基于MSP430单片机的温湿度测量系统设计

I摘要本次设计内容为基于MSP430单片机的温湿度检测系统。温度和湿度是药房、粮仓、温室大棚等场所的重要的环境因子，本文提出了一种基于MSP430F149单片机的温湿度检测系统设计，该系统设计方案具有测量准确、调试方便、可实时记录信息等特点，并可广泛应用于条件恶劣、人员不便进入的场合。本次设计以MSP430F149单片机为基础，在分析其工作原理及相应管脚作用的基础上，结合我国现有气候的特点，进行温度、湿度参数的检测系统设计，完成了温湿度检测系统的方案，包括温度检测系统、湿度检测系统，使检测所得的数据量达到生产等环节过程中的精确要求。温湿度检测系统的控制方案共有5个主要部分；其中包括温度检测系统、湿度检测系统、显示电路、电源电路。本次设计对温湿度检测系统组态采用美国德州仪器开发的MSP430单片机，并在设计内容里详细介绍了MSP430单片机的相应优势及工作原理。此次设计共分5章内容，主要包括温湿度检测系统简介、基本硬件介绍、硬件电路设计、软件程序设计等内容，全方位解析温湿度检测系统及其相应显示的方案，根据精度对生产等环节的要求进行各种精度的确定，包括传感器及运算电路，以实现系统最优且安全可靠。关键词MSP430F149单片机；温度检测；湿度检测IIABSTRACTTHECONTENTOFTHISDESIGNISTHEHUMIDITYANDTEMPERATUREMONITORINGSYSTEMBASEDONMSP430SINGLECHIPMICROCOMPUTERTEMPERATUREANDHUMIDITYARETWOIMPORTANTENVIRONMENTALFACTORSINSOMEPLACESLIKEPHARMACIES,GRANARIESANDGREENHOUSESTHEDESIGNFORTHEHUMIDITYANDTEMPERATUREMONITORINGSYSTEMBASEDONTHEMSP430F149SINGLECHIPMICROCOMPUTERISPRESENTEDINTHISTHESISTHEDESIGNOFTHESYSTEMISCHARACTERIZEDBYACCURACYINMENSURATION,CONVENIENCEINDEBUGGINGANDREALTIMEINFORMATIONRECORDINGANDALSOWIDELYUSEDINTHEPLACESWHICHARETOOHARSHFORPEOPLETOENTERTHEDESIGNGROUNDEDONTHEMSP430F149SINGLECHIPMICROCOMPUTER,CONSIDERINGEXSITINGCLIMATECHARACTERISTICSINOURCOUNTRY,ISPLANNEDINDETECTINGSYSTEMABOUTPARAMETERSOFHUMIDITYANDTEMPERATUREONTHEPREMISETHATHASANALYZINGTHEWORKINGPRINCIPLEANDPINFUNCTIONTHEDESIGNHASCOMPLETEDTHESCHEMESOFHUMIDITYANDTEMPERATUREMONITORINGSYSTEM,INCLUDINGTEMPERATUREDETECTINGSYSTEMANDHUMIDITYDETECTINGSYSTEM,TOMAKESURETHEDATASIZEOFTHEDETECTIONCANMEETTHEPRECISEREQUESTINPRODUCTIONANDOTHERLINKSTHEREAREFIVEMAJORPARTSINTHESCHEMEOFHUMIDITYANDTEMPERATUREMONITORINGSYSTEM,COMPRISINGTEMPERATUREDETECTINGSYSTEM,HUMIDITYDETECTINGSYSTEM,DISPLAYCIRCUITANDPOWERCIRCUITTHEDESIGNADOPTSTHEMSP430SINGLECHIPMICROCOMPUTERCONFIGURATIONBYTEXASUSINTHECONFIGURATIONOFHUMIDITYANDTEMPERATUREMONITORINGSYSTEMANDTHEADVANTAGESANDTHEWORKINGPRINCIPLEOFMSP430AREINTRODUCEDINTHEDESIGNINDETAILTHEDESIGNCONSISTSOFFIVECHAPTERS,INCLUDINGINTRODUCTIONOFTEMPERATUREANDHUMIDITYDETECTIONSYSTEM,THEBASICHARDWARE,THEHARDWARECIRCUITDESIGN,SOFTWAREPROGRAMMING,WHICHANALYZESTHEHUMIDITYANDTEMPERATUREMONITORINGSYSTEMANDSHOWNSCHEMESRELATEDITALSODETERMINESTHEACCURACYCONSIDERINGTHEIMPORTANCEOFEXACTNESSINPRODUCTION,INCLUDINGTHESENSORANDARITHMETICCIRCUIT,TOACHIEVEOPTIMIZATIONANDRELIABLENESSOFTHESYSTEMKEYWORDSMSP430F149TEMPERATUREDETECTIONHUMIDITYDETECTIONIII目录第1章引言111课题的目的和意义112国内、外现状及发展趋势2121国内现状及发展趋势2122国外现状及发展趋势2第2章温湿度检测系统简介321温度测量部分322湿度测量部分323显示部分324电源部分3第3章基本硬件介绍431MSP430单片机4311处理能力强4312运算速度快4313超低功耗4314方便高效的开发环境5315MSP430F149系列5316MSP430F149各管脚532DS18B20温度传感器83214个主要的数据部件9322技术性能描述11323应用范围12324DS18B20工作原理12325DS18B20引脚定义1333HM1500湿度传感器13331HM1500内部结构13332额定参数13333特性13334环境适应性14335HM1500湿度测量14336HM1500模拟线性电压输出14第4章硬件电路的设计1641基础电路设计电路设计1642重要模块电路的设计16421温度检测电路的设计16422湿度测量电路的设计18IV423电源转换电路的设计19424显示电路的设计20第5章软件程序设计2351软件开发环境IARFORMSP4302352程序设计整体方案2353温度测量程序25531DS18B20温度传感器的驱动25532温度的测量与显示程序2554湿度测量程序25第6章结论27参考文献28致谢29附录30附图46沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）1第1章引言11课题的目的和意义这次毕业设计选题的目的主要是让生活在信息时代的我们，将所学知识应用于生产生活当中，掌握温、湿度测量系统设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。通过对温、湿度测量系统的设计、制作、了解信息采集测试、控制的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成项目过程中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何巧妙合理地去设计系统中的各部分电路，并将它们有序的连接起来。提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。温、湿度是工业对象中主要的被控参数之一，当今社会温、湿度的测量与测量系统在生产与生活的各个领域中扮演着越来越重要的角色，大到工业冶金、环境检测、纺织厂、冷冻库、粮仓、医疗卫生等方面，小到浴霸、家庭冰箱、空调、电饭煲等方面都得到了广泛的应用。例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温、湿度都要求严格控制，而单片机温、湿度测量系统使温、湿度测量指标得到了大幅度提高。其使用量日益增多，其地位和作用也倍显重要。温、湿度测量系统的广泛应用使得这方面的研究意义颇为必要。温、湿度测量系统的结构组成，测量原理使用维护等方面的基础内容已成为电子工程技术人员急需了解掌握的必要知识。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能产品，它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各国已得到广泛的应用，在国内，也已经进人飞速发展阶段，MSP430系列超低功耗16位单片机，越来越受到电子工程师亲睐，并得到广泛应用。MSP430微控制器SINGLECHIPMICROCOMPUTERMICROCONTROLLERUNIT）是TI公司推出的一款具有丰富片上外围的超低功耗16位FLASH型混合信号处理器，本系统使用的MSP430F149有一个串口通信接口，一个带有大量捕获P比较寄存器的16位定时器看门狗，一个模拟电压比较器。工业仪器大多数工作在野外的环境中，供电方式比较麻烦，所以使仪器的功耗尽可能低是非常必要的。该系统与传统的温湿度测量器相比，选择了MSP430微控制器，它充分运用各种低功耗设计手段，使芯片的电流极小，在超低功耗时可达01MA。整个系统在平时处于低功耗状态，每隔5MIN自动从低功耗下唤醒，进行温、湿度和湿度测量，并通过温、湿度和湿度的对应关系，来确定是否启动加热器和加湿器。其中，温、湿度测量使用单线数字温、湿度传感器DS18B20，其体积小、构成的系统简单、精度高，湿度测量使用湿敏电阻CHR一01，其成本低廉。所以整个系统与传统的温湿度测量器相比，具有功耗低、性价沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）2比高、电路简单、易于实现等特点。12国内、外现状及发展趋势121国内现状及发展趋势我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究。引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着许多不足之处，主要表现在价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。测量方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。122国外现状及发展趋势1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能测量理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动测量和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境测量技术产生了革命性的变化。80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室测量要求的提高，以微机为核心的温室综合环境测量系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）3第2章温湿度检测系统简介21温度测量部分温度检测是整个系统的一个重要的组成部分。它采用了DS18B20温度传感器进行对温度的测量。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10。采用36V电源供电，DQ端接MSP430F149的P25口，并且在DQ端和VDD端加47K的上拉电阻，GND端接地。其主要目的就是对当前环境中的温度数据进行测量，并进行相应的信号转换。22湿度测量部分测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气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吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别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。采用HM1500湿度传感器。具有尺寸小、浸水无影响、互换性好、可靠性高、漂移小、在5VDC供电时、0100RH典型输出、标定2RH55RH、极低的温度依赖性、比例输出于电源电压、适合37V供电的主要特点。并且具有在长时间处于饱和状态后快速脱湿、专利固态聚合物结构、对化学品的高抵抗性、响应时间短的湿度传感器的特点。23显示部分采用LED数码管。系统采用动态显示方式驱动8个数码管工作,其中4个数码管用来显示温度值,4个用来显示检测到的湿度值。用SNJ54HC373的输入端来选择位码,单片机的P1口控制数码管的断码。如果检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能。LED数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，从而得到了广泛的应用，但相对制作复杂成本高。24电源部分电压转换中，使用LM7805将220V电压转换为5V电压。电压转换中，使用AMS1117将5V电压转换为33V电压提供整体电路中的使用电源。并且在5V33V转换电路中，采用了电池供电的方式。在不能连接到外接220V电源的情况下或外接220V电源突然停电的情况下，可以使用电池对单片机进行供电，可以防止电路突然中断。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）4第3章基本硬件介绍31MSP430单片机MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MIXEDSIGNALPROCESSOR）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。311处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。312运算速度快MSP430系列单片机能在25MHZ晶体的驱动下，实现40NS的指令周期。16位的数据宽度、40NS的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。313超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1836V电压。因而可使其在1MHZ的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有01A。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768KHZ）DT26ORDT384，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达25A，在RAM保持模式下，最低可达01A。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）5314方便高效的开发环境MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。315MSP430F149系列基于闪存或ROM的超低功耗MCU，提供8MIPS，工作电压为18V36V，具有高达60KB的闪存和各种高性能模拟及智能数字外设。超低功耗低至01ARAM保持模式07A实时时钟模式200A/MIPS工作模式在6S之内快速从待机模式唤醒。器件参数闪存选项1KB60KBROM选项1KB16KBRAM选项512B10KBGPIO选项14、22、48引脚ADC选项10和12位斜率SAR其它集成外设模拟比较器、DMA、硬件乘法器、SVS、12位DAC。316MSP430F149各管脚MSP430单片机管脚编号及作用描述表31MSP430单片机各管脚编号及作用描述编号引脚名称I/O描述1DVCC数字电源电压，正端。供应所有数字部分。2P63/A3I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A3的12位ADC3P64/A4I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A4的12位ADC4P65/A5I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A5的12位ADC5P66/A6I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A6的12位ADC6P67/A7I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A712位ADC沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）67VREFOADC输内参考电压正端输出8XINI晶体振荡器XT1的输入端口。可以连接标准晶体或手表晶体9XOUT/TCLKI/O晶体振荡器XT1的输出端或测试时钟输入10VEREFI/PADC外部参考电压输入11VREF/VEREFO内部ADC参考电压和外部施加的ADC参考电压负端12P10/TACLKI/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，时钟输入信号TACLK输入13P11/TA0I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，捕捉CCI0A输入，比较OUT0的输出/BSL传输14P12/TA1I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，捕捉CCI1A输入，比较输出1输出15P13/TA2I/O通用数字I/O引脚/，TIMER_A捕捉CCI2A输入，比较OUT2的输出16P14/SMCLKI/O通用数字I/O引脚/SMCLK信号输出17P15/TA0I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，比较OUT0的输出18P16/TA1I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，比较输出1输出19P17/TA2I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，比较OUT2的输出20P20/ACLKI/O通用数字I/O引脚/ACLK输出21P21/TAINCLKI/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，时钟信号INCLK22P22/CAOUT/TA0I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，捕捉CCI0B输入/比较器输出/BSL接收23P23/CA0/TA1I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，比较输出1输出/比较器输入24P24/CA1/TA2I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，比较OUT2的输出/比较器输入25P25/ROSCI/O通用数字I/O引脚/定义DCO标称频率的外部电阻输入26P26/ADC12CLKI/O通用数字I/O引脚/转换时钟12位ADC27P27/TA0I/O通用数字I/O引脚/TIMER_A，比较OUT0的输出28P30/STE0I/O通用数字I/O引脚/从发送使能USART0/SPI模式沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）729P31/SIMO0I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI方式的从输入/主输出。30P32/SOMI0I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI方式的从输出/主输入。31P33/UCLK0I/O通用数字I/O/USART0时钟外部输入UART或SPI模式下，输出SPI模式32P34/UTXD0I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出USART0/UART模式33P35/URXD0I/O通用数字I/O引脚/接收数据USART0/UART模式34P36/UTXD1I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出USART1/UART模式35P37/URXD1I/O通用数字I/O引脚/接收数据USART1/UART模式36P40/TB0I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI0A或CCI0B输入，比较OUT0的输出37P41/TB1I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI1A或CCI1B输入，比较OUT1输出38P42/TB2I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI2A或CCI2B输入，比较OUT2的输出39P43/TB3I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI3A或CCI3B输入，比较OUT3输出40P44/TB4I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI4A或CCI4B输入，比较OUT4输出41P45/TB5I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI5A或CCI5B输入，比较OUT5输出42P46/TB6I/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，捕捉CCI6A或CCI6B输入，比较OUT6输出43P47/TBCLKI/O通用数字I/O引脚/TIMER_B，时钟输入信号TBCLK44P50/STE1I/O通用数字I/O引脚/从发送使能USART1/SPI模式45P51/SIMO1I/O通用数字I/O引脚/从入主出USART1/SPI模式46P52/SOMI1I/O通用数字USART1/SPI方式的从输出/主输入47P53/UCLK1I/O通用数字I/O外部时钟输入USART1/UART或SPI方式，时钟输出USART1/SPI方式48P54/MCLKI/O通用数字I/O引脚/主系统时钟MCLK输出49P55/SMCLKI/O通用数字I/O引脚/次主系统时钟SMCLK输出50P56/ACLKI/O通用数字I/O引脚/辅助时钟ACLK输出沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）851P57/TBOUTHI/O通用数字I/O引脚/切换所有PWM数字输出端口到高阻抗TIMER_B7TB0到TB652XT2OUTO晶体振荡器XT2O输出端子53XT2INI晶体振荡器XT2的输入端口。只能连接标准晶体54TDO/TDII/O测试数据输出端口。TDO/TDI的数据输出或编程数据输入端子55TDI/TCLKI测试数据输入或测试时钟输入。该设备保护用保险丝连接到的TDI/TCLK的。56TMSI选择测试模式。TMS用作一个器件的编程和测试输入端口。57TCKI测试时钟TCK是用于器件编程测试和引导装载程序启动（FLASH器件）时钟输入端口58RST/NMII复位输入，不可屏蔽中断输入端口，或者引导装载程序启动（在FLASH设备）。59P60/A0I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A0的12位ADC60P61/A1I/O通用数字I/O引脚/模拟输入格A112位ADC61P62/A2I/O通用数字I/O引脚/模拟输入A2的12位ADC62AVSS模拟电源电压，负极。提供模拟部分模拟数字的变换器。63DVSS数字电源电压，负极。供应所有数字部分。64AVCC模拟电源电压，正端。提供模拟部分模拟数字的变换器32DS18B20温度传感器DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）9种狭小空间设备数字测温和控制领域。3214个主要的数据部件（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRCX8X5X41）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以00625/LSB形式表达，其中S为符号位。表32DS18B20温度值格式BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0LSBYTE2322212021222324BIT15BIT14BIT13BIT12BIT11BIT10BIT9BIT8MSBYTESSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。例如125的数字输出为07D0H，250625的数字输出为0191H，250625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H。（3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。（4）配置寄存器该字节各位的意义如下表33配置寄存器TMR1R011111低五位一直都是“1“，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）10置分辨率，如下表所示（DS18B20出厂时被设置为12位）表34温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位9375MS0110位1875MS1011位375MS1112位750MS（5）高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图29所示。对应的温度计算当符号位S0时，直接将二进制位转换为十进制；当S1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。图210是对应的一部分温度值。表35DS18B20暂存存储器分布寄存器内容字节地址温度值低位（LSBYTE）0温度值高薇（MSBYTE）1高温限值（TH）2低温限制（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）111660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。ROM、RAM指令如下表所示表36ROM、RAM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令适用于单片机工作告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出相应。指令约定代码功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750MS（9位为9375MS）。结果存入内部9字节RAM中复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据重调EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式。寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电DS18B20发送“1”。322技术性能描述（1）、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）、测温范围55125，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）05。（3）、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。（4）、工作电源35V/DC（可以数据线寄生电源）（5）、在使用中不需要任何外围元件。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）12（6）、测量结果以912位数字量方式串行传送。（7）、不锈钢保护管直径6。（8）、适用于DN1525,DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。（9）、标准安装螺纹M10X1,M12X15,G1/2”任选。（10）、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。323应用范围（1）该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。（2）轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。（3）汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。（4）供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。324DS18B20工作原理DS18B20测温原理如图31所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图31中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）13斜率累加器预置比较计数器1低温度系数晶振预置温度寄存器0高温度系数晶振计数器20图31DS18B20湿度传感器工作原理图325DS18B20引脚定义（1）DQ为数字信号输入/输出端；（2）GND为电源地；（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。33HM1500湿度传感器湿度传感器选择集成湿度传感器HM1500,它是利用湿敏电容HS1101设计制造,具有线性电压输出。其湿度测量范围为599相对湿度相对湿度精度为3工作温度为3060工作湿度范围0100相对湿度供电电压为5V最大电压DC16V可输出DC电压为14V响应时间为5,适用于工业级场合。331HM1500内部结构图32HM1500内部结构332额定参数表37HM1500湿度传感器额定参数参数符号参数值单位存储温度TSTG3070沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）14供电电压（峰值）VS7VDC湿度工作范围RH0100RH温度工作范围TA3060333特性TA23，VS5VDC，RL1M表38HM1500特性334环境适应性HM1500已通过HUMIRAL的震动、冲击、存储、高温高湿、静电等品质测试。此外，经过严格的恶劣化学测试，证明HM1500可以在一下环境中稳定工作SO2（05）、H2S（05）、O2、NO2、NO、CO、CO2、软化剂、肥皂。甲苯、酸（H2SO4，HNO3，HCL）、杀虫剂、香烟等等。335HM1500湿度测量典型HM1500相对湿度测量曲线沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）15图33HM1500输出电压与相对湿度曲线336HM1500模拟线性电压输出模拟线性电压输出及输出值多项式拟合参考图34HM1500模拟线性电压输出及输出值多项式拟合参考沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）16第4章硬件电路的设计41基础电路设计电路设计本系统的总体设计方案如图41所示。本设计方案包括温度检测模块、湿度检测模块、显示模块。在温湿度检测模块中,温度传感器DS18B20采集得到的电流信号和湿度传感器HM1500采集到的电压信号转换为给定范围内的电压信号。然后由单片机MSP430F149的AD采样端口将该电压信号读入,单片机把数据处理之后通过显示器显示出来测量值。显示模块湿度传感器信号调理电路存储器温度传感器MSP430F149图41系统总体结构框图42重要模块电路的设计421温度检测电路的设计DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就是DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图（1）DS18B20寄生电源供电方式电路图如下面图6所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。独特的寄生电源方式有三个好处1）进行远距离测温时，无需本地电源。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）172）可以在没有常规电源的条件下读取ROM。3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1MA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠47K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，图6电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。在制作中曾经就此电路做过实验，在实验中，降低电源电压VCC，当低于45V时，测出的温度值比实际的温度高，误差较大。当电源电压降为4V时，温度误差有3之多，这就应该是因为寄生电源汲取能量不够造成的吧，因此，在开发实际测温系统时不使用此电路。（2）DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图改进的寄生电源供电方式如下面图10所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10S内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。（3）DS18B20的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。因此，在实际的设计开发中,我们使用外部电源供电方式。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。温度测量电路模块如图42所示。DSL8820工作电压为35V，测量温度范围为55125，用户设置的报警温度存储在芯片内部EEPROM中，可掉电保持。它具有3引脚，当采用外部电源供电时，GND脚接地，VCC脚接电源，DQ脚作为信号端接单片机I/O口，电源脚和DQ脚间还需要外接一个约1K的上拉电阻，保证总线闲置时其状态为高电平。DSL8B20可以将所采集到的温度转换为数字信号，然后沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）18通过DQ传送至单片机，单片机从而启动程序存储器中的测量程序，驱动数码管显示温度值。VCCVDDR71KDQGNDVCCDS18B20OUT图42温度检测电路422湿度测量电路的设计由于湿度为缓变信号，可利用MSP430单片机的省电工作方式实现湿度的低功耗测量。传统的数字式湿度计一般需要几个独立的元器件如AD转换器、CPU和驱动芯片等，此电路仅由一片MSP430F149配以HM1500湿度传感器构成；而且由于MSP430F149同时具有节电检测功能，此电路不需任何特殊的复位电路。湿度计的简单工作过程如下湿度传感器输出的电压信号通过片上ADCL2模数转换模块的A1通道传入，在ADCL2模块对信号进行采样然后转换成数字信号，由单片机经过相应的软件算法把数字信号转换成湿度值，最后，通过片上LED液晶驱动模块显示出来。当湿度计电路显示实时最新数据后，MSP430F149处于空闲状态，在此期间内辅助时钟32KH工作的模块处于活动状态，按该时钟运行的内部定时器控制LED的工作频率，使其保持并显示最后的湿度读数。经软件延时规定的时间以后，此定时器产生中断，中断启动CPU和内部高速振荡器，再一次重复上述测量显示过程。湿度值的采集由片上ADCL2模块完成，ADCL2模块能实现12位精度的模数转换，通过软件选择通道。ADCL2提供单通道单次、序列通道单次、单通道多次、序列通道多次4种转换模式，由于湿度计采用中断方式采集数据，所以选择单通道单次转换。湿度检测电路如图43所示。集成湿度传感器HM1500的输出电压在14V间随湿度线性变化,电路设计主要采用差分式减法电路,精密电阻R3R624K,R4R72K,用这四个电阻可调节增益。湿度传感器HM1500检测到的湿度对应的电压信号从IN端输入。差分的另一侧输入VS,它是由TL431提供沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）1925V的精密电压分压后可得到10V左右的电压。并由此可以得到输出电压的计算公式为（式41）65SS34OUTRININ若输入电压在14V之间变化,则输出电压就相应在025V之间变化。调节R1可以消除不同的湿度传感器的零点误差。该电路的测湿范围为0100。LM224LM224LM224R520KR324KR720KR420KR624KR21KD1D2R22K5V5V5VVCC25VOUTHM150010V1N图43湿度检测电路423电源转换电路的设计LM7805系列集成稳压器的典型应用电路图，是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采集成稳压器LM7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，LM7805应配上散热板。为提高输出电压的应用电路。稳压二极管VD1串接在LM7805稳压器2脚与地之间，可使输出电压UO得到一定的提高，输出电压UO为7805稳压器输出电压与稳压二极管VC1稳压值之和。VD2是输出保护二极管，一旦输出电压低于VD1稳压值时，VD2导通，将输出电流旁路，保护LM7800稳压器输出级不被损坏。AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过13V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到15的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）20高效线性稳压器后置稳压器，用于交换式电源5V至33V线性稳压器、电池充电器、有源SCSI终端、笔记本电源管理、电池供电设备。电源转换电路如图44、图45所示。图44显示的为220V电压转换为5V电压。电压转换中，使用LM7805转换为5V电压。图45显示的为5V电压转换为33V电压。电压转换中，使用AMS1117转换为33V电压提供整体电路中的使用电源。并且在5V33V转换电路中，采用了电池供电的方式。在不能连接到外接220V电源的情况下或外接220V电源突然停电的情况下，可以使用电池对单片机进行供电，可以防止电路突然中断。12342200U470U1KLED01UFVINVOUTGND220VLM7805VCC图44220V电源转换为5V电源VCC01UFVINVOUTVOUT01UF47UF300REDGND21GNDBATTERYAMS111733图455V电源转换为33V电源424显示电路的设计与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数目字。数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管，区沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）21别在于八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，其基本单元是发光二极管。数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。将所有数码管的8个显示笔划“A,B,C,D,E,F,G,DP“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。