多功能数字温度计的设计.doc

单单片片机机 微微机机接接口口课课程程设设计计说说明明书书 题题 目目 多功能数字温度计的设计 系系 部 部 信息与控制工程学院 专专 业 业 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 指导教师指导教师 单片机 微机接口课程设计说明书 1 目 录 一 多功能数字温度计的设计 2 1 1 设计任务 2 1 2 设计要求 2 二 方案设计 3 2 1 设计要求 3 2 2 传感器方案 3 2 3 串口通讯实现方案 3 2 4 显示设备 4 三 系统结构框架设计 5 3 1 系统总体框架 5 3 2 主控器和检测器结构 6 3 3 电子温度计工作框架 6 四 系统硬件设计 7 4 1 复位电路的设计 7 4 2 液晶接口电路的设计 7 4 3 热电阻 PT1000 测温电路设计 8 4 4 RS485 串口通讯电路设计 9 五 系统软件设计 10 5 1 温度测量程序 10 5 2 MSP 主控制程序 11 5 3 时间控制程序 12 5 4 按键唤醒程序 13 5 5 报警程序 14 5 6 上位机软件 15 六 系统调试与分析 16 6 1 基本部分测试与分析 16 6 2 发挥部分测试与分析 17 6 3 创新部分测试与分析 17 七 总结 18 附录 19 附录 1 元器件清单 19 附录 2 部分程序清单 19 参 考 文 献 22 单片机 微机接口课程设计说明书 2 一 多功能数字温度计的设计一 多功能数字温度计的设计 1 11 1 设计任务设计任务 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 1 21 2 设计要求设计要求 1 基本部分 1 检测温度范围 10 30 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 单片机 微机接口课程设计说明书 3 二 方案设计二 方案设计 2 12 1 设计要求设计要求 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 温温度度传传感感器器MSP430单单片片机机 按按键键 显显示示驱驱动动显显示示 图 2 1 温度传感器原理图 2 22 2 传感器方案传感器方案 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 2 32 3 串口通讯实现方案串口通讯实现方案 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 单片机 微机接口课程设计说明书 4 MSP430 RS485 键键盘盘 显显示示 传传感感器器 图 2 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 2 42 4 显示设备显示设备 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 单片机 微机接口课程设计说明书 5 三 系统结构框架设计三 系统结构框架设计 3 13 1 系统总体框架系统总体框架 MSP430 RS485 温温度度传传感感器器 温温度度及及时时间间 显显示示 温温度度传传感感器器 报报警警 电电路路 按按键键 接接入入 PC机机 图 3 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 单片机 微机接口课程设计说明书 6 3 23 2 主控器和检测器结构主控器和检测器结构 MSP430 看看门门狗狗及及 EEPROM 声声光光报报警警 温温度度传传 感感器器 采采样样电电 路路 A D转转换换 单单片片 机机自自带带16位位 AD 温温度度及及时时 钟钟显显示示 键键盘盘 通通信信电电路路 图 3 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 3 33 3 电子温度计工作框架电子温度计工作框架 显显示示温温度度采采集集信信号号比比较较数数据据处处理理 图 3 3 电子温度计工作原理 3 单片机 微机接口课程设计说明书 7 四 系统硬件设计四 系统硬件设计 4 14 1 复位电路的设计复位电路的设计 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 Vcc R33 R34 S1 GND D2 C2s 图 4 1 MSP430 复位电路 4 24 2 液晶接口电路的设计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 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2 1 P4 4 P4 3 P4 2 P4 1 P4 0 P3 7 P3 6 P3 5 P3 4 P3 3 P3 2 P3 1 P3 0 P2 7 P2 6 图 4 2 液晶显示接口示意图 单片机 微机接口课程设计说明书 8 MSP430HT1621液液晶晶 图 4 3 液晶显示框架图 4 34 3 热电阻热电阻 PT1000PT1000 测温电路设计测温电路设计 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 4 4 所示 3 4 5 6 7 8 9 10 2 1 P2 5 P1 6 P2 1 P1 5 Vcc Vcc C12 4 7uf Rref 1k Rmeas Pt1000 Rd 1k J3 adg704 Rmeas Pt1000 图 4 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 refmeasrefmeas 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 单片机 微机接口课程设计说明书 9 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 28 256 个测量周期 时钟为 6MHz Vcc 3V VIL 0 6V 参考电阻 Rref 750 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 usVccVilnC512612256max 因此可得电容为 F nC Vcc Vil n C 212 3 6 0 150 512 max 实际应用的电容应比 C 稍小 4 44 4 RS485RS485 串口通讯电路设计串口通讯电路设计 R0 RE DE D1 Vcc B A GND 2 1 P3 Vcc P3 7 P3 3 P3 6 1 2 3 4 8 7 6 5 图 4 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 4 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 单片机 微机接口课程设计说明书 10 五 系统软件设计五 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 5 15 1 温度测量程序温度测量程序 放放电电时时间间测测量量程程序序 清清捕捕获获比比较较寄寄存存器器 计计数数器器清清零零 计计数数器器加加1 捕捕捉捉到到负负跳跳 中中断断返返回回 N Y 图 5 1 温度测量程序 单片机 微机接口课程设计说明书 11 5 25 2 MSPMSP 主控制程序主控制程序 开开始始 正正确确 温温度度 时时间间 选选择择 密密码码输输入入 读读入入数数据据 30摄摄氏氏度度 温温度度输输出出显显示示 报报警警信信号号输输出出 时时间间控控制制模模块块 错错误误提提示示 时时间间输输出出 结结束束 N N Y Y Y N 图 5 2 主程序流程 单片机 微机接口课程设计说明书 12 5 35 3 时间控制程序时间控制程序 开开始始 温温度度 时时间间 选选择择 时时间间显显 示示 持持续续一一秒秒 温温度度控控 制制模模块块 温温度度 输输出出 N Y N 计计数数 清清零零 Y 图 5 3 时间控制流程 单片机 微机接口课程设计说明书 13 5 45 4 按键唤醒程序按键唤醒程序 开开始始 有有键键按按下下 N 计计数数器器计计时时 计计数数器器清清零零 主主功功能能模模块块 工工作作 大大于于15秒秒 主主功功能能模模块块 休休眠眠 有有键键按按下下 N Y Y NY 单片机 微机接口课程设计说明书 14 图 5 4 按键唤醒程序流程 5 55 5 报警程序报警程序 开开始始 结结束束 设设置置报报警警标标志志 报报警警持持续续计计数数器器 置置初初值值 启启动动报报警警 图 5 5 报警程序流程 单片机 微机接口课程设计说明书 15 5 65 6 上位机软件上位机软件 图 5 6 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 5 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 5 7 显示 历史最小温度和最大温度 单片机 微机接口课程设计说明书 16 六 系统调试与分析六 系统调试与分析 6 16 1 基本部分测试与分析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 6 1 常温测量温度计MSP 电子温度计 第一次测量约 26 5 26 3 第二次测量约 27 0 27 1 第三次测量约 23 0 22 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 0 100 表 6 2 沸水冰水混合物 第一次测量 98 5 0 7 第二次测量 96 7 1 3 第三次测量 93 3 5 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 单片机 微机接口课程设计说明书 17 表 6 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 6 26 2 发挥部分测试与分析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 6 36 3 创新部分测试与分析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 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 单片机 微机接口课程设计说明书 18 图 6 2 电池电量显示 七七 总结总结 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 单片机 微机接口课程设计说明书 19 附录附录 附录附录 1 1 元器件清单 元器件清单 1 MSP430 单片机 2 HT1621D 3 DS1302 时钟芯片 4 LCD 液晶显示器 5 DS18B20 温度传感器 6 三极管 8050 7 蜂鸣器 附录附录 2 2 部分程序清单 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 buff 6 seg ljjm ljtemp ljtemp 10 ljjm ljtemp 10 dis buff 5 seg ljjm ljtemp ljtemp 10 ljjm ljtemp 10 dis buff 4 seg ljjm ljtemp ljtemp 10 ljjm ljtemp 10 dis buff 3 seg ljjm ljtemp ljtemp 10 ljjm ljtemp 10 dis buff 2 seg ljjm ljtemp ljtemp 10 ljjm ljtemp 10 dis buff 1 seg ljjm ljtemp ljtemp 10 ljjm ljtemp 10 dis buff 0 seg ljjm if dis buff 0 0 xbe 单片机 微机接口课程设计