仪器设计论文

1、 仪器设计实践作业题目 ： 基于LCD的温度测量与显示装置设计 学院名称 ： 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 小组成员： 目录1、 概述11.1前言11.2研究背景及意义11.3 设计要求22、系统硬件模块介绍22.1 MSP430系列单片机22.2 LCD1602液晶显示屏32.3 蜂鸣器42.4ADC10内部传感器43、 系统方案设计53.1系统总体框图53.2MSP430G2553最小系统原理图63.3LCD显示部分63.4报警电路83.6系统总体电路原理图94、 程序设计与调试94.1 程序编写软件介绍94.2程序流程图104.3程序的调试114.4程序运行结果12总结12参考

2、文献14附录一：程序15附录二：总体电路原理图24附录三：实物图251、 概述1.1前言在各工业生产部门经常会遇到对温度进行监测和控制的需要，而用微机构成温度控制系统有很大的实用意义。微机测温、控温便于实现生产过程的自动化，具有操作简单、精度高、可靠性好、测量范围广等特点，可实现远距离巡回检测、安全报警、温度显示与打印、信息存储、数据通讯等功能。单片机在自动化产品制造和控制系统设计中得到了广泛的应用，以单片机为核心的智能仪表即是最典型的自动化产品。但是一般的自动化产品主要用8位单片机，这对于控制算法设计和数据运算来说是不方便的。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场

3、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（Mixed Signal Processor）。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。用MSP430单片机进行智能仪表等自动化产品设计是一个较好的选择。1.2研究背景及意义在人们的日常生活、工业制造、制冷等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，被人们广泛的作为参考因素来使用，从而保证各项工作的正常运行，如火灾报警、温室或粮仓中温度的实时监测、冷库温度的调节等

4、，因此以温度参数为基础而设计的温度控制系统被广泛开发和使用。使用传统意义上的温度计采集温度信息，不但采集精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度高，不利于广泛的推广。进入21世纪后，温度检测系统已逐步走向复合型和智能化，温度作为其中的重要参数，其测量的准确性对提高正确性是很重要的，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义，而其中最重要的器件就是温度传感器，它的性能也直接影响到了采集的温度数据的精度和时效性。市场决定技术，技术引导产品的开发，在这样的环境下，与温度控制相关的电子类产品的开发成为当今的研究热点。随着单片机技术的日益成熟，应用范围的逐渐扩大，以单片机为核心的控制系统，逐渐应用

5、到生活中的很多方面，这不仅克服了温度控制系统中存在的严重时延，节省了人力，提高了采样频率，而且在很大程度上提高了控制效果和控制精度。MSP430系列单片机支持采用汇编语言和C语言进行开发，该系列单片机集成了较丰富的片内外设备，方便高效的开发环境，适应工业级运行环境。与目前广泛使用的89C51单片机相比，具有指令少，超低功耗，运算速度快等优点，因而在许多领域特别是要求超低功耗的领域得到了广泛应用。1.3 设计要求基于MSP430G2553内部温度监控系统，实现以下功能：1、使用ADC10内部温度传感器检测温度2、使用LCD1602实现温度显示3、设定温度上下限，当温度超限后蜂鸣器报警2、系统硬件

6、模块介绍2.1 MSP430系列单片机图2.1 MSP430G2系列Launchpad开发板实物图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。下面来说一下它的主要特点：（1）低电源电压范围，1.83.6V。（2）超低功耗，拥有5种低功耗模式(以后会详细介绍)。（3）灵活的时钟使用模式。（4）高速的运算能力，16位RISC架构，125ns指令周期。（5

7、）丰富的功能模块，这些功能模块包括：A：多通道1014位AD转换器；B：双路12位DA转换器；C：比较器；D：液晶驱动器；E：电源电压检测；F：串行口USART(UART/SPI）；G：硬件乘法器；H：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）；I：DMA控制器。（6）FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行种由程序控制写擦和段的擦除；（7）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；（8）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。2.2 LCD16

8、02液晶显示屏图2.2 LCD1602液晶显示屏实物图1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。本设计中显示部分采用字符型LCD1602液晶来显示我们所测距温度值。LCD1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、微功耗、使用方便等诸多优点。其中，LCD1602第4脚RS为寄存器选

9、择，第5脚RW为读写信号线，第6脚E为使能端。第714脚：D0D7为8位双向数据线。这里要注意的是，为了布线方便，单片机端的D4D7是接到LCD1602的D7D4， 在编写软件时需要做处理，使读取正确。2.3 蜂鸣器图2.3.蜂鸣器实物图所谓的蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鸣器采用直流电压供电，其能发出单调的或者某个固定频率的声音，如嘀嘀嘀，嘟嘟嘟等。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，通常在计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件使用。2.4

10、ADC10内部传感器ADC10（Analog-to-Digital Converter 10）是MSP单片机的模数转换器，将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，转换位数为10比特，它拥有16位的转换结果存储寄存器。该模块内部有一个SAR型的AD内核，可以在其内部内产生参考电压，同时它具备数据传输控制器。数据传输控制器能够在CPU不参与的情况下，完成AD数据向内存任意位置的传输。ADC特性：（1） 最大转换速率大于200kHz。（2） 转换精度为10位。（3） 采样保持器的采样周期可编程进行设置。（4） 可利用软件或者TimerA设置转换初始化。（5） 可选择内部或者外部电压参考源。并

11、且内部电压参考源有2.5V、1.5V。（6） 拥有8个外部输入通道。（7） 具备对内部温度传感器、供电电压VCC和外部参考源的转换通道。（8） 转换时钟源可选择。（9） ADC的内核和参考源可分别单独关闭。（10） 具有用于自动控制数据传输的数据传输控制器。图2.4 温度传感器线性关系图3、 系统方案设计3.1系统总体框图图3.1 系统总体框图3.2MSP430G2553最小系统原理图图3.2 MSP430G2553最小系统原理图3.3LCD显示部分本设计中显示部分采用字符型LCD1602液晶来显示我们所测距温度值。LCD1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有体积小、显示内容丰富、超薄

12、轻巧、微功耗、使用方便等诸多优点。使用时，可将P2与LCD的数据线相连，如图3.3所示。其中，LCD1602第4脚RS为寄存器选择，第5脚RW为读写信号线，第6脚E为使能端。第714脚：D0D7为8位双向数据线。这里要注意的是，为了布线方便，单片机端的D4D7是接到LCD1602的D7D4， 在编写软件时需要做处理，使读取正确。硬件设计如图3.3所示。图3.3 LCD1602液晶显示电路LCD1602的各个引脚的符号及功能一览表如下表3.1所示：表3.1 LCD1602的各个引脚的符号及功能一览表表引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比调整端，接正电源时对

13、比度最弱，接地电源时对比度最高。4RS寄存器选择位，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器。5R/W读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。6EN使能端，下降沿使能。7DB0低4位三态、双向数据总线 0位（最低位）8DB1低4位三态、双向数据总线 1位9DB2低4位三态、双向数据总线 2位10DB4低4位三态、双向数据总线 3位11DB4高4位三态、双向数据总线 4位12DB5高4位三态、双向数据总线 5位13DB6高4位三态、双向数据总线 6位14DB7高4位三态、双向数据总线 7位（最高位）15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极3.2 LCD1602的读写

14、操作说明RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busy flag(DS7)，以及读取地址计数器（DB1DB6）值10写入数据寄存器（显示各字形等）11从数据寄存器读取数据1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H）。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。3.4报警电路采用一个蜂鸣器，由P1.1输出一定频

15、率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管9013的放大。报警部分的连线，如图3.4所示。图3.4 报警电路3.6系统总体电路原理图电路的总体原理图如图3.5所示：图3.5电路的总体原理图4、 程序设计与调试4.1 程序编写软件介绍CCS（Code Composer Studio）是TI公司研发的一款具有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等功能的集成开发环境，能够帮助用户在一个软件环境下完成编辑、编译、链接、调试和数据分析等工作。CCSv5.1为CCS软件的最新版本，功能更强大、性能更稳定、可用性更高，是MSP430软件开发的理想工具。程序用CCS编写，编译工作环

16、境。如图4.1所示图4.1 编译环境4.2程序流程图图4.2 系统程序流程图4.3程序的调试4.4程序运行结果程序运行结果的第一行为“yanyun&zhouhan”；第二行显示当前温度为“temp is XX”。总结本次设计最大的优点的是完全使用了单片机所自带的硬件资源，把单片机充分的利用，并实现了温度的测量、监控，是一个完整的监控系统。在系统设计过程中，曾遇到过液晶显示不了的现象，经过查资料得到需要接背景光调试部分的滑动变阻器，通过调试能够才能把温度显示。感觉很有收获。在调试中由于没有细心看datesheet导致通过温度检测的结果所写的if语句，没法执行，写的程序一直没有按照自己所设

17、想的现象显示，后来细心看了datesheet后，才发现自己的错误，有次我感觉到了在写程序前看datesheet的重要性。经过这次设计自己的收获很大。得到了知识和能力的提高。在此我也谢谢老师同学的帮助。 对整个设计工作过程进行归纳和综合，对设计中所存在的问题和不足进行分析和总结，提出解决的方法、措施、建议和对这次设计实践的认识、收获和提高。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，也学到了许多东西。虽然我以前也做过类似的课程设计，但这次设计真的让我长进了很多。本次仪器设计课程设计的重点就在于测温及编程软件算法的设计，其中有许多很巧妙的算法。我以前总是能看懂别人写的程序，但自己单

18、独写时就会出现很多问题，经过这次锻炼我基本掌握了C语言编程的方法并在以前的基础上有所提高。     从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。参考文献1 赵嘉蔚.单片机原理与接口技术,清华大学出版社 2 谭浩强. C 程序设计M. 清华大学出版社，2010年6 月第4 版3 张国雄.测控电路M.机械工业出版社,2011.1：1-200.4 单片机原理及应用.出版社:西安电子科

19、技大学出版社5 谢楷 赵建. MSP430系列单片机系统工程设计与实践,机械工业出版社6郭培源、付扬.光电检测技术与应用.北京：北京航空航天大学出版社.2011.87LY-51S V2.3开发板说明书8MSP430Launchpad9MSP430G2系列单片机原理与实践教程完整版10LCD1602中文数据手册11郝建国.MSP430单片微型计算机（第二版）M.北京：国防工业出版社.2009.附录一：程序/* MSP430与LCD连接信息* LCD1602，4位接口，即使用D4-D7数据口，D0-D3不接入MCU,RS接P2.1，EN接P2.2* PIN1 .1接报警蜂鸣器*/#inc

20、lude <msp430.h>#include <intrinsics.h>#include <msp430g2253.h>/*端口定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define LCD_EN_PORT P2OUT #define LCD_EN_DDR P2DIR#define LCD_RS_PORT P2OUT #define LCD_RS_DDR P2DIR#define LCD_DATA_PORT P2OUT#define LCD_DATA_DDR P2DIR #defin

21、e LCD_RS BIT1#define LCD_EN BIT2#define LCD_DATA BIT7|BIT6|BIT5|BIT4 /4位数据线连接模式int ADC10_Result, TEMP_Result,temp,i,a3;/*预定义函数*/void LCD_init(void);void ADC10(void);void LCD_init_first(void);void LCD_en_write1(void); /上升沿使能void LCD_en_write2(void); /下降沿使能void LCD_write_command(unsigned char command)

22、;void LCD_write_data(unsigned char data);void LCD_set_xy (unsigned char x, unsigned char y);void LCD_write_string(unsigned char X,unsigned char Y, unsigned char *s);void LCD_write_char(unsigned char X,unsigned char Y, unsigned char data);void delay_1ms(void);void delay_nus(unsigned int n);void delay

23、_nms(unsigned int n);unsigned char LCDBuf1="yanyun&zhouhan" /第一行要显示的内容unsigned char LCDBuf2="temp is " /第二行要显示的内容void LED_init();/*ADC温度采集子函*/void ADC10(void)ADC10CTL1|=CONSEQ_2; /ADC工作模式选择位单通道重复采样ADC10CTL0|=REFON+SREF_1;ADC10CTL0|=ADC10SHT_3+MSC;ADC10CTL1|=ADC10SSEL_3+SHS_0;

24、/ADC10时钟源选择MCLK，采样保持原选择ADC10SCADC10CTL1|=INCH_10;/采样通道选择内部温度采样通道A10ADC10CTL0|=ADC10ON;/打开ADC10模块/*主函数*/void main()WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 关闭看门狗LCD_init_first();LCD_init();delay_nms(100);LCD_write_string(0,0,LCDBuf1);LCD_write_string(0,1,LCDBuf2);delay_nms(10);ADC10();P1DIR |= 0x43; /P1.0.1.6设置为输

25、出P1DIR &= 0x08;P1OUT |= 0x48;P1OUT &= 0x01;P1REN |= 0x08;while(1)ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC; /使能采样，开始采样while(ADC10CTL0&ADC10IFG)=0);/等待转化完成ADC10_Result=ADC10MEM;/获得采样转换值TEMP_Result=(ADC10_Result-734)*1.5/(0.000355*1023)+280; /经计算得到温度值a0= TEMP_Result/100;a1= TEMP_Result%100/10;a2= TEMP_Result

26、%10;LCD_write_char(8,1,a0+0x30);/lcd显示部分delay_nms(10);LCD_write_char(9,1,a1+0x30);delay_nms(10);LCD_write_char(10,1,0x2e);delay_nms(10);LCD_write_char(11,1,a2+0x30);delay_nms(10);LCD_write_char(12,1,0xdf);delay_nms(10);LCD_write_char(13,1,0x43);if(!(P1IN&0x08)P1OUT =0x41;if(TEMP_Result>320)P1

27、OUT &= 0x02;_delay_cycles(600000);P1OUT |= 0x02;_delay_cycles(600000);if(TEMP_Result<280)P1OUT &= 0x02;_delay_cycles(600000);P1OUT |= 0x02;_delay_cycles(600000);/*LCD液晶操作函数*/void LCD_init_first(void) /LCD1602液晶初始化函数（热启动） delay_nms(500); LCD_DATA_DDR|=LCD_DATA; /数据口方向为输出 LCD_EN_DDR|=LCD_EN

28、; /设置EN方向为输出 LCD_RS_DDR|=LCD_RS; /设置RS方向为输出 delay_nms(50); LCD_write_command(0x30); delay_nms(50); LCD_write_command(0x30); delay_nms(5); LCD_write_command(0x30); delay_nms(500);/*LCD1602液晶初始化函数*/void LCD_init(void)delay_nms(500);LCD_DATA_DDR|=LCD_DATA; /数据口方向为输出LCD_EN_DDR|=LCD_EN; /设置EN方向为输出LCD_RS_

29、DDR|=LCD_RS; /设置RS方向为输出delay_nms(500);LCD_write_command(0x28); /4位数据接口delay_nms(50);LCD_write_command(0x28); /4位数据接口delay_nms(50); LCD_write_command(0x28); /4位数据接口 delay_nms(50); LCD_en_write2(); delay_nms(50); LCD_write_command(0x28); /4位数据接口 delay_nms(500); LCD_write_command(0x01); /清屏 LCD_write_c

30、ommand(0x0c); /显示开，关光标，不闪烁 LCD_write_command(0x06); /设定输入方式，增量不移位 delay_nms(50);/*液晶使能上升沿*/void LCD_en_write1(void) LCD_EN_PORT&=LCD_EN; delay_nus(10); LCD_EN_PORT|=LCD_EN;/*液晶使能下降沿*/void LCD_en_write2(void) LCD_EN_PORT|=LCD_EN; delay_nus(10); LCD_EN_PORT&=LCD_EN;/*写指令函数*/void LCD_write_comm

31、and(unsigned char command) delay_nus(16); P2SEL=0x00; LCD_RS_PORT&=LCD_RS; /RS=0 LCD_en_write1(); LCD_DATA_PORT&=0X0f; /清高四位 LCD_DATA_PORT|=command&0xf0; /写高四位 delay_nus(16); LCD_en_write2(); command=command<<4; /低四位移到高四位 LCD_en_write1(); LCD_DATA_PORT&=0x0f; /清高四位 LCD_DATA_PORT|=command&0xf0; /写低四位 LCD_en_write2();/* 写数据函数*/void LCD_write_data(unsigned char data) delay_nus(16); P2SEL=0x00; LCD_RS_PORT|=LCD_RS; /RS=1 LCD_en_write1(); /E上升沿 LCD_DA