msp430單片機(jī)電子封裝應(yīng)用原理

1、基于msp430電子封裝單片機(jī)的溫度測試儀，作為系統(tǒng)核心的溫度傳感器ds18b20與單片機(jī)之間是采用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)模麄€系統(tǒng)通過單片機(jī)msp430f1121a控制ds18b20以讀取溫度a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而獲得環(huán)境溫度值，這一數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。msp430系列單片機(jī)具有超低功耗和cpu外圍的高度整合性；ds18b20溫度傳感器芯片則只需一個端口即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)溫度的測量（范圍-55+125），具有電子封裝接口電路簡單、可靠，易于編程的特點，且傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性好。 關(guān) 鍵 詞：溫度測量 msp430單片機(jī) ds18b20溫度傳感器 design

2、and implementation of the temperature measurement instrumentation based on msp430 microcontroller zhangjun (department of electronic engineering, university for science & technology zheng zhou,zheng zhou,china) abstract：this paper introduces a kind of temperature measurement instrumentation based on

3、 msp430 microcontroller, the temperature measurement sensor ds18b20 as the system core adopts serial communication with the micro processor. the system uses micro processor msp430f1121a controlling ds18b20 in order to get the temperature data, which is displayed on the led. the whole design includes

4、 two parts: micro processor msp430f1121a and the temperature measurement sensor ds18b20, the msp430 series have ultra-low consumption and high integration, and the temperature measurement sensor only needs one pin to achieve the data communication and the temperature measurement without any other ou

5、ter instrument, the sensor has circuit simplicity, credibility and easy program compiling. in addition, the sensors communication distance is far and anti-jamming is good. keywords：temperature measurement msp430 microcontroller ds18b20 temperature sensor 0 引言 溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。溫度的測

6、量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開始，檢測方法有多種，常用的有電阻式、熱電偶式、pn結(jié)型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。 本文設(shè)計的是一種基于msp430單片機(jī)的小型測溫系統(tǒng)，主控芯片采用ti公司的msp430單片機(jī)，數(shù)字溫度傳感器ds18b20通過單總線與單片機(jī)連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，可應(yīng)用于倉庫測溫、樓宇空調(diào)控制和生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。 1 數(shù)字式溫度測試儀總體設(shè)計 總體設(shè)計是在全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)下，進(jìn)行硬件初步選型

7、，然后確定一個系統(tǒng)的草案，同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性。經(jīng)過反復(fù)推敲，確定了以單片機(jī)作為溫度測試儀的主控制器，選擇集成數(shù)字溫度傳感器為溫度信息采集單元、液晶顯示器及其驅(qū)動元件作為顯示單元。系統(tǒng)的基本組成如圖13所示。 傳感器 溫度信號 單片機(jī) led顯示 電源 供電 供電 供電 數(shù)據(jù) 交換 圖11 系統(tǒng)的基本組成 2.硬件組成 元器件的選擇是以低功耗、低成本為原則的。 因此在元件的選擇方面：主控制器使用ti公司的單片機(jī)msp430f1121a，溫度傳感器使用dallas公司數(shù)字式集成溫度傳感器ds18b20，使用兩位共陰極led數(shù)碼管以及兩個cd4511譯碼器實現(xiàn)溫度顯示。系統(tǒng)的整體設(shè)計電路圖如

8、圖21所示。 圖21 基于msp430單片機(jī)的溫度測試儀原理圖 2.1 主控制器 傳統(tǒng)的單片機(jī)在靜態(tài)的時候也會消耗較大的電流，無法滿足系統(tǒng)低功耗的要求。因此選擇了美國德儀公司(texas instrument)推出的msp430系列單片機(jī)中的msp430f1121a，該型號單片機(jī)為flash型，可反復(fù)編程，配套的開發(fā)器(msp-fet430x110 flash emulation tool)成本較低，使用方便，且內(nèi)部集成了a/d轉(zhuǎn)換器，特別為智能式儀表、電池供電便攜設(shè)備而設(shè)計。它具有獨特的超低功耗設(shè)計，具有5種低功耗模式，這就給低功耗儀表設(shè)計帶來了很大的方便。 msp430系列單片機(jī)的各成員都

9、集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境，運行環(huán)境溫度為-40+85，所設(shè)計的電子產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下。 msp430f1121a特性概述： l 高效16位risc內(nèi)核，16位精簡指令結(jié)構(gòu)，27條指令，125ns指令周期時間，絕大多數(shù)指令一個時鐘周期完成； l 1.8v-3.6v低電壓供電，有多種省電模式，功耗特別低，一顆電池可工作10年； l 同其它微控制器相比，帶flash的微控制器可以將功耗降低5倍，既縮小了線路板空間又降低了系統(tǒng)成本； l 6us的快速啟動時間可以延長待機(jī)時間并使啟動更加迅速，降低了電池的功耗； l 內(nèi)含12位快速adc/slopeadc，只需外接一個電阻、一個電容

10、即可實現(xiàn)高精度斜率a/d轉(zhuǎn)換； l 內(nèi)含4kb+256字節(jié)flash，256字節(jié)ram； l 片內(nèi)資源豐富，有adc，pwm，若干time，串行口，watchdog，比較器，模擬信號，強(qiáng)大的中斷功能； l 串行在線編程，開發(fā)簡單，仿真器價格低廉，不需昂貴的編程器；/ l msp430電子產(chǎn)品系列可以提供多種存儲器選擇，從14位adcs到lcd驅(qū)動電路的混合信號外設(shè)，簡化了各類應(yīng)用中msp430的設(shè)計； l esd保護(hù)，抗干擾力特強(qiáng)； l 高達(dá)10萬次擦寫次數(shù)； msp430f1121a是一個20腳sown電子封裝芯片，該型號單片機(jī)為f

11、lash型，可反復(fù)編程，片內(nèi)有4k字節(jié)程序存儲器和256字節(jié)的ram。msp430f1121a內(nèi)集成了可用于斜邊a/d轉(zhuǎn)換(slope a/d)的比較器a (comparator a )和功能強(qiáng)大的計時器a(timer-a)。片內(nèi)配有兩組i/o口p1和p2(每個i/o都是多功能復(fù)用的)、看門狗定時器等模塊，其系統(tǒng)的構(gòu)成如圖22所示。 圖22 msp430f1121a系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.2 譯碼驅(qū)動及顯示單元電路 為了直觀地顯示出數(shù)字系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及工作數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的顯示模塊中采用lg5011ah共陰極led數(shù)碼管。選擇cd4511作為顯示譯碼電路，由cd4511把輸進(jìn)來的二進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，

12、再由數(shù)碼管顯示出來，如圖2-3所示。 圖23 顯示系統(tǒng) d、c、b、a為bcd碼輸入端，分別與主控制器msp430f1121a的相應(yīng)的i/o端口連接。 為消隱功能端。 為燈測試端。le為鎖存端。 cd4511為cmos可預(yù)置數(shù)的二-十進(jìn)制加法計數(shù)器，其功能查表可知。mr為清零端，當(dāng)該端為低電平時，計數(shù)器清0。pe為預(yù)置控制端，當(dāng)該端為低電平時，在下一個時鐘的上跳沿將需要預(yù)置的數(shù)據(jù)d0d3送到計數(shù)器的q0q3端。只有mr、pe、cep和cet均為高電平時，計數(shù)器才進(jìn)行加法計數(shù)。 由單片機(jī)msp430f1121a對ds18b20測量后的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理，并以8421bcd碼的形式輸送到cd4511

13、芯片，再由cd4511芯片把bcd碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。 2.3 溫度傳感器 由美國dallas公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器ds18b20，可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而且每片ds18b20含有唯一的64位序列號，測溫范圍是-55+125，完全符合系統(tǒng)的要求。使得測溫模塊變得更加簡潔、小巧。 ds18b20數(shù)字溫度計提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入ds18b20或從ds18b20送出。因此，從中央處理器到ds18b20僅需連接一條線（和地），讀寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因為每一個ds18b20有唯一的系列號（si

14、licon serial number）。因此，多個ds18b20可以存在于同一條單線總線上，這樣就可以在許多不同的地方放置溫度靈敏器件進(jìn)行測溫，此特性的可以應(yīng)用于hvac環(huán)境控制建筑物設(shè)備或機(jī)械內(nèi)的溫度檢測以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。 數(shù)字溫度傳感器ds18b20的部分特性: l 獨特的單線接口只需1個接口引腳即可通信； l 多點(multidrop)能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化； l 測量范圍從-55至+125增量值為0.5（等效的華氏溫度范圍是-67至257增量值為0.9）； l 以9位數(shù)字值方式讀出溫度； l 在1秒（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字； l 用戶可定義的非易失性的溫度

15、告警設(shè)置； l 告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況）； l 應(yīng)用范圍包括恒溫控制工業(yè)系統(tǒng)消費類電子產(chǎn)品溫度計或任何熱敏系統(tǒng)； ds18b20采用3腳pr-35電子封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖24所示。 圖24 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)程序 系統(tǒng)的程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等等。 程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理ds18b20的測量溫度值，溫度測量每1s進(jìn)行一次。其程序流程圖見圖31所示。 初始化 調(diào)用顯示子程序 1s到？ 初次上電？ 讀出溫度值 溫度計算處理

16、顯示數(shù)據(jù)刷新 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 n y y n 圖31 ds18b20溫度計程序流程圖 由于ds18b20采用的是獨特的單總線方式傳輸數(shù)據(jù)，對時序的要求較嚴(yán)格。雖然硬件連接變得方便了，但導(dǎo)致軟件的編制變得異常復(fù)雜。同時對msp430單片機(jī)的控制操作不同于51系列，它的io口有方向控制及輸入輸出寄存器。對于讀寫操作就要分別對待。稍有不慎，就容易出錯。下面就以ds18b20為例，給出在msp430系列單片機(jī)語言編譯環(huán)境workbench下的幾個程序。由于篇幅所限。未列出全部詳細(xì)代碼。 mainloop bis.b #001h,&p1out；定義端口 call #reset_ds18b20；初始化

17、 mov #100,r10 call #delay call #send_cc；跳過rom mov #100,r10 call #delay call #send_44;溫度變換 mov #100,r14 call #delay1 mov #100,r14 call #delay1 call #reset_ds18b20 mov #100,r10 call #delay call #send_cc；跳過rom mov #100,r10 call #delay call #send_be；讀暫存器內(nèi)數(shù)據(jù) mov #1000,r10 call #delay mov #000h,r13 mov #0

18、00h,r12 mov #0,r15 mov #100,r10 call #delay ；調(diào)用時序程序 call #read_data；讀數(shù)據(jù) call #chulichengxu；調(diào)用溫度處理程序 call #xianshichengxu；調(diào)用顯示程序 3.2 ds18b20與單片機(jī)之間的通訊命令和時序 dsl8b20工作過程中的協(xié)議如下： （1）初始化 （2）rom 操作命令 （3）存儲器操作命令 （4）時序 主機(jī)使用時間隙(time slots)來讀寫 dsl820 的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位。 由于ds18b20采用的是1wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對msp4

19、30f1121a單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序，完成對ds18b20芯片的訪問。 ds18b20是在一根i/o線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。ds18b20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。 該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。 3.3 溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法 從ds18b20讀取出的二進(jìn)制值必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值，才能用于字符的顯示。因為ds18b20的轉(zhuǎn)換精度為912位可選的，為了提高精度采用12位。在采用12位轉(zhuǎn)換精度時，溫度寄存器里的值是以0.0625為步進(jìn)的，即溫度值為

20、寄存器里的二進(jìn)制值乘以0.0625，就是實際的十進(jìn)制溫度值。一個十進(jìn)制值和二進(jìn)制值之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進(jìn)制的高字節(jié)的低半字節(jié)和的字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進(jìn)制值化為十進(jìn)制值后，就是溫度值的小數(shù)部分。小數(shù)部分因為是半個字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍是0f，轉(zhuǎn)換成了十進(jìn)制小數(shù)值就是0.0625的倍數(shù)（015倍），這樣需要4位的數(shù)碼管來顯示小數(shù)部分，實際應(yīng)用可以采用1位數(shù)碼管來顯示小數(shù)，可以精確到0.1。 4 系統(tǒng)調(diào)試 4.1 硬件檢測和調(diào)試 硬件調(diào)試比較簡單，在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，由于主控制器（msp430f1121a單片機(jī)）部分是集成在利爾達(dá)單片機(jī)技術(shù)有限公司msp430仿真器fet

21、上的。因此主要是對ds18b20測溫模塊以及l(fā)ed數(shù)字顯示模塊進(jìn)行硬件檢測和調(diào)試。 4.2 軟件調(diào)試 本程序采用單片機(jī)msp430的語言編寫，用iar system公司開發(fā)的iar embedded workbench for msp430 kickstart編譯器編程調(diào)試。 圖41源文件的編輯 進(jìn)入iar embedded workbench集成環(huán)境。然后在該環(huán)境下建立一個項目。進(jìn)入源程序編輯界面。在這里進(jìn)行源程序的編輯。如圖41源文件的編輯。編譯結(jié)束后，源文件編譯通過之后，將生成目標(biāo)代碼。 圖42 cspy工作界面 最后進(jìn)入cspy調(diào)試環(huán)境，如圖42所示。在cspy環(huán)境中，分別進(jìn)行主程序、

22、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新等子程序的編程及調(diào)試，通過觀察寄存器的窗口來判斷，從ds18b20數(shù)字溫度計讀取的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。由于該數(shù)字溫度測試儀的時序要求比較嚴(yán)，把握準(zhǔn)讀寫時隙才能準(zhǔn)確的測量出溫度數(shù)值。因此在cspy工作環(huán)境下，通過觀察程序運行的結(jié)果來斷定程序的正確以及準(zhǔn)確度。在出現(xiàn)錯誤的時候返回iar embedded workbench工作界面重新對程序進(jìn)行編寫和修改。 4.3 整體調(diào)試 通過硬件和軟件的調(diào)試后，連接各個模塊。由于主控制器模塊采用的時由利爾達(dá)公司開發(fā)的msp430仿真調(diào)試器fet，它的上面集成了msp430f1121a單片機(jī)芯片以及與其相

23、關(guān)的外圍模塊，通過計算機(jī)的串口連接并由計算機(jī)的串口供電（實際工作電壓為2.5v），進(jìn)入相關(guān)的調(diào)試控制程序后對單片機(jī)進(jìn)行管理和操作。 溫度測量以及顯示模塊焊接在同一塊電路板上，由直流穩(wěn)壓電源提供3v的電壓。通過數(shù)據(jù)線將三個主要模塊連接，ds18b20數(shù)字溫度計的數(shù)據(jù)端與msp430f1121a單片機(jī)的數(shù)據(jù)端連接。為了保證溫度數(shù)據(jù)的正常讀取，必須將兩者的接地端短接，以保證其電勢相等。接通電源后，由計算機(jī)進(jìn)入msp430調(diào)試環(huán)境，運行程序，這時led數(shù)碼管開始顯示“00”（程序的開始復(fù)位信號），然后顯示由ds18b20檢測的溫度數(shù)值。整體的調(diào)試過程必須一直調(diào)試到能正常的顯示溫度值，而且在有溫度變化時顯示溫度能改變就基本完成。 結(jié)論 在基于msp430單片機(jī)的溫度測試儀的設(shè)計中，在低功耗設(shè)計方面，首先是選擇低功耗元件，從單片機(jī)、傳感器和led顯示器及其驅(qū)動電路，都盡量選擇市場上功耗最低的電子產(chǎn)品；其次在硬件電路設(shè)計方面，降低系統(tǒng)工作電壓；再次，是軟件設(shè)計融入低功耗思想，核心的方法就是在最短的時間內(nèi)把需要的工作完成，然后立即進(jìn)入休息狀態(tài)，不論在工作還是休息狀態(tài)，立即關(guān)