基于LaunchPad的土壤湿度检测装置.doc

无 锡 职 业 技 术 学 院毕业设计说明书（论文）目录1 引言22 总体方案设计221方案一：AT89S52单片机。222方案二：采用MSP430单片机23分电路设计和论证331 传感器部分3311 方案一：HS1101湿度传感器3312 YL-69土壤湿度传感器。432 单片机部分5321 方案一： At89S52 单片机5322方案二：MSP430G2553单片机633显示部分10331方案一： 七段数码管模块10332 方案二：LCD1602液晶显示屏1034 电源部分114 软件设计1241程序流程12411系统主程序流程图12412各子程序流程图1342程序14421主程序14422 各子程序145软硬件系统的调试176 附录217参考文献22基于LaunchPad 的土壤湿度检测装置摘要：本设计主要的内容是基于LaunchPad 的土壤湿度检测装置土壤湿度检测装置的设计与制作。该装置通过湿度传感器对土壤湿度进行采集然后将采集到的数据传递给单片机，通过计算将数据显示在显示屏上。接收部分以LaunchPad MSP430为核心，将数据采集、液晶显示结合起来，通过适当的软、硬件调试，完成土壤湿度情况的检测。该系统具有实用性、小型化等特点。关键词：LaunchPad 传感器 土壤湿度检测1 引言 在日常实际生产生活中，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料的水分值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。随着科技的进步，检测仪表也向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。在这个发展过程中，以单片机为核心控制器的温湿度检测以体积小、操作简单、性能稳定、测量精度高等诸多有点正逐步进入生产生活的各个方面。本文介绍的湿度检测仪就是以MSP430单片机作为核心控制器设计的，它具有体积小、操作简单、性能稳定、测量精度高和抗干扰能力强等优点，可广泛应用于需要对温湿度进行测控的领域中。 先根据实际生产生活的需要提出温湿度检测仪的设计功能要求，然后由这些具体要求和现有的设计条件设计出了适合的硬件原理图，尽量采用模块化的方法将其分成几个部分，然后分模块设计程序，最使各部分结合起来协调工作，实现功能要求。它是以单片机的在控制方面的突出优势,并综合运用现代检测技术、微控制技术、数据处理和通信技术以及LCD显示技术而设计的数字温湿度检测系统，可以实时、准确的测量环境中的温度和相对湿度，对生产生活有较好的知道意义。本设计主要介绍了温湿度检测仪的主要性能指标及其工作原理，温湿度检测仪的硬件设计总体方案和温湿度检测仪的应用软件系统的总体设计方案；温湿度检测仪的硬件电路设计，温度检测电路、键盘LCD显示电路和湿度检测电路；基于LaunchPad单片机的湿度检测仪的软件设计，软件设计部分采用模块化设计，湿度检测模块程序设计中LCD显示。2 总体方案设计 本文以单片机为核心，选用土壤湿度传感器，完成土壤湿度情况的检测，并能将检测到的数字量实时显示。 21方案一：AT89S52单片机。 单片机AT89S52该检测仪采用AT89S52单片机为核心，整个硬件系统分为以下几个部分： 芯片TLC549 A/D转换AD590湿度检测 显示屏HIII-3610湿度检测及信号放大 芯片TLC549 A/D转换 图1 基于AT89S51单片机的湿度检测装置框图湿度测量电路由ADC0809转换器和湿敏电阻组成，湿敏电阻阻值随环境相对湿度的变化而变化，从而导致其两端电压的变化变化。由ADC0809把模拟量转换成数字量，单片经过软件处理后，获得相对电压值和湿度值。键盘输入电路与显示电路实现人机对话的功能。 22方案二：采用MSP430单片机温湿度采集模块使用的是YL-69湿度传感器。它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。 数据处理模块使用的是MSP430G2553单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能。 其余模块主要由电源、LCD构成。其中LCD用于数据显示。设计框图如下： 显示屏 MSP430 G2553 湿度传感器 电源 图2 MSP430G2553单片机设计框图单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块；温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机；显示电路主要用来显示当前的温湿度。 AT89C51单片机，这款单片机在平时学习和课程设计中，都比较常用，但是51单片机内部没有A/D转换模块，需要借助ADC0809完成转换过程。而MSP430G2553单片机，这款单片机内部集成了10位的A/D转换，并且TI公司做成了一个物美价廉的LaunghPad开发板，不仅调试简单，而且利于学生再次开发设计，十分方便。因此，对于土壤湿度检测装置这个课题以及两种方案的对比的综合分析，我最终的决定选择方案二。3分电路设计和论证 31 传感器部分 测量土壤湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从土壤中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的湿度。有电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件等。是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。311 方案一：HS1101湿度传感器 是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，是基于独特工艺设计的电容元件，这种相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化、车厢内空气质量控制、家电、工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合也可以得到很大的应用。测量湿度时将HS1 101置于555振荡电路中，将电容值的变化转换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。特性如下：l 宽量程：1095%RH，l 精度5%RH ，工作温度范围4080l 可选的10K+/-3% NTC 温度传感器（HTF3223）输出接点容量:220VAC,1Al 报警设定:0100%RH 图3 HS1101实物图312 YL-69土壤湿度传感器。这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，模块输出一个高电平，反之输出低电平。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。而且它的灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节），工作电压一般为3.3V-5V5 。更重要的是它模块双输出模式，这使得数字量输出简单，模拟量输出更精确。并且设有固定螺栓孔，方便安装。小板PCB尺寸为：3cm * 1.6cm。工作时电源指示灯为红色和数字开关量输出指示灯为绿色，它的比较器采用LM393芯片，工作非常稳定。 设计电路如图4所示： 图4 YL-69电路图 图5 YL-69湿度传感器引脚图 引脚说明1 VCC 外接3.3V-5V2 GND 外接GND3 DO 小板数字量输出接口（0和1）4 AO 小板模拟量输出接口 图6 YL-69实物图 图7 YL-69封装图 由于HS1101所构成的测湿度电路对电阻的精度要求高并电路繁琐，而YL-69电路简单，使用方便，通过综合比较，我选择了方案二。 32 单片机部分 321 方案一： At89S52 单片机 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。图9 AT89S52单片机最小系统 图8 AT89S52单片机引脚图VCC：电源。GND：接地。P0 P3 :口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口。RST: 复位输入。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）在访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（PROG）也用做编程输入脉冲。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。EA：访问外部程序存储器控制信号。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 322方案二：MSP430G2553单片机MSP430是一种基于RISC 的 16 位混合信号处理器，专为满足超低功耗 (ULP) 需求而精心设计。MSP430 MCU 将智能外设、易用性、低成本以及业界最低功耗等优异特性完美结合在一起，能满足数以千计应用的要求，也必然能满足您需求。MSP-EXP430G2 LaunchPad 是一款易于使用且价格低廉的闪存编程器和调试工具，它提供了在 MSP430 超值系列器件上进行开发所需的一切内容。它提供了具有集成仿真功能的 14/20 引脚 DIP 插座目标板，可通过 Spy Bi-Wire（2 线JTAG）协议对系统内置的 MSP430 超值系列器件进行快速编程和调试。由于 MSP430 闪存的功耗极低，因此无需外部电源即可在数秒内擦除闪存并对其进行编程。CPUMSP430 CPU 具有一种16 位RISC 架构，对于应用而言是高度透明的。所有的操作（程序流指令除外）均作为寄存器操作与用于源操作数的7种寻址模式和用于目的操作数的4中寻址模式一起执行。CPU 与16 个寄存器进行了集成，可提供精简指令执行时间。寄存器至寄存器操作执行时间为CPU时钟的一个周期。指令集该指令集包括具有3 中格式和7种地址模式的51条指令。每条指令均可操作字和字节数据。振荡器和系统时钟时钟系统由基本时钟模块提供支持，此时钟模块支持一个32768 Hz 手表晶体振荡器、一个内部超低功耗低频振荡器和一个内部数字控制振荡器(DCO) 。基本时钟模块专为同时满足低系统成本及低功耗要求而设计。内部DCO提供了一个快速导通时钟源并可在不到s 的时间里实现稳定。基本时钟模块提供了以下时钟信号： 辅助时钟(ACLK)，此时钟由一个32768 Hz 手表晶体或内部LF 振荡器提供信号源。 主时钟(MCLK)，CPU 所采用的系统时钟。 系统子时钟(SMCLK)，外设模块所采用的子系统时钟。数字I/O提供了多达3 个8 位I/O 端口： 所有单独的I/O 位均可进行独立编程。 输入、输出和中断条件的任一组合（仅限端口P1 和端口P2）都是可行的。 用于端口P1 和端口P2（如果可用的话）的所有位的边沿可选中断输入功能。 所有指令均支持到端口控制寄存器的读/写访问。 每个I/O 具有一个可单独编程的上拉/下拉电阻器。 每个I/O 具有一个可单独编程的引脚振荡器使能位，此使能位用于启用低成本触摸感测。WDT+ 看门狗定时器看门狗定时器(WDT+) 模块的主要功能是在软件问题发生后执行受控的系统重启。如果选定的时间间隔结束，则产生一个系统复位。如果在某种应用中不需要看门狗功能，则该模块可被禁用或配置为一个间隔定时器，并能在选定的时间间隔上产生中断。它的关键特性： 超低功耗 (ULP) 架构与高度灵活的时钟系统可显著延长电池使用寿命：0.1A RAM 保持模式；1 A RTC 模式；230 A/MHz（闪存）；设定值？P1.0=1 否 传感器红灯亮 是P1.0=0LCD显示结束 图17主流程 412各子程序流程图 采样流程图：程序初始化读取数值多次求平均采样值准确性？ 否 图17采样流程图 图18 A/D采样流程图显示流程图：LCD初始化光标定位显示 图19 LCD1602显示流程图42程序421主程序void main()WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT P2SEL=0x00; P2DIR = 0xff; P1DIR = 0x38;lcdinit();/lcdcls();/datt=0xff;/writecom(1,0x01);while(1)displayleng(2,0,table1);422 各子程序显示子程序：#include msp430g2553.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define RS_1 P1OUT|=BIT3;/将P1OUT的第3位置1：即P1.2=1#define RS_0 P1OUT&=BIT3;/将P1OUT的第3位清0：即P1.2=0#define RW_1 P1OUT|=BIT4;#define RW_0 P1OUT&=BIT4;#define EN_1 P1OUT|=BIT5;#define EN_0 P1OUT&=BIT5;/#define datt P2OUT;uchar chkbusy();void lcdinit();void writecom(uchar x,uchar comm);void writedata(uchar dat);void displayone(uchar x,uchar y,uchar one);void displayleng(uchar x,uchar y,uchar *s);/uchar temp=0;uchar table1=turang;/延时程序void delay(uint i)uint j;while(-i!=0)for(j=0;j255;j+);/忙信号检查uchar chkbusy()uchar busy;P2OUT=0xf0;EN_0;/P1.4=0RS_0;/P1.2=0RW_1;/P1.3=1EN_1;busy=P2OUT&0x80;/busy=0x80 1000 0000delay(1);EN_0;return(busy);/写指令void writecom(uchar x,uchar comm)while(chkbusy();EN_0;RS_0;RW_0;EN_1;P2OUT=(comm&0xf0);delay(5);EN_0;delay(5);EN_1;P2OUT=(comm&0x0f)4;delay(5);EN_0;/写数据void writedata(uchar dat)while(chkbusy(); /检查忙信号EN_0;RS_1;RW_0;EN_1;P2OUT=(dat&0xf0); /送高四位数据到P1口delay(5);EN_0;delay(5);EN_1;P2OUT=(dat&0x0f)New CCS Project弹出图20对话框。 图21 创建新工程主界面（2） 在project name中输入新建工程名称turang。（3） 在Device部分中，Variant中选择MSP430G Family，芯片选择MSP430G2553，其余选择默认。（4） 选择空工程，然后单击Finish，完成新工程的创建。（5） 创建工程如图21所示：图22 Project Explorer界面（6） 然后选择File-New-Source File，新建一个C文件，并且命名为turang.C，并在工程名上右击选择Add Files，创建工程如图22：图23新建工