毕业论文-低功耗智能便携式温度测量仪的研究——硬件设计

西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计论文题目低功耗智能便携式温度测量仪的研究硬件设计系别电子信息系专业自动化班级姓名学号指导教师年月低功耗智能便携式温度测量仪的研究硬件设计摘要温度测量是工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中一个极其普通而重要的测量项目。本论文研究了一种低功耗智能便携式温度测量仪，该测温仪采用PT1000热电阻传感器，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F4250，充分利用单片机的相关技术、测温技术、报警技术、LCD显示技术、串口技术，不但发挥了低功耗智能便携式温度测量仪的测温功能，而且还拥有报警与通信功能，手动复位功能使用户能随时测量温度的变化，超低功耗能够使用户不必担心电能不足的问题。通过对系统的调试，实验结果证明该设计达到了预期目标，完成了系统的便携式和低功耗的要求。关键词低功耗；温度测量仪；MSP430F4250；PT1000LOWPOWERINTELLIGENCEPORTABLETEMPERATUREMEASURINGMETERHARDWAREDESIGNABSTRACTTHETEMPERATUREMEASUREMENTISAVERYCOMMONANDIMPORTANTMEASUREMENTITEMININDUSTRYANDAGRICULTUREPRODUCTIONWHATTHISPAPERRESEARCHISTHELOWPOWERCONSUMPTIONINTELLIGENCEPORTABLETEMPERATUREMEASURINGINSTRUMENT,THISTEMPERATUREMEASURINGINSTRUMENTUSESTHETHERMALRESISTANCESENSOR,16POSITIONHIGHINTEGRATIONANDLOWPOWERCONSUMPTIONMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITMSP430F4250,THISSYSTEMMAKEFULLUSEOFMICROCONTROLLERTECHNOLOGY,THERMOMETRY,ANDALARMTECHNOLOGY,LCDDISPLAY,SERIALTECHNIQUES,NOTONLYPLAYEDALOWPOWERINTELLIGENTPORTABLETEMPERATUREMEASUREMENTTEMPERATURE,BUTALSOHASALARMANDCOMMUNICATIONFUNCTIONS,THEMANUALRESETFUNCTIONALLOWSTHEUSEABLETOMEASURETEMPERATURECHANGESATANYTIME,LOWPOWERCONSUMPTIONENABLESUSERSDONOTHAVETOWORRYABOUTTHEPROBLEMOFINSUFFICIENTELECTRICITYDEBUGGINGTHESYSTEM,THEEXPERIMENTALRESULTSDEMONSTRATETHATTHEDESIGNHASACHIEVEDTHEDESIREDGOALS,ANDCOMPLETESYSTEMOFPORTABLEANDLOWPOWERREQUIREMENTSKEYWORDSLOWPOWERCONSUMPTIONTEMPERATUREMEASUREMENTINSTRUMENTMSP430F4250PT1000目录1绪论111温度测量仪国内外研究现状112本论文的意义及主要内容22低功耗智能便携式温度测量仪的总体方案321低功耗智能便携式温度测量仪系统总体结构3211低功耗智能便携式温度测量仪结构框图3212低功耗智能便携式温度测量仪的各模块422低功耗智能便携式温度测量仪工作过程描述53低功耗智能便携式温度测量仪的硬件设计731单片机控制电路732电源模块833复位与晶振模块934信号处理模块1035显示模块12351MSP430液晶驱动模块的主要特点13352液晶驱动方法13353LCD控制器与LCD_A控制器的比较14354RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块1536报警模块1537键盘与LED灯模块1538串口通信模块1739降低功耗的硬件措施17391晶体管的性质17392选用低功耗单片机17393选用低功耗外围电路和器件18394选择低功耗的工作方式184实验调试1941低功耗智能便携式温度测量仪的PCB制作19411PCB板布局19412PCB的布线1942低功耗智能便携式温度测量仪调试20421低功耗智能便携式温度测量仪分析2043低功耗智能便携式温度测量仪改进方法205结论21参考文献22致谢23毕业设计（论文）知识产权声明24毕业设计（论文）独创性声明25附录1电路原理图26附录2电路PCB板271绪论11温度测量仪国内外研究现状仪器仪表在生产发展、科学研究以及人们的日常生活中有着十分重要的作用。随着微型计算机技术及嵌入式系统的发展，仪器仪表朝着高集成度、低功耗、可编程以及数字化的方向发展。为了对传统仪器仪表进行更新换代，近些年各研究和使用单位正致力于智能仪表开发和应用工作1。温度是关于物体冷热程度的度量，是自然界主要的物理量之一，而温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目，温度在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量参数，温度测量仪现已广泛应用于农业实验室，工业，环保，卫生防疫，仓储运输，博物馆，温室等领域，因此温度测量技术的研究是一个很重要的课题2。温度是表征物体冷热程度的参数，它不能像质量，长度那样用直接比较的法来获得量值，只能通过物质与温度有关的其它物理性质来测量它，例如物体体积、粘度、电导率等。温度测量是通过温度传感器来实现的，温度测量的过程就是通过温度传感将被测对象的温度值转换成电或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。一般的温度测量仪器通常都是由温度传感器和信号处理这两部分组成的，具备检测以及显示两个功能。对于简单的温度测量仪说，检测和显示这两部分是连在一起的，例如水银温度计，但是在较为复杂的度测量仪中则分成独立的两个部分，中间用导线联接起来，例如热电阻或电偶是检测部分，而相应的指示和记录仪表是显示部分。按照对物体测量的不同方式，温度测量仪可以分为接触式和非接触式两大型。在测量温度的时候，测温仪检测部分如果直接与被测介质直接接触的则为接触式温度测量仪；如果检测部分没有与被测介质直接接触，则称为非接触温度量仪。社会的快速发展，使得温度测量的要求也越来越高，目前市场上出现了各式各样的便携式温度测量仪，能满足不同测温需要。随着电子器件的不断发展便携式数字温度测量仪已逐渐得到应用，由于它配有各种样式的热电偶和热电探头，使用时比较方便灵活；另外，便携式红外辐射温度计的发展也很迅速，装有微处理器的便携式红外辐射温度计具有存贮和计算的功能，能显示一个被测表面的多处温度，或一个点温度多次测量平均温度、最高温度和最低温度等不同的参数。此外，还有多种其它类型的温度测量仪，例如用晶体管测温元件和光导纤维测温元件构成的仪表；采用热象扫描方式的热象仪，可直接拍摄和显示被测物体温度场的热象图，可用于检查大型炉体、发动机等的表面温度分布；另外还有利用激光，测量物体温度分布的温度测量仪器等3。12本论文的意义及主要内容本论文的意义在于温度测量在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量项目。现代电子检测技术正朝着高集成度、低功耗、可编程以及数字化的方向发展，传统的指针式温度指示器已经跟不上社会的发展需求。国内外在便携式温度测量仪这方面的研究及应用也相当多，便携式电子设备的重要指标之一就是低功耗，低功耗是国际上节能和绿色环保的要求，是全球化的热潮。经过对市面上现有智能便携式测温仪的了解，发现测温仪功耗基本都在180W以上，大部分只能做到工作3年不换电池，如果工作5年不换电池的仪器基本都是3秒刷新一次，或者需要通过系统自动关机才能实现长时工作，而且精度比较低，价格比较高。本论文研究了一种超低功耗智能便携式温度测量仪，该测温仪采用热电PT1000传感器，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F4250，实现对温度信号的采集和处理。通过选用低功耗元件和软件的优化，使得系统总体功耗变得非常低统控制在每秒刷新一次，功耗小于90W，3V电池供电，工作电流小于30A，工作5年不需更换电池；而且测温范围宽20008500，精度达到02，且稳定度高。本论文主要介绍了一种应用铂热电阻传感器，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F4250，实现对温度信号的采集和处理的超低功耗智能便携式温度测量仪。第1章介绍了温度测量仪发展现状及本课题主要内容。第2章介绍低功耗智能便携式温度测量仪的总体方案。第3章分析了低功耗智能便携式温度测量仪的硬件设计的各个模块。第4章分析了实验调试结果分析以及需要改进的地方。第5章给出了结论和展望。2低功耗智能便携式温度测量仪的总体方案21低功耗智能便携式温度测量仪系统总体结构本论文以单片机为中心，以低功耗为目的对温度进行检测。设计前先确定系统CPU的类型，而在超低功耗方面CPU的选择，MSP430单片机是TI公司1996年开始推向市场的超低功耗微处理器，另外他还集成了很多模块功能，从而使得用一片MSP430芯片可以完成多片芯片才能完成的功能，大大缩小了产品的体积与成本。如今，MSP430单片机已经用于各个领域，尤其是仪器仪表、监测、医疗器械以及汽车电子等领域。211低功耗智能便携式温度测量仪结构框图如图21所示，该图为低功耗智能便携式温度测量仪系统结构框图。图21系统结构框图单片机LCD显示电源晶振复位报警LED灯串口键盘输入上位机信号放大传感器212低功耗智能便携式温度测量仪的各模块1单片机便携式智能设备体积小，重量轻，从电路的角度看，自然要求设备电路简单，功耗低，功能满足要求。为了实现智能化，在设计电路方案时，一般都会使用单片微型计算机，简称单片机。单片机品种多，功能强，可靠性高，可以满足智能设备的多种需要。现在单片机越来越广泛采用CMOS工艺，使功耗更是大幅度下降，应用较多的低功耗单片机有INTEL公司80C31/80C51/87C51、80C196；ATMEL公司的AT89LV5X系列；MICROCHIP公司的PIC系列等，TI公司的MSP430系列。其中有些单片机的功耗非常低，例如德州仪器TI公司生产的MSP430系列单片机。MSP430系列单片机功耗超低，是一种16位的RISC混合信号处理器，该单片机中断源较多，并且可以任意嵌套，使用起来灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需要6S的时间。MSP430系列单片机采用的是1836V的电源电压。在1MHZ的时钟条件下运行时，芯片的耗电电流在200400A左右，时钟关断模式下最低功耗只有01A。由于系统运行时打开的功能模块不同，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。在等待方式下耗电为07A在节电方式下，最低可达01A，可见MSP430系列单片机功耗特别小，是低功耗微处理器的典型。2电源智能便携式电子设备一般要求便于携带，所以要重量轻而且体积小，因此一般不用交流供电。由于它显示通常采用LCD液晶显示器，电路一般选用功耗非常低的CMOS集成电路，因而整个系统功耗非常小，可以采用电池为系统供电。3晶振为单片机正常工作提供稳定的时钟信号，晶振是构成单片机最小系统的成员之一，本系统采用12M晶振。4复位使单片机能够从程序开始重新运行，本系统采用手动复位，人为的控制单片机的复位，同时复位也是构成单片机最小系统的组成部分。5温度传感器在工业测温领域中，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻温度传感器。热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。本课题选用的传感器是热电阻PT1000温度传感器。6信号放大电路利用具有放大功能的电子电路，将微弱的电流或电压等信号放大处理，转换成我们所需要的值，这里是使温度传感器的小电流信号得以放大供单片机使用。由于由温度传感器将温度信号转换为电信号，信号很微弱，需要进行放大才能供给单片机。7LCD显示经常使用的LED由于体积大和功耗方面的原因已经不能满足人们特定的需要，而越来越多地使用液晶LCD。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。通过和不通过的组合就可以在屏幕上显示出图像来。由于液晶是通过环境光来显示信息的，液晶本身不主动发光，所以液晶功耗很低，更加适合于单片机低功耗系统。选用低功耗的液晶显示器LCD作为显示器件，该显示器的优点是工作电压低、微功耗、使用方便（体积小、外形薄、平板式显示），是便携式智能设备显示器件的首选。该系统中的显示器主要是显示温度的测量值，如果有可能还可以增加时间模块，该显示屏同时显示时间11。8报警当电源电压低于系统所需要的最低电压时系统会自动提示更换电池的报警；温度超过温度传感器的测量范围时，系统也会自动报警，否则会损坏温度传感器甚至整个系统。当出现以上情况时，报警器的蜂鸣器会发出声音，提醒我们采取相应的措施。9键盘键盘的作用是发送命令以确定对温度进行测量或对单片机进行复位，本系统赋予四个按键，当需要复位时按下复位键，系统重新回到初始状态，当需要测量温度时按下测量键，系统对温度进行测量，为了减少电量的消耗，不用时可以关闭该系统，最后一个按键可以用作系统扩展模块。10串口串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。串口使该系统与上位机相连进行数据传输，当系统对温度进行测量时，可以将测量的结果传给上位机，更好的对温度进行控制。11LED灯指示单片机的工作状态，本系统采用4个LED指示灯，该系统的LED指示灯与键盘是对应的，当按下复位键时，对应到复位灯会亮起，当按下测量键时，相应的测量灯会亮起，当出现报警时，报警灯会不停的闪烁。当系统处于关闭状态时所有的灯都灭，这样才能更好的了解系统的工作状态。22低功耗智能便携式温度测量仪工作过程描述本论文以单片机为中心，以低功耗为目的对温度进行检测。单片机要正常工作，必须有电源、晶振、复位，构成单片机工作所需的最小系统，否则单片机就不能工作。温度传感器将外界的温度信号转换为电信号，经过放大电路将信号进行放大并输入单片机，这步是必须的，否则输入单片机的信号时无用的。单片机自带A/D转换模块，这样不必增加A/D转换模块，该模块将信号进行A/D转换，变换成单片机能够处理的数字信号，因为单片机是不识别模拟信号的。再经过单片机的运算将温度输出到LCD显示屏幕上。单片机的运算时消耗电能最多的部分，想要从根本上降低整个系统的功耗，就必须降低单片机的功耗，因此在选择单片机时非常关键，既要满足系统的要求，又要符合实际情况，所以选择MSP430系列单片机。系统工作时会不停的扫描键盘，检查键盘是否有按下的键。当键盘按下复位键时，系统检测到该键按下时，相应的LED灯会亮，单片机进行复位，当不需要系统工作时，按下关闭键，系统检测到该键按下时，单片机就会停止工作。对于按键的检测，要加上去抖措施，否则系统会出错，因为单片机工作时间都是纳秒与毫秒的级别，人的反应时间至少要02秒，时间差距大，现实过程中也会不小心碰到按键，正常按下按键应持续数十毫秒的稳定。去抖可以有硬件去抖和软件去抖，硬件主要是利用电容的缓慢放电与按键并联或用触发器来消抖，但利用软件消抖效果会更好。当单片机的电压低于单片机所需要的最低电压时或测量温度超过传感器的测量范围时，报警器会相应的报警，给我们做出提示，若缺少这个模块，系统会不正常工作或烧坏系统的元器件。单片机的串口通信可以与上位机进行通信，便于更好的利用温度值记录温度的实时变化。3低功耗智能便携式温度测量仪的硬件设计根据硬件结构框图，设计了各个模块的硬件电路图。在PROTEL99SE软件画了系统的硬件电路图，并且进行了电器规则检查。31单片机控制电路单片机控制电路图如图31所示。P14/A3/DAC024P15/TACLK/ACLK/A323P16/A222P17/A221P6720P6619P6518P6417P63/A116P62/A115P61/A014P60/A013VREF12AVCC11TDO/TDI1TDI/TFLK2TMS3TCK4RST/NMI5DVCC6DVSS7XIN8XOUT9AVSS10P13/TA2/A425P12/TA1/A426P11/TA0/MCLK27P10/TA028LCDREF/R1329LCDCAP/R2330P51/S031P50/S132P55/S233P56/S334P57/S435S536P27/S637P26/S738P25/S839P24/S940P23/S1041P22/S1142P21/S1243P20/S1344COM045P52/COM146P53/COM247P54/COM348CPUMSP430F4250SPEAKM1M2L1L2L3L4K1K2K3K4C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10T1T2XIXOT3VREFC11RSTDVCDVSAV1AV2图31单片机控制电路图1MSP430系列单片机主要特点低电源电压范围，1836V，超低功耗，高速的运算能力，16位RISC架构，125NS指令周期；多通道1014位A/D转换器、双路12位D/A转换器、比较器、液晶驱动器、电源电压检测、串行口SART以RT/SPI、硬件乘法器、看门狗定时器、多个16位、8位定时器可进行捕获，比较，PWM输出、DMA控制器；FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行中由程序控制写擦除和段的擦除；MSP430芯片上包括JTAG接口，仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；快速灵活的变成方式，可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。应用MSP430系列单片机构建应用系统，进行总体设计时要考虑选型的问题，选择MSP430系统单片机型号应该遵循以下原则A选择最容易实现设计目标而且性能/价格比高的机型；B在研制任务重，时间紧的情况下，首选熟悉的机型；C欲选的机型在市场上有稳定充足的货源。MSP430系列的FLASH型单片机在系统设计、开发调试及实际应用上都具有显著优势，使应用程序升级和代码改进更为方便，成为国内应用的主流机型。其存储器模块是目前业界所有内部集成FLASH存储器产品中能耗最低的一种，消耗功率仅为其他采用FLASH存储器的微控制器的1/5。FLASH的主要优点是结构简单，集成密度大，点可擦写，成本低。由于FLASH可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的专用仿真器。根据需要，在MSP430系列中选定MSP430F4250这款单片机12。2MSP430与外围设备的接线介绍单片机的RST引脚为复位引脚，所以该引脚与手动复位设备相连，低电平有效；单片机的DVCC、DVSS为数字电源的正负，AVSS、AVCC、VREF为模拟电源的正负和模拟参考电压。这五个引脚共同构成了单片机的供电系统，为单片机提供电能，保证单片机正常工作；单片机的XIN、XOUT为单片机的晶振引脚，外部提供的晶振与该引脚相接，为单片机提供准确的时钟信号；单片机的P60/A0、P61/A0引脚为模拟输入，从传感器传过来的信号为模拟信号由此引脚输入，P14/A3/DAC0该引脚为A/D转换引脚；单片机自带该模块，要进行数模转换，所以要接该引脚。单片机的P64P67作为通用I/O口，与外围的键盘模块相接；单片机的COM0COM3、P20P26这11个引脚与单片机的LCD显示屏相连，用来显示经过单片机处理的温度结果；单片机的P27、P55P57作为通用I/O口与LED灯相连，用来指示单片机的工作状态；单片机的P50也是作为通用I/O口与报警模块相连，供系统报警；单片机的P10与P11与外围的串口相连，用来使单片机与上位机进行通信。32电源模块如图32所示，单片机的电源模块。1系统的电压选择系统功耗与系统供电电压有密切的关系，一般成正比，所以供电电压越高，系统功耗也就越大。因为便携式智能设备通常是由电池供电，故应尽量采用低电压供电，这样即有利于减少系统的功耗，又能用方便的电池供电。这样才能符合设计的要求。100PFC14100PC15VCCDVSAV1AV2VREFDVC图32电源电路2低功耗智能便携式电子设备的电源供给智能便携式电子设备一般要求便于携带，所以要重量轻而且体积小，因此一般不用交流供电。由于它显示通常采用LCD液晶显示器，单片机选用超低功耗，把器件的功耗都尽可能的降低到最小，因而整个系统功耗非常小，可以采用电池为系统供电。综上所述，该系统采用3号电池为整个系统供电是最佳的，是可以实现的。33复位与晶振模块如图33所示，单片机的复位模块与晶振模块。J112M22PFC2022PC21VCCR2110KC2210UFXIXOS5SWPBRST图33复位与晶振电路图图32和图33构成单片机的最小系统，可以保证单片机正常工作。图33左为单片机的手动复位电路，RST与单片机的RST相连，当单片机工作时需要复位时，按下S5，电容这时已经放电，电容通过S5形成回路，放电，这时单片机复位端为低电平，经过一段时间单片机复位。图33右为单片机的晶振电路。外接晶振可以为单片机提供精度很高的系统时钟频率。晶振的频率必须与电容相匹配，否则提供的时钟信号不准。该引脚与单片机的XIN、XOUT相连，这里采用12M的晶振为单片机提供准确的时钟信号。34信号处理模块如图34所示，单片机的信号处理模块。A传感器图34的最左端为温度传感器PT1000，在工业测温领域中，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻温度传感器。热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电此外，还有多种其它类型的温度测量仪，例如用晶体管测温元件和光导纤维测温传感器4。C101UR312KR23KR011KR147KC8103C91UVCCVCCR021KT3T2T1AR1OPAMPR012KR022KR03PT1000R091KVCC图34信号处理电路图热电阻传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。1铂电阻铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出输入特性接近线性。铂电阻的电阻值与温度之间的关系031CO850120BTART20032103TC铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。2铜电阻铜在50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出一输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。3其他热电阻镍使用温度范围是50100和50150。但目前应用较少，镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。锢电阻适宜在269258温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。综合上述特点我们选用铂电阻。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可以用以下公式描述33101320TCBTART温度T在200，A，B，当T0CO859831084752CO时，C0；T0时，C。CO442O根据欧姆定律VIR，如果其中I就是流过铂电阻的电流，V是铂电阻两端的电压，R是铂电阻的电阻值，I是由CPU提供给铂电阻的，I越大，系统功耗越大，V是系统要采集的信号，当I一定时，V越大那么抗干扰性能就越好，因为某一个特定的干扰信号的幅值是一定的，当V变大时，干扰信号与其比值就变小，所以抗干扰能力就高14。因此选用PT1000，因为它产生同样大的信号流过的电流比PT100小10倍，也就是说，在采样时，同样大小的电压信号，需要的电流比PT100小得多，所以可以降低功耗，其测量范围为200850。而且PT1000稳定性好，可以采用软件措施进行非线性补偿。选用热电偶传感器同样可实现低功耗，其精度比PT1000差，但测量温度值比较高，一般500度以上选用热电偶测量。如图34，信号放大电路，温度传感器将温度转换为小电压信号，然后传给信号放大电路，放大电路的放大倍数为12K/3K15，放大电路将信号放大后，传给单片机，单片机自带A/D转换模块，信号只有经过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，单片机才能处理15。BA/D转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。A/D转换的实现方法有多种，用不同的方法实现的A/D转换器具有不同的特性。A/D转换器的主要技术指标1分辨率对于A/D转换器来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码时，输入的模拟电压变化量。具体定义为满量程电压与之比值，其FSRVN2中N就是A/D转换器的位数。例如12位的ADC能够分辨出满刻度的，12/或满刻度的024。所以一个12位ADC的满刻度为10V，那么该ADC能够分辨出的输入电压变化的最少值为24MV。由于ADC分辨率的高低取决于位数的多少，所以通常也以ADC的位数来表示分辨率。2量化误差量化误差是由A/D转换器的有限分辨率而引起的误差。如果不计其它误差，一个分辨率有限的A/D转换器的阶梯状转移特性曲线，它分辨率无限的A/D转换器转换特性曲线直线之间的最大偏差，我们将其称为量化偏差。对于在零刻度处有1/2LSB偏移的A/D转换器的量化误差为1/2LSB，没有加入偏移量A/D转换器的量化误差为1LSB。3转换速率A/D转换器的转换率就是在保证转换精度时，能够重复进行数据转换的速度，也就是每秒转换的次数MSPS兆次/秒。转换时间是完成一次A/D转换所需要的时间，它是转换速率的倒数8。CSD16_A介绍1SD16_A的结构目前MSP430F42X0和F20X3系列含有SD16_A模块，SD16_A是单通道多路选择的16位SIGMADELTA模/数转换模块，具有高阻抗输入缓存内部参考电压、内置温度传感器。转换器基于二阶过采样SIGRNADELTA的调制和数字抽取滤波器。抽取滤波器是可选过采样率上至1024的梳形滤波器。附加的滤波可用软件实现。2SD16_A的特征116位SIGMADELTA架构；2AVCC测量；38个复用的差分模拟输入；4软件可选的片上参考电压的产生；5软件可选的内部或外部参考电压；6内置温度传感；730KHZ11MHZ的调制器输入频率；8高阻抗输入缓存MSP430F42X0没有此特性；9可选的低功耗转换模式；10高达1024过采样。35显示模块如图35所示，单片机的显示模块。在MSP430系列单片机中，MSP430F4XX系列片内具有段式液晶驱动模块。MSP430X42X0和MSP430FG46XX系列内具有LCD_A控制器。在液晶驱动电路中，液晶等效为电容，两个电极板分别为公共极与段极。公共极由COM信号驱动，段极由SEG信号驱动。VSS1VDD2VO3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714PSB15NC16/RST17VOUT18LEDK19LEDA20RT12864MLCDVCCVCCC3C4C5C6C7C8C9C10C11C1C2图35LCD显示电路图351MSP430液晶驱动模块的主要特点A具有显示缓存器；B所需的SEG、COM信号自动产生；C4种驱动方法；D多种扫描频率；E段输出端口可以切换为通常输出端口；F显示缓存器可作为一般存储器；G用ACLK经BASICTIMER产生频率。352液晶驱动方法MSP430液晶驱动模块有4种驱动方法，分别为静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动以及4MUX驱动。特点如表31所列表31液晶驱动特点静态驱动方法，除了公共极需要1个引脚，驱动的每一段还各需要一个引脚。如果设计中涉及很多段数，就需要占用众多引脚为了减少引脚个数，可以根据需要选择多路驱动方法2MUX驱动、3MUX驱动、4MUX驱动方法。增加公共极个数，可以极大地减少引脚数。需要驱动段数越多，效果越明显。如要显示80段，静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动、4MUX驱动下所需要的引脚数依次为81、42、30和24个。不管是选用那种驱动方法，如果自己用单片机通过软件直接来驱动LCD，也很麻烦，所以尽量选用CPU本身有LCD控制器来驱动LCD。这样程序会变得很简单，同时也能降低系统功耗10。353LCD控制器与LCD_A控制器的比较LCD_A控制器是MSP430新模块，目前MSP430X42X0和MSP430FG46XX系列具有LCD_A控制器。ALCD控制器与LCD_A控制器的共性1具有超低功耗特；2自动产生S和COM所需信号；34/3/2/L多路复用；4最多显示160段；5相同的显示缓存结构和操作方法；方法公共极引脚数每引脚驱动液晶段数需要引脚总数静态111需要驱动段数2MUX222需要驱动段数/23MUX333需要驱动段数/34MUX444需要驱动段数/46段和I/O引脚的功能选择。BLCD_A控制器区别于LCD控制器的方面1目前只存在于MSP430X42XO和MSP430FG46XX系列中；2内部稳压发生器；3内部或外部偏置生成，可实现较小的封装；4内部超低功耗充电泵设计，在低VCC情况下也能控制LCD的对比度；53或4多路复用的1/2偏置；6内部时钟发生器；7不需要基本定时器。从两者的控制器结构可以知道LCD_A控制器内部集成了CHARGEPUMP可以用于产生LCD驱动的偏压，进行对比度调节，能够进一步减少系统所需要的外部器件。LCD_A控制器内部有时钟发生器，不再需要基本定时器。354RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块RT12864M可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性1电源VDD33V5V内置升压电路，无需负压；2显示内容128列64行；3显示颜色黄绿；4显示角度600钟直视；5LCD类型STN；6与MCU接口8位或4位并行/3位串行；7配置LED背光；8多种软件功能光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。36报警模块单片机的报警电路如图36所示。Q2NPNR81KLSSPEAKERSPEAKVCC图36报警电路图由图36可知，当单片机输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器发声，当单片机输出低电平时，三极管关断，蜂鸣器不发声。当系统电压不足或是测量的范围超过一定的范围时，蜂鸣器才会发声。电路可采用单电源供电。该模块的引脚与单片机的P50相接。37键盘与LED灯模块如图37键盘电路与38LED电路所示。S1SWPBS2SWPBS3SWPBS4SWPBR41KR51KR61KR71KK1K2K3K4VCC图37键盘电路图D1LEDD2LEDD3LEDD4LEDR3102KR3202KR3302KR3402KVCCL1L2L3L4图38LED指示灯电路图1键盘模块与LED灯模块一一对应，当按下S1时D1会相应的电亮。两图的电阻都是为了限流，防止电流过大烧坏其他元器件。单片机的P64P67与K1K4相连，单片机P27、P55P57作为通用I/O口与LED灯L1L4相连。2为了确定哪个按键按下，系统必须不断的对键盘端口进行扫描，当检测到有低电平时，此按键按下。需要注意的是，在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定现象，这是一种正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般在，0200MS之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒级的单片机而言则是漫长的。为了提高系统的稳定，我们必须去除或避开它。目前的技术有硬件去抖动和软件去抖动，硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，但是实现的难度较大又会提高了成本。软件去抖动不是去掉抖动，而是避开抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。38串口通信模块如图39所示，单片机的串口通信模块。C11V2C13C24C25T1IN11T2IN10R1OUT12R2OUT9R2IN8R1IN13T2OUT7T1OUT14V6VCC16GND15U88MAX232C101UC201UC301UC401UC501U162738495J54DB9VCCMM2图39串口电路PC机与单片机的USART的连接方式最简单的是三线方式，这是进行RS232全双工通信所必需的最少线数。由于单片机输入、输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS232标准串行接口，二者电气规范不一致，因此要完成PC机与单片机的串行数据通信，必须进行电平转换。图12为单片机的RS232电平转换电路。图中MAX232将单片机TX输出的TTL电平信号转换为RS232电平，输入到PC机，并将PC机输出的RS232电平信号转换为TTL电平输出到单片机的RX引脚。单片机的P10与P11与外围串口M1、M2相连。39降低功耗的硬件措施391晶体管的性质集成电路按晶体管的性质不同可以分为TTL和CMOS两大类，TTL速度快，CMOS功耗低。CMOS的静态功耗几乎为零，输出逻辑电平范围大，抗干扰能力强，同时其工作温度范围也宽。CMOS电路以其优良的特性成为目前应用最广泛的集成电路，在设计低功耗能便携式智温度测量仪时，应该尽可能优先选择用CMOS集成电路5。392选用低功耗单片机MSP430系列单片机采用的是1836V的电源电压。在1MHZ的时钟条件下运行时，芯片的耗电电流会在200400A左右，时钟关断模式下最低功耗只有01A。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同6。393选用低功耗外围电路和器件为了降低功耗，还应该尽可能避免使用I/O线上的上拉或下拉电阻；不使用的输入端应加上拉电阻，不能悬空；少用需维持一个恒定电流的驱动电阻或双极型晶体管；满足应用要求的条件下，为提供给单片机或其它数字器件选择较低的振荡频率。394选择低功耗的工作方式1低功耗便携式智能电子系统中几乎全部采用的是CMOS器件，CMOS集成电路静态功耗几乎为零，动态功耗与电路的逻辑状态转换时间成正比，与逻辑状态转换频率成正比。所以在满足运算速度要求的前提下，尽可能的降低时钟频率，以降低功耗7。2在低功耗智能便携式系统中，应该重视电源管理技术，可以通过软件和硬件的合理使用，使系统功能模块处于空闲或休眠模式，应该充分利用系统的这两种工作模式，可以有效降低功耗。在空闲模式下，CPU不需要处于活动状态，而外部设备需要处于活动状态的一种低功耗模式，例如LCD静态显示就属于这种情况。空闲模式可由复位或一个中断请求来结束。在休眠模式下，微处理器中的大多数外部设备和模块处于掉电状态，这是一种比空闲模式下功耗更低的工作模式。微处理器一般提供多种不同水平的节能的时钟休眠模式，可以通过切断那些不处于使用状态的硬件设备的电力供应，系统功耗有效降低8。4实验调试41低功耗智能便携式温度测量仪的PCB制作印刷电路板是整个控制系统、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不单是器件，线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。在线条安排上，尽量使公共地线与电源线宽些，并使它们尽可能靠近需要供电的电路，减小电源线和地线的长度，这样可以减小电源线和地线的公共阻抗，布线中要防止回路中的重叠面积，以减小相互感应。411PCB板布局本文的电路设计不是很复杂，采用手工布局。手工布局的优点是显而易见的，设计者可以完全按照电路工作的实际要求，来进行元件的布局，所生成的元件布局可以符合实际应用要求，也利于后面的布线操作。根据电路功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则1按电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致方向。2以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局,元器件应均匀，整齐，紧凑的排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。布局的过程中，应尽量将相关连的元器件就近放置，以减短走线的长度；时钟电路、晶振、电容应紧贴相接的芯片，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。3位于电路板边缘的元器件。与电路板边缘一般不小于2MM电路板的最佳形状为矩形，通常选用0203MM导线宽度，当然，只要允许，还是尽可能用宽线。412PCB的布线线是重要的抗干扰措施，本设计首先对电源线进行手工布线，紧接着对电路板的其他部分进行自动布线，最后再对整个电路的布线进行手工修改。在整个布线过程中，应遵守以下原则1输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈耦合。2印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。对于集成电路，尤其数字电路电源线和地线，电源线和地线应接成树状，尽量加粗，使它能通过三倍于印刷板上的允许电流。如有可能，接地23MM以上。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，其间距最小可为05MM。3印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀或脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板粘合剂受热产生的挥发性气体。4数字地与模拟地分开。若线路板上即有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开，低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗。42低功耗智能便携式温度测量仪调试低功耗智能便携式温度测量仪根据原理图完成硬件的制作，并根据有关算法完成软件编程，并进行硬件和软件的调试，实现原设计要求。421低功耗智能便携式温度测量仪分析1若系统各项功能都不能工作，查看电源是否有接触不良的情况。2若系统LED不亮，要检查接线是否正确或LED灯是否完好。3若系统的显示屏不亮，除了要检查显示平的完好外，还要调整显示屏的亮度。4无意间按下键盘，系统有反应，要检查是否有消抖的措施。5用电池电压不足的电源测试报警器是否能正常的工作。若不能工作，要检查报警器的接线以及报警器的完好。43低功耗智能便携式温度测量仪改进方法1在显示温度的时候可以加上时间的显示，能更好的实时的观测温度的变化。2可以将温度传感器与其他设备联系起来，当温度变化的时候，这些设备也做出相应的反应，做到控制某些事物。5结论本论文研究了一种基于MSP430F4250单片机的低功耗智能便携式温度测量仪，经过相关资料的查询以及不懈的努力，完成了低功耗智能便携式测温仪的设计，该测温仪测温范围宽，精度高，稳定度好，高集成混合芯片，利用COMS集成芯片使得线路本身超低功耗，节能环保，利用CPU内核集成电路，使得仪表智能变得更为强大，可以轻易实现传感器全量程范围内测量，利用MSP430F4250内部SD16_A采样模块实现高精度测量，液晶显示能够对温度进行实时显示，方便读数。在本论文中，作者完成了电路图的绘制及PCB电路板的制作，但基于个人能力有限，具体的实物没有完成，这些方面还需在今后的学习中完成。参考文献1孙德银基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制D辽宁东北大学,20062徐健基于MSP430的平衡式温度计的研制D安徽合肥工业大学,20073默少丽，邓鹏基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计J电子工程师,2008,34318204程国阳使用CMOS集成电路需注意的几个问题J电子制作,2003,1052535钱承山一种多用途低功耗检测系统的设计及其应用的研究D山东山东科技大学,20036刘常澎数字逻辑电路M北京国防工业出版社,200266807许丽佳单片机便携式系统的低功耗设计方法J信息技术,2002,261255718鲁荣清论便携式智能设备的低功耗设计J电子科技大学学报,1995,2432912329周胜海黄文霞便携式智能仪器仪表的低功耗设计J微计算机信息,2003,197626310沈建华,杨艳琴MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M北京北京航空航天大学出版社,20081711RWANT,KFISHKIN,AGUJAR,BHARRISONBRIDGINGPHYSICALANDVIRTUALWORLDSWITHELECTRONICTAGSJACMCHI1999,419319612WANGHONGPINGAFITTINGMETHODSETTMDFORTHETHERMOEOUPLECHARACTERISTIECURVEWITHCARDINALSPLINEJINSTRUMENTTECHNIQUEANDSENSOR2000,10333513HEINLEINPETERDISCRETIZINGCONTINUOUSWAVELETTRANSFORMSUSINGINTEGRATEDWAVELETSJAPPLIEDANDCOMPUTATIONALHARMONICANALYSIS2003捷检测技术M北京清华大学出版社,200518318615韩启纲智能仪表原理与使用维修M北京中国计量出版社,200222213致谢在本次毕业设计中，本人从指导老师宋晓茹身上学到了很多东西。宋老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益匪浅。无论在理论上还是在实践中，都给与本人很大的帮助，使本人得到不少的提高。这对于本人以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢塔细心而又耐心的辅导。另外，在硬件开发过程中同组的几位同学的互相帮助，齐心协力也给了本人很大的支持，帮助解决了不少的难点，使得硬件能及时开发完成。在这里，本人对他们的无私帮助，本人表示诚挚的感谢毕业设计（论文）知识产权声明本人完全了解西安工业大学北方信息工程学院有关保护知识产权的规定，即本科学生在校攻读学士学位期间毕业设计（论文）工作的知识产权属于西安工业大学北方信息工程学院。本人保证毕业离校后，使用毕业设计（论文）工作成果或用毕业设计（论文）工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学北方信息工程学院。学校有权保留送交的毕业设计（论文）的原文或复印件，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅；学校可以公布毕业设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文）。毕业设计（论文）作者签名指导教师签名日期毕业设计（论文）独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我