现PC机与单片机通讯，将温度数据传送给PC机进行进一步处理。4.1温度测量程序4.2 MSP主控制程序 图4.2 主程序流程4.3 时间控制程序 图4.3 时间控制流程4.4 按键唤醒程序 图4.4 按键唤醒程序流程4.5 报警程序图4.5 报警程序流程4.6上位机软件 上位机软件采用LabWindows/CVI编写，界面如图4.6所示 图4.6 温度采集程序界面 图4.7 温度的仪表显示程序接受串口发送的数据，并记录当前的温度值，并且将数据存入SQL Server数据库，将当前的温度记录下来并赋给变量Temperature_max，以后串口每发送一次数据比较一次，将较大的值赋给Temperature_max,将Temperature_max,显示在标签上即为历史最大温度，求最小温度是同样办法。程序查找数据库中的数据，将数据用节点的方式在坐标轴中显示，由于计算机处理程序的需要时间，所以温度曲线不能实时绘制，有时间延迟。说明：图4.6显示历史温度曲线，以坐标轴形式绘制出温度历史曲线。 图4.7显示历史最小温度和最大温度，并以仪表盘的形式表示出当前的温度。五、系统调试与分析5.1 基本部分测试与分析1. 测试仪器： 温度表、万用电表、JTAG仿真器，秒表，PC机2. 基本要求部分的测试与分析：（1）系统上电后，屏幕上显示两点温度值，与普通温度计对比，精确到0.1。表5.1常温测量温度计MSP电子温度计第一次测量约26.526.3第二次测量约27.027.1第三次测量约23.022.8（2）将Pt1000放在100的沸水和冰水混合物中，LCD上能正确显示温度，可以证明温度传感器的测量范围为0100。表 5.2沸水冰水混合物第一次测量98.50.7第二次测量96.71.3第三次测量93.35.2（3）断开电源线用万用表测试静态功耗小于3微安（关闭LCD）。表 5.3静态功耗第一次测量2.76uA第二次测量2.65uA第三次测量2.71uA（4）在连续的十五秒内对单片机无任何操作，LCD自动关闭，通过按唤醒键能使LCD重新显示。5.2 发挥部分测试与分析1. 当所测温度低于10时或所测温度高于30，LED灯会亮灯报警。2. 通过按键能调整所设置的报警温度。3. LCD能显示时间，与秒表对比，测试的系统时间准确，并且时间可以通过按键进行调整。4. 系统上电以后，需对单片机输入密码，密码正确单片机开始工作，否则不工作。 5.3 创新部分测试与分析1.串口调试：单片机通过串口发送温度值给上位机，上位机软件用NI LabWindows CVI编写，测试结果存入数据库，在上位机界面上显示最大值，最小值，并能绘制曲线，如下图所示： 图 5.1上位机软件2. 由于单片机是电池给电，所以串口同时也将电池电量发送到上位机，显示如下：图 5.2 电池电量显示5.总结由于系统架构设计合理，经过认真细致的调试，各项功能实现较好，温度传感器分辨率达到0.5摄氏度，数字时钟能够实时显示。当温度计处于静态工作状态时，单片机处于睡眠状态，静态功耗为1微安左右，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。在本次设计大赛中，我们真正体会到制作一件成功的作品并不像想象的那样简单，它需要扎实的专业基础，能熟练驾驭知识的能力，团队的团结合作精神，吃苦耐劳的品质以及遇见问题沉着冷静的态度。经过比赛这几天的奋战,我们真正体会到了身为大学生的意义,解决问题的能力得到了很大的提高，为我们以后的学习工作积累了宝贵的经验。请允许我们代表参赛的所有队员向为我们提供这次参赛机会的领导老师表示最诚挚的谢意！参 考 文 献1胡汉才.单片机原理及其接口技术（第二版）.北京：清华大学出版社，1996年2 徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51 Windows 环境编程与应用.北京：电子工业出版社，2001年3李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，1999年4赵晶.电路设计与制版Protel 99高级应用.北京：人民邮电出版社，2000年5梅遂生,杨家德.光电子技术信息装备的新秀.北京:国防工业出版社,1999年6康华光.电子技术基础数字部分(第四版).北京: 高等教育出版社,1980年7 康华光.电子技术基础模拟部分(第四版).北京: 高等教育出版社,1979年附录附录1：元器件清单1.MSP430单片机 2.HT1621D3.DS1302时钟芯片4.LCD液晶显示器5.DS18B20温度传感器6.三极管80507.蜂鸣器附录2：总电路图六、总结本系统实现超低功耗的电子温度计，静态功耗仅2.7uA左右，满足竞赛要求，仅需一节普通电池即可工作数年，真正实现超低功耗。为追求高精度，力求创新，我们使用了工业控制中常用的PT1000热电阻，利用比较器和电容充放电来计算PT1000的阻值从而测出温度，大大简化了硬件外围电路。除了实现基本功能，本设计还可以完成温度报警、时间显示、电子密码锁、多点测温、RS485通讯。经调试，本系统的测温范围大大超过竞赛要求的1030，测量范围扩展为0100，测量精度为0.1。参考资料：1沈建华 杨艳琴 徐骁曙 超低功耗单片机实践与系统设计 北京：清华大学出版社20052谢兴红 林凡强 吴雄英 MSP430单片机基础与实践 北京：北京航空航天出版社 20083吴少军 刘光斌 实用低功耗设计 北京：人民邮电出版社20034曹磊 MSP430单片机C程序设计与实践 北京：北京航空航天出版社 20075秦龙 MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲 北京：电子工业出版社 20076秦龙 MSP430单片机应用系统开发典型实例 北京：中国电力出版社 20057古天祥 王厚军等 电子测量原理 北京：机械工业出版社 2004附录1 部分程序清单：unsigned long disp_int(unsigned long ljtemp) /主显拆分子程序 unsigned char ljjm; ljjm=ljtemp%10; dis_buff6=segljjm; ljtemp=ljtemp/10; ljjm=ljtemp%10; dis_buff5=segljjm; ljtemp=ljtemp/10; ljjm=ljtemp%10; dis_buff4=segljjm; ljtemp=ljtemp/10; ljjm=ljtemp%10; dis_buff3=segljjm; ljtemp=ljtemp/10; ljjm=ljtemp%10; dis_buff2=segljjm; ljtemp=ljtemp/10; ljjm=ljtemp%10; dis_buff1=segljjm; ljtemp=ljtemp/10; ljjm=ljtemp%10; dis_buff0=segljjm; if(dis_buff0=0xbe) dis_buff0=0x00; if(dis_buff1=0xbe) dis_buff1=0x00; if(dis_buff2=0xbe) dis_buff2=0x00; if(dis_buff3=0xbe) dis_buff3=0x00; return(0); void write_Flash(char *addr,char *buf,int len) unsigned int cnt; FCTL2=FWKEY+FSSEL0+FN0; FCTL1=FWKEY+ERASE; FCTL3=FWKEY; *addr=0; FCTL1=FWKEY+WRT; for(cnt=0;cntlen;cnt+) *(addr+cnt)=*(buf+cnt); FCTL1=FWKEY; FCTL3=FWKEY+LOCK;void read_Flash(char *addr,char *rbuf,int len) unsigned int cnt; for(cnt=0;cnt1) half_sec=0; sec_s+=1; if(sec_s59) sec_s=0; sec_m+=1; if(sec_m59) sec_m=0; sec_h+=1; if(sec_h23) sec_h=0; 附录2Pt1000分度表：（1030）PT1000分度表 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 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