論文基于MSP430單片機的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀的設計制作

1、專 業(yè)：應用電子技術題 目：基于MSP430單片機的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀的設計制作畢業(yè)設計（論文）中文摘要溫濕度和光照度等參數(shù)是標定環(huán)境不可缺少的參數(shù)，對其進行準確的測量具 有重要意義。本文以室內(nèi)外居住環(huán)境為背景， 設計出一種以MSP430F5438超低功 耗單片機為控制核心的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀。論文對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件模塊包括子系統(tǒng)模塊進行了詳細設計： 通過相應的傳感器芯片對包括溫度、濕度、光強、紅外輻射度和可燃氣體濃度等 環(huán)境參數(shù)進行檢測和采集；通過微處理器MSP430F5438隔傳感器芯片采集到的數(shù) 據(jù)進行分析處理，并在液晶終端進行參數(shù)的實時顯示和監(jiān)控。論文分別對溫度傳感器模塊，單總線濕度

2、傳感器模塊，光照度傳感器模塊， 氣敏傳感器模塊，紅外熱釋電模塊以及按鍵和液晶顯示模塊進行了單模塊分別調(diào) 試。在此基礎上對這些子程序模塊進行了整合調(diào)試及整機功能和功耗測試，最終 完成整個監(jiān)控系統(tǒng)及儀器的設計制作。實驗顯示，本環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀具有體積小、攜帶方便、功耗低、可靠性高、 免維護、成本低等優(yōu)點，在室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)監(jiān)測領域，具有很好的應用前景。關鍵詞：MSP430片機環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器液晶顯示畢業(yè)設計（論文）外文摘要Title :The Design and Production of EnvironmentalParameter Monitor Based on MSP430Abstract

3、 :Parameters such as temperature, humidity and 川uminance are indispensable to the calibration environment, which has important significance for accurate measurement. The aim of this thesis is to design an environmental parameter monitor, which controlled by an ultra-low power MSP430F5438A for indoor

4、 and outdoor living environment.The detailed design of hardware and software module including subsystem module in the environmental parameter monitor is proposed in this thesis. The corresponding sensor chip is used to detect and collect the environmental parameter such as temperature, humidity, ill

5、uminance, the infrared radiation intensity and combustible gas concentration. The MSP430F5438A analyzes and processed the data which collected by sensor chips, and realized the real-time display and monitoring for parameters on LCD terminal.The thesis proceeds debugging on single module likes temper

6、ature sensor module, single bus humidity sensor module,川uminancesensormodule, gas sensor module, pyroelectric infrared module and buttons and LCD module, respectively. On the basis of that, after debugging and test on the function and power for the integrated subroutine modules, the design and produ

7、ction of the whole monitoring system and instrument is completed.Test results given show that the environmental parameter monitor has several advantages, such as small volume, portable, low power consumption, high reliability, maintenance-free, low cost and so on.It has a great application prospect

8、in the field of indoor and outdoor environmental parameters monitoring.Key words: MSP430, Environmental Parameter Monitor, Sensor, LCD Display1緒論 11.1 課題背景 11.2 論文的主要內(nèi)容 22數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案 32.1 系統(tǒng)總體框圖設計 32.2 單片機選型 32.2.1 MSP430單片機概述 32.2.2 MSP430F5438A介紹 42.3 傳感器的選型 53系統(tǒng)硬件設計 73.1 主控芯片模塊 73.1.1 單片機最小系統(tǒng)模塊

9、 73.1.2 系統(tǒng)電源模塊 83.2 子系統(tǒng)模塊 83.2.1 光強采集模塊 83.2.2 溫度采集模塊 103.2.3 濕度采集模塊 113.2.4 氣敏傳感器監(jiān)測模塊 123.2.5 紅外采集模塊 133.2.6 液晶顯示和鍵盤模塊 153.3 硬件電路板的焊接與制作 173.3.1 系統(tǒng)硬件電路原理圖 173.3.2 系統(tǒng)硬件電路 PCBS 184系統(tǒng)軟件設計 204.1 軟件開發(fā)環(huán)境及編程思想簡介 204.2 系統(tǒng)主程序設計 204.3 系統(tǒng)子程序設計 214.3.1 按鍵設置程序 214.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測程序 224.3.3 主控芯片MSP430F5438時鐘設定程序 234.3.

10、4 DHT11單總線數(shù)據(jù)讀取程序 244.3.5 片內(nèi) ADCE序 264.3.6 模擬12c通信協(xié)議 275監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析 325.1 人機操作界面測試分析 325.2 光強模塊測試分析 335.3 溫度模塊測試分析 345.4 濕度模塊測試分析 345.5 氣敏傳感器監(jiān)測模塊測試分析 355.6 紅外監(jiān)控模塊測試分析 365.7 整機裝配與調(diào)試 375.7.1 整機裝配調(diào)試 375.7.2 功耗測試 38總結 38致謝 39參考文獻 39附錄A系統(tǒng)原理圖 41附錄B系統(tǒng)PCB圖 42附錄C控制程序源代碼 431緒論1.1 課題背景為了使人類擁有舒適、健康的生活，很多情況下要監(jiān)測周圍的環(huán)境

11、參數(shù)。 如城市的空氣質量，溫室大棚中的溫濕度光照度等參數(shù)的控制，沿海城市海 水浴場水質，污染物的排放等。通過環(huán)境檢測，提供代表環(huán)境質量現(xiàn)狀的數(shù) 據(jù)，判斷環(huán)境質量是否符合國家制定的環(huán)境質量標準，評價當前主要環(huán)境問 題，環(huán)境參數(shù)與人們的生活息息相關，對于環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測十分必要。對于環(huán)境監(jiān)測的參數(shù)中，溫濕度和光照度是極其重要的參數(shù)。舒適的環(huán) 境會讓人感覺心情舒暢，人體感覺舒服，當室內(nèi)溫度在 18 c20 C ,濕度為 40%60%時，人的思維最敏捷，工作效率最高。但當室溫超過 28C ,濕度 大于70%時，就會生悶熱、出汗、煩燥、疲勞等反應，容易讓人的情緒不穩(wěn) 定甚至無法正常工作。室內(nèi)光照度測量也很

12、必要，國家標準的自然光照度是 150lux300lux ,人眼在看書感到正好時的光照度是 200lux,當光線過強或 過暗都會對眼睛有所損傷，而且更容易引起視疲勞，影響學習和工作效率。所以要營造一個舒適適合人們生活與居住的環(huán)境就必須對溫度、濕度、光照 度參數(shù)進行監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測離不開數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在測量工程中，無需人工記 錄測量數(shù)據(jù)能自動進行采集，信號處理，并記錄顯示，如今無論是生產(chǎn)還是 實驗室中的測量都是要求精度高，速度快，這些人工測量無法完成，只能用 自動測量系統(tǒng)才能完成的。環(huán)境參數(shù)的傳統(tǒng)測量方法中，測量設備體積較大，實時性差，精度低， 還需花費較大的人力，己不再適應現(xiàn)代經(jīng)濟的快速

13、發(fā)展要求。隨著單片機技 術、傳感器技術、通信技術、計算機等技術地快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測技術也日 新月異。各種實時性好，精度高，且適應各種苛刻環(huán)境的測量系統(tǒng)己被開發(fā) 出來，在社會各個領域得到了廣泛應用。在對環(huán)境參數(shù)的采集方面由于高集 成度低功耗低電壓的集成芯片的大量問世，使得儀表的功耗越來越低，功能 越來越強大。1.2 論文的主要內(nèi)容本文設計并制作了一款基于MSP430單片機的環(huán)境參數(shù)采集監(jiān)測儀。該監(jiān) 測儀具有環(huán)境溫度、濕度、光照度、可燃氣體濃度、紅外輻射度等參數(shù)監(jiān)測 功能。其主要內(nèi)容包含課題背景、環(huán)境數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案、 系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析等。首先，論文介紹了

14、課題背景，闡述了環(huán)境監(jiān)測及監(jiān)測儀器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā) 展趨勢，由此提出了基于 MSP430單片機的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方 案，并針對需要監(jiān)測的參數(shù)進行了器件選型及方案設計。其次，論文進行了詳細的系統(tǒng)硬件設計，并搭建了相關硬件模塊電路，包 含以下幾個部分：單片機主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)控報警模塊、鍵盤和 液晶顯示模塊。主控模塊采用 MSP430F5438A作為控制核心，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控 模塊部分采用TPM275數(shù)字輸出溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，DHT11單總線濕 度傳感器檢測環(huán)境濕度，BH1750FVI光照度傳感器檢測環(huán)境光照強度，MQ-2 氣敏傳感器監(jiān)測相關氣體相對強度以及 KP-500B紅外熱

15、釋電傳感器監(jiān)測紅外 輻射相對強度。整機系統(tǒng)通過按鍵和液晶顯示模塊實現(xiàn)人機交互及監(jiān)測結果 的顯示輸出。再次，論文對系統(tǒng)軟件設計進行了主要說明，包括系統(tǒng)主程序以及相應的 測溫、測濕、測光照度等測量子程序，以及外圍鍵盤與 LCD顯示接口模塊程 序等。最后，進行了系統(tǒng)整機調(diào)試分析，在軟硬件連接的基礎上分別對溫度傳感 器TPM275模塊，單總線濕度傳感器DHT11模塊，光照度傳感器BH1750FV 模塊，氣敏傳感器MQ-2模塊，紅外熱釋電KP-500B模塊以及按鍵和液晶顯 示模塊進行了單模塊分別調(diào)試。在此基礎上對這些子程序模塊進行了整合調(diào) 試及整機功耗測試，輔以外殼安裝，最終完成整個監(jiān)控系統(tǒng)及儀器的設計

16、制 作。2數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案2.1 系統(tǒng)總體框圖設計基于16位單片機MSP430 5438A的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、光照度傳感器等進行 數(shù)據(jù)采集，以及液晶顯示模塊與用戶進行交流，通過軟件編程協(xié)調(diào)各部分工 作，實現(xiàn)體積小、低功耗環(huán)境監(jiān)測儀器的設計。系統(tǒng)總體框圖如圖2-2所示：,I。-A<±ZISPMSP430F5438A5,單片機-IIO圖2-2系統(tǒng)設計總體框圖MSP430單片機還有一個特點就是支持 C語言編程，由于采用C語言開 發(fā)可以大大的提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，并且采用C語言開發(fā)程序具有非常好的可讀性和移植性，因此本設計的軟件采用高效的MSP430系列的C語言編寫，軟件部

17、分采用IAR公司提供的開發(fā)環(huán)境：IAR Embedded Workbench 及調(diào)試器C-SPY。利用該軟件可直接將程序通過單片機本身帶有的JTAG接口下載到單片機的FLASH存儲器中，再由該軟件通過JTAG接口讀取單片機 內(nèi)信息，實時監(jiān)測單片機上運行的程序，實現(xiàn)在線仿真。為了方便程序調(diào)度和提高可靠性，軟件采用結構化、模塊化設計方法， 每個模塊完成一個特定功能，在電路設計調(diào)試會對每一模塊電路進行程序編 寫調(diào)試，之后完成整個系統(tǒng)程序的整合編寫。整個系統(tǒng)主要由初始化程序、 主程序、子程序等組成，通過軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示。2.2 單片機選型2.2.1 MSP430單片機概述MSP430單

18、片機是TI公司推出的一款16位超低功耗的混合信號處理器。該系列單片機自1996年問世以來，以其卓越的性能成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。它有以下特點：（1）具備強大的處理能力，可編制出高效率的源程序。采用精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。（2）具備高效的運算速度和靈活的運 算方法。MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下，實現(xiàn)125ns的指令周 期;16位的數(shù)據(jù)寬度以及多功能的硬件乘法器相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法；中斷源較多，并且可以任意嵌套，使

19、用時靈活方便，當系統(tǒng)處于省 電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用6uso系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的工作。系統(tǒng)穩(wěn)定上電復位后，首先由 DCOCLK啟動CPU,以保證程序從正確的位 置開始執(zhí)行，使晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間 ；然后軟件可設置適當?shù)?寄存器的控制位來確定最后的系統(tǒng)時鐘頻率；如果晶體振蕩器在用做 CPU時 鐘時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用 看門狗將其復位。（4）豐富的片內(nèi)外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的 方便。它們分別是看門狗、模擬比較器 A、定時器A、定時器B ，串口 0、 1 （USART0, 1）、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位A

20、DC, I2C總線、直接 數(shù)據(jù)存?。―MA）、端口 0 （P0）、端口 1（P1）、基本定時器（Basic Timer）等一些外 圍模塊的不同組合。（4）具備卓越的超低功耗特性。MSP430單片機在降低芯 片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，其電源 電壓采用的是1.8V至ij 3.6V電壓，在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電 流在1到400uA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1uA;其次是獨特的時 鐘系統(tǒng)設計，在 MSP430系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)（有的使用一個晶體振蕩器，有的使用兩個晶體振蕩器）和鎖頻環(huán)時鐘系統(tǒng) 或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系

21、統(tǒng)。這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉， 從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。2.2.2 MSP430F5438A 介紹本設計采用的 MSP430F5438A單片機MSP430F5438A 主要參數(shù)：1. 256K Flash, 16K RAM;2. P1, P2 16個中斷 IO 口；3. 16位CRC校驗；4. 16通道AD采用，200ksps, 12路外部采樣，同時內(nèi)置一個溫度傳感器，可以采集芯片溫度;5. 支持32位硬件乘法器；6. RTC實時時鐘；7. 4 個 USCI, UCAx 支持串口，卜DA/SPI , UCBx 支持 SPI/IIC ;8. 15個捕捉/比較定時器；9. JTAG

22、/SBW （4線/2線仿真下載）；10. UCS統(tǒng)一時鐘管理；11. 系統(tǒng)看門狗Watchdogs；12. 支持多種低功耗模式LPM;13. 支持欠壓或低壓自動復位；2.3傳感器的選型光強傳感器選用的是BH1750FVI,這是一種用于兩線式串行總線接口的 數(shù)字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)采集的光線強度數(shù)據(jù) 來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的 光強度變化。該傳感器支持I2C通信，最小誤差變動在i20%,受紅外線影響 很小。溫度傳感器選用的是TMP275,是一個精度為0.5C,兩線制，串行輸出 溫度傳感器，采用SO-8的封裝，檢測溫度-20C至+10

23、0C,能滿足正常情況 下的溫度檢測。濕度傳感器選用的是DHT11 ,可以對TMP275檢測到的溫度進行修正?？扇細怏w傳感器使用的是 MQ-2 ,可燃氣體傳感器所使用的氣敏材料是在 清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃可燃氣體 時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路 即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。從而檢測對應 的可燃氣體。紅外傳感器使用的是BISS0001,這是是一款具有較高性能的傳感信號處 理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋 電紅外開關。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、

24、電 風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及 家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。優(yōu) 點是，內(nèi)設延遲時間定時器和封鎖時間定時器，結構新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解 范圍寬，內(nèi)置參考電壓，工作電壓范圍 2V6V。3系統(tǒng)硬件設計3.1 主控芯片模塊3.1.1 單片機最小系統(tǒng)模塊本系統(tǒng)采用的主控芯片為 MSP430F5438A單片機，有100個引腳，其芯片引腳如圖3-1所示：1111rTAJ 由二 |f 22 TAI. paji4ijP2.4 nrccLX Fi.i FZ4CLR ?2；.u. im”.讓口m.fl tlBirSTE U 亡血 Fi ll

25、Li W區(qū)IMh* Ui'HffiljA LL'kMKLHMJ LC'BffiC L PS H.i BiH l UCAfiftH UM DMgW *Et>UCA*W口 F33 LL A4JKAO LCAUDMIL PAjMi ftl-STf LifAlltfc PI T Lq H ktaJ U< UL&LlA F4.0tbU.b rd 11 Mi. |.FJ-Z-TBUJ七；UJI&JJ一F4.4 IHJ.J.營!F45TBUJJ = Ipa 曲 TM.a P4； I kHk iJk. 2lL Lk £ K：_M 一 $/3iYFj

26、卡 X-丁 w>sdN1-吉JT-sy工 asee.M*A工 善工一,"f.二 Y 7IWG DVS的 25E 孑-in ac3Tt L 三百二；7zk- =;二”.-r - -.-;- w 工ate? 3二 EwnKs="H ¥ ，<0? _£-T_(rQk 星TFK.J.AJ rsui-Al F* H'AI K. IK AjO rcu>PI 1TKK iPJZTMSi rjJ.TMlCLK ri&TLNi 1£SITB* TfK IM 1 / T3OUT ”二常 nsDY-SS4 曄工工 Fm/iMjLLK

27、 PI 1.1 W LK PHJSJU Lk flO?ino*t IM4J UCAJJL5LD UL AJsLHMI J P m U"TXBmMMD I”，I L i w L : M i LI日 Pia I U- 中 U LH H弱IJC AM Lk*»JA2A2*4 JIAlgr"MllaixlN爛G、口it14IIHXDg2524XD_*2 sc krbot>P S |M! i，*LhP 1. 肘:” I、 XI圖3-1 MSP430F5438A芯片引腳電路系統(tǒng)主時鐘晶振如圖3-2所示采用的是32768Hz的晶振，XIN接到單片機P7.0 口，XOUT接

28、到單片機P7.1 口。r，XTAL1圖3-2 MSP430F5438A晶振電路系統(tǒng)復位電路如圖3-3所示，單片機復位引腳 P9.7上拉510K電阻接VCC,通過電容接地，電容兩端并聯(lián)一個獨立按鍵，用以完成單片機的系統(tǒng) 復位。圖3-3 MSP430F5438A復位電路3.1.2 系統(tǒng)電源模塊整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板的主控芯片模塊和數(shù)據(jù)采集子模塊（包括相關傳感 器）均采用3.3V系統(tǒng)電源供電。系統(tǒng)電源電路如圖3-4所示，通過電容濾波、 去耦后由TPS5430完成由12V到3.3V的轉換。HI T 2M1.3A4CHD.luF圖3-4 MSP430F5438A電源電路3.2 子系統(tǒng)模塊3.2.1 光強采集

29、模塊1、BH1750FVI傳感器介紹光強采集模塊選取的是BH1750FVI。是一種16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強度 傳感器集成電路，用于兩線式申行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。 這種集成電路可以根據(jù)采集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化(1lx655351X)。引腳說明如圖3-5和表3-1所示：U3VCC SCL 25ADDR DVI 34GND SDA -BH175OFVI圖3-5 BH1750引腳圖表3-1 BH1750引腳功能表管腳編號端口名稱功能1VCC電源端口2ADDRI2C地址控制端，如果ADDR="H'

30、(ADDR 0.7Vcc),那么 HighByte= "1011100”如果 ADDR="L”(ADDRC 0.3Vcc),那么 Low Byte = "1001_0000"。3GND接地端口4SDAI2C接口 SDA端口5DVISDA,SCL端口參考電壓，DVI端口為內(nèi)部寄存器的異 步重置端口6SCLI2C接口 SCL端口2、光強采集模塊電路設計在本設計中采用3.3V供電，ADDR地址段接地，電源和地線之間通過瓷 片電容濾波。數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL接一個10K的上拉電阻接VCC , DVI 內(nèi)部寄存器的異步重置端口上拉 10K電阻接VCC ,然后通

31、過電容接地整體電 路通過SDA與SCL線與單片機進行數(shù)據(jù)通訊。SDA線接單片機P9.1 口，SCL 線接單片機P9.2 口。電路如圖3-6所示：-3.3V光超傳感罌那17包FV【ADDS 0,從甥地址01000II圖3-6光強傳感器電路在數(shù)據(jù)采集的時候主要由I2C的數(shù)據(jù)線和時鐘線來完成和單片機的數(shù)據(jù) 交換。3.2.2溫度采集模塊1、TMP275傳感器介紹數(shù)字輸出溫度傳感器TMP275,是一個精度為0.5C、兩線制、串行輸出 溫度傳感器，TMP275是與SMBUS兼容的，并支持在一條總線上使用多達八 臺器件。額定運行溫度范圍為40c至+125C。引腳說明如圖3-7和表3-2 所示：U41VSDA

32、V+SCLA0ALERTA1GNDA2TMP275AIDR如圖3-7 TMP275引腳圖表3-2 TMP275引腳功能表管腳編號端口名稱功能1SDAI2C接口 SDA端口2SCL2 ，、一I C接口 SCL端口3ALERT通過高低電平配置寄存器4GND接地端口57A0A28個地址選擇8V+電源端口2、溫度采集模塊電路設計本設計的溫度采集模塊電路采用數(shù)字芯片， 與介紹設計的電路基本一致， 除數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL上拉10K電阻接VCC和在VCC和GND之間 加一個旁路電容之外并無其他元器件。SDA線接單片機P9.1 口，SCL線接單 片機P9.2 口電路如圖3-8所示：+3.3VR5IOKI

33、OKSDASCLALERT+3.3VSDA V+SCL AOALERT AlGND A2C60.1 uhTMP275A(DR數(shù)字輸出溫度傳感器TMP273 A2AlA0=000,從器件地址 1001000圖3-8 TMP275電路在數(shù)據(jù)采集的時候主要由I2C的數(shù)據(jù)線和時鐘線來完成和單片機的數(shù)據(jù) 交。3.2.3 濕度采集模塊1、DHT11傳感器介紹數(shù)字溫濕度傳感器DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳 感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極 高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。DHT11傳感器采用單線制串行接口，使系 統(tǒng)集成變得簡易快捷，具有體積小、功耗低，信號傳

34、輸距離長等優(yōu)點，是各 類苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便，引腳I-說明如圖3-9所示：圖3-9 DHT11引腳圖表3-3 DHT11引腳說明管腳編號端口名稱功能1VDD供電35.5V DC2DATA申行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極2、濕度采集模塊電路設計本設計中的DHT11為單總線型的數(shù)據(jù)傳輸，僅通過一根數(shù)據(jù)線（DATA） 與單片機相連。接上拉電阻，在 VCC和GND之間接入一個旁路電容。電路 如圖3-9所示：CON16.5溫濕度傳感器DHT11T3VC2C1()4圖3-9 DHT11電路3.2.4 氣敏傳感器監(jiān)測模塊1、傳感器介紹MQ-2半導

35、體煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低 的二氧錫。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中 可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與 該氣體濃度相對應的輸出信號。芯片優(yōu)點：1 .在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度2 .對液化氣、丙烷、氫氣 的靈敏度較高3 .長壽命、低成本4 .簡單的驅動電路即可2、可燃氣體采集模塊電路可燃氣體采集模塊電路主要當它所處環(huán)境中有可燃氣體時，傳感器的電 導率隨著空氣中可燃氣體的濃度增大而增大，從而使輸出相應的信號。在本 設計中，對采樣所得的信號增加了一個比較電路，使采樣信號與設定電壓值比 較判斷可燃氣體

36、濃度是否到達臨界值，從而達到警報的效果。其電路如圖3-10 所示：氣收傳感辱M1Q 2圖3-10氣敏傳感器電路圖本系統(tǒng)氣敏傳感器電路特點：1、雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL數(shù) 字電平輸出）；2、DOUT端正常情況下輸出低電平（低于運放同向端輸入的 設定閾值，可直接接單片機IO 口輸入判讀）；3、模擬量輸出（out端）0到3V 電（調(diào)節(jié)滑動變阻器可以改變最大電壓，由于單片機內(nèi)部ADC參考電壓最大值為3.3V）,濃度越高電壓越高；4、對液化氣、天然氣、CO等有害氣體具 有較好的檢測靈敏度；5、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；6、快速的 響應恢復特性。3.2.5 紅外采集模塊1、傳感器介紹紅外

37、熱釋電處理芯片BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集 成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅 外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的 過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。引腳說明如圖3-11和表3-4所.12 Q嶼圖表3不：iri只，VCVREF=-tIBVSS- VDDRR2r- 2IN-RC11- 1IN+RR- UN-VOr IOUT A B1SSOOQ1SOP 163-11 BIS001 引腳圖- 4 BIS001引腳功能表

38、管腳編號端口名稱功能1A可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當 A為“1” 時，允許重復觸發(fā)；反之，/、口重復觸發(fā)2VO控制信號輸出端。由VS的上跳前沿觸發(fā)，使Vo 輸出從低電平跳變到局電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo 保持低電平。3RR1輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端6RR2觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS工作電源負端8VRF參考電壓及復位輸入端。通常接VDD ,當接"0'時可使定時器復位9VC觸發(fā)禁止端。當VC<VR時禁止觸發(fā)；當VC>VR時允許觸發(fā)。VZ 0.2VDD10

39、IB運算放大器偏置電流設置端11VDD工作電源正端122OUT第二級運算放大器的輸出端132IN-第二級運算放大器的反相輸入端141IN+第一級運算放大器的同相輸入端151IN-第一級運算放大器的反相輸入端2、紅外熱釋電采集模塊電路如圖3-12中，R10為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當作為照明控制時， 若環(huán)境較明亮，R10的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封 鎖觸發(fā)信號Vs。CON3是工作方式選擇開關，當2與3端連通時，芯片處于 可重復觸發(fā)工作方式；當2與1端連通時，芯片則處于不可重復觸發(fā)工作方 式。輸出延遲時間Tx由外部的R11和C18的大小調(diào)整，值為 Tx=24576xR11C

40、1§觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R15和C17的大小調(diào)整，值為 Ti=24xR15C17圖中R12可以調(diào)節(jié)放大器增益的大小，原廠圖紙選 10K,實 際使用時可以用3K,可以提高電路增益改善電路性能。R11/R15可以用470歐姆，C6/C7可以選0.1U。因此當環(huán)境較暗時，KP-500B監(jiān)測至IJ紅外，BISS0001 的V0端有高電平輸出，并保存10秒鐘。通過主控芯片MSP430F5438A的I/O 的采樣，環(huán)境較暗時有無紅外會顯示在 12864液晶顯示屏上。圖3-12紅外熱釋電電路3.2.6 液晶顯示和鍵盤模塊1、液晶12864介紹12864A-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字

41、及圖形，內(nèi)置 8192個中文漢字（16*16點陣）、128個字符（8*16點陣）及64*256點陣顯示RAM（GDRAM）o其引腳功能表如表3-5所示：圖3-5 12864引腳功能表管腳編號端口名稱功能1VSS模塊的電源地2VDD模塊的電源正端。4.55.5V3V0LCD驅動電壓輸入端4RS(CS)并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號；串行的片選 信號5R/W(SID)并行的讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口6E(CLK)并行的使能信號；串行的同步時鐘7DB0數(shù)據(jù)08DB1數(shù)據(jù)19DB2數(shù)據(jù)210DB3數(shù)據(jù)311DB4數(shù)據(jù)412DB5數(shù)據(jù)513DB6數(shù)據(jù)614DB7數(shù)據(jù)715PSB數(shù)據(jù)816NC空腳17/RET并

42、/串行接口選擇：H-并行；L-申行18NC空腳19LED_A背光源止極（LED+5V）20LED_K背光源負極（LED-OV）2、液晶模塊電路原理圖液晶12864電路圖如圖3-13所示，D0-D7接到單片機P8 口。液晶RS引 腳接到單片機P3.0 口，液晶RW引腳接到單片機P3.5 口，液晶E引腳接到單片機P3.4 口*3如NI由 科圖3-13液晶12864電路圖3、鍵盤模塊電路原理圖鍵盤模塊電路圖如圖3-14所示，矩陣鍵盤的接口和單片機的 P7 口相連。圖3-14鍵盤電路原理圖3.3硬件電路板的焊接與制作3.3.1 系統(tǒng)硬件電路原理圖根據(jù)我們所需系統(tǒng)模塊硬件，畫出如圖 3-15的原理圖，其

43、中包含了電源電路、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)電路、與核心板通信接口電路等子模塊:3TMK"ADRCEIOT415QA J ALEFR POW + go :7 IV QIL 11SCL 5h圖3-15系統(tǒng)原理圖3.3.2 系統(tǒng)硬件電路PCB圖在PCB設計中，布線是完成產(chǎn)品設計的重要步驟，我們的 PCB布線為 雙面布線。為了避免輸入端與輸出端的邊線相鄰平行而產(chǎn)生反射干擾和兩相鄰布線層互相平行產(chǎn)生寄生耦合等干擾而影響線路的穩(wěn)定性， 我們PCB在制 版中考慮PCB尺寸大小、完成PCB布線，如圖3-16所示經(jīng)過PCB板元器件 焊接，圖3-17數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路板4系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件開發(fā)環(huán)境及編程思想簡

44、介MSP430微處理器開發(fā)環(huán)境采用 IAR公司的集成調(diào)試環(huán)境 Embedded Workbench。集成環(huán)境如圖所示。此編譯軟件可通過JTAG調(diào)試器(JTAGDebugger)直接將程序代碼下載到片內(nèi)FLASH中，即可脫機運行，也可通過調(diào)試器在線調(diào)試。整個用戶界面友好，操作簡單。 揖11臭 EmbeddedJ . ERe Edii We Proitcx EnidHOi1 T&rti- WMem Mp飛=Q 0當4GE e八、F0 * m w騎甥：松心/,MMIC tXTLLC FiH期i+力 Xwg二14E3*PFsData - UCB1 WtayT;/ iPfcr RX da ta4

45、"=H H4J GutVih-qllhfiA. q i £)內(nèi)1阻t4匚 3BDHT11.CHB LZlftiW日'日qsuri匕 Qcryl3t.!一啟Mk，.Borni hEbMTh i- Qinuric!；. 'h1 口 D aipii4B 4G 47 4&H4 To 471 472 473 4 n <75 416 4”110 4 7 J 4&Q 4S1 4E2 4B3 484 4。94 BEelwe FRaDataH IKIRXBUFCBLCTLl |= OCTXSTP?_dal ay_eyeS.aa：4£ 口 S d

46、Tradatad - IRxBuf Eqf(0);7en_3atal » lEtxBuf £ar jlj) s/LEE?| 血£亡亡=白J? 丁r&ad_flag - 0; 一 brsakr 12;If IFJCBtflCtrI UCBlTKBVF =PT界 /rJCByteCtr-7 raad_flag = 1i1( /seB2e?ix |= jezxsrp；X/ Mrwe- flnaJ RX data tp PJtsJJiita/ I2C雪亡叩白曰門日工占工on/ Vader IQi AXZIKi/ CAtfoir TXDC-uiiEar/TX- Bu

47、ff”7/ Cecrenwn t TX byts counter / rafd/ J2C cap condl EldriJ布卜Fl?Lhd湛 Ud jEHugLoaX圖 4-1 Embedded Workbench 調(diào)試環(huán)境嵌入式系統(tǒng)的軟件編程思想分為兩種：模塊化編程和結構化編程。模塊化 編程就是指將一個大的工程按功能分割成一些小的模塊，各模塊相對獨立、 功能單一、結構清晰、接口簡單，從而減小了整個工程程序設計的復雜性， 縮短了開發(fā)周期，并且易于程序的維護和功能擴充。結構化編程中各子程序 間使用結構良好的轉移或調(diào)用，各個模塊有機的組合成一個整體。在這個過 程中，要注意嚴格控制使用任意轉移語句。

48、為了節(jié)省開發(fā)時間，提高程序的可移植性和可維護性，我們在開發(fā)過程 中采用模塊化編程。4.2 系統(tǒng)主程序設計系統(tǒng)的主程序運行時，首先應該初始化系統(tǒng)的時鐘，然后調(diào)用系統(tǒng)初始 化子函數(shù)，初始化系統(tǒng)寄存器，主要包括禁止看門狗、關閉不需要的外設以降低系統(tǒng)的功耗。再初始化中斷向量表和與系統(tǒng)功能相關的微處理器的外設， 包括I/O端口、液晶、內(nèi)部ADC、定時器、I2C串口、允許中斷等。當所有 的初始化完成之后，最后系統(tǒng)便進入到一個 while(1)的無限循環(huán)之中，進行實 時讀取溫度、光強值、濕度值、可燃氣體濃度、當環(huán)境較暗時有無紅外，同 時等待定時中斷的到來，在子函數(shù)中進行數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)存儲監(jiān)控顯示等 功。系

49、統(tǒng)主程序流程如圖4-2所示：圖4-2系統(tǒng)主程序流程圖首先系統(tǒng)上電復位，開始運行程序。首先進報警預設值，通矩陣鍵盤設定 報警值，并通過液晶顯示，在用戶設置完成按下確定按鍵以后，開始整個系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，通過單片機在液晶界面實時顯示。在主程序框架的設計過程中，有一些事項需特別注意 ：1、中斷子程序中的代碼數(shù)量不宜過多，過多的代碼數(shù)量會使得中斷子程 序運行的時間變長，定時的效果變差。2、在主程序的設計中，采用了軟件開啟看門狗的抗干擾措施，防止由于 程序拋飛造成程序陷入無用的死循環(huán)中。3、芯片使用時嚴格按照時序，以及使用的環(huán)境溫度。4.3 系統(tǒng)子程序設計4.3.1 按鍵設置程序按鍵子程序主要用于設定閾

50、值報警系統(tǒng)。所以必須滿足下列兩個條件：(1)開機時進入設置界面預設初值。(2)在軟件運行過程中，每當用戶需要修改閾值時候可以隨時修改。“十開機時以及按下設定按鍵時，進入設置子程序，開始修改閾值。按下 鍵”或-鍵”修改預設值，按下 確定鍵”來跳到下一個環(huán)境參數(shù)設定，最后一次 按確定以后退出設置子程序。流程圖 4-3所示:開始設置光強閾值設置溫度閾值設置濕度閾值結束圖4-3按鍵設置流程圖4.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測程序數(shù)據(jù)交換是本設計中最關鍵的一環(huán)，是其他程序設計的基礎。所有傳感 器檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后的數(shù)據(jù)與矩陣鍵盤設定閥值比較判斷，當處理后的數(shù)據(jù)超過閥值時，蜂鳴器會報警。數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖如圖4-4

51、所圖4-4數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖4.3.3 主控芯片MSP430F5438A時鐘設定程序單片機工作離不開時鐘，在我們熟悉的51單片機里面，就是外部那個11.0592M或12M的晶振給單片機的CPU和片上外設提供時鐘節(jié)拍。MSP430F5438A也是一樣，但是 MSP430F5438A的時鐘系統(tǒng)比51要先進和 復雜很多。51的時鐘源只有一個來自外部晶振，直接提供給內(nèi)部工作；而MSP430的時鐘是一個專門的模塊， 至少有3個可選時鐘源（MSP430F5438A 有5個），這些基本的時鐘源不直接提供給 CPU和外設使用，而是經(jīng)過一些 數(shù)據(jù)選擇器和分頻器，得到3個有用的時鐘信號。MSP430的CPU和片上外

52、設可以根據(jù)需要，選擇這3個時鐘信號中合適的時鐘。MSP430的低功耗跟它 的時鐘系統(tǒng)有很大關系。MSP430F5438A中一共有5個時鐘源：XT1CLK、VLOCLK、REFOCLK、DCOCLK、XT2CLK。其中 XT1CLK 是一個彳氐頻時 鐘源，由外部提供，一般是外接32.768kHz的手表晶振，無需外加電容。VLOCLK是一個集成在片上時鐘源，低頻低功耗，頻率典型值是10kHz0REFOCLK也是一個片上時鐘源，頻率典型值 32.768kHz。DCOCLK是一個 片上的DCO數(shù)控振蕩器，可以用片上 FLL鎖定。XT2CLK是一個高頻時鐘 源，由外部提供，用來給 MSP430F5438

53、A的RF模塊提供時鐘，一般是外接 25MHz晶體振蕩器。其中，片上時鐘VLOCLK、REFOCLK不是很精確穩(wěn)定， 會受到溫度和電壓的影響。一般對精度和穩(wěn)定性要求不高的應用可以選擇片 上時鐘。DCOCLK因為有FLL的鎖定，所以可以提供非常穩(wěn)定的時鐘。DCOCLK分頻之后的時鐘 DCOCLKDIV 一般提供給 MCLK和SMCLK。經(jīng) 過時鐘系統(tǒng)出來一般有 3個時鐘信號：ACLK、MCLK、SMCLK。輔助時鐘 (ACLK)可由軟件選擇作為各個外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設。主 系統(tǒng)時鐘(MCLK)通常用于CPU運行，程序的執(zhí)行和其他使用到高速時鐘的 模塊。子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)通常用

54、于高速外圍模塊。ACLK、MCLK、SMCLK 這3個時鐘信號由時鐘模塊產(chǎn)生。時鐘源可以是上述的5個之一，也可以是DCOCLK分頻之后的信號 DCOCLKDIV。 FLL用來鎖DCOCLK ,需要一個 參考信號FLLREFCLK ,這個信號可以是 XT1CLK、REFOCLK、XT2CLK 三 者之一。關于 FLL ,它的作用是和 DCO 一起，實現(xiàn)鎖頻環(huán)倍頻電路。MSP430F5438A的UCS模塊一共有9個配置寄存器：UCSCTL0UCSCTL8。 通過對它們的設計，我們可以將主控芯片的時鐘設為8MHZ。4.3.4 DHT11單總線數(shù)據(jù)讀取程序數(shù)字溫濕度傳感器DHT11是一種單總線的溫濕度

55、傳感器，接線簡單。所 以需要，軟件部分來補償。根據(jù) DHT11的操作時序來編寫相印的程序，通訊 過程如圖4-5所示：圖4-5 DHT11的操作時序圖總線空閑狀態(tài)為高電平，主機把總線拉低等待DHT11響應,主機把總線拉 低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開 始信號后，等待主機開始信號結束，然后發(fā)送80us低電平響應信號.主機發(fā)送開始信號結束后，延時等待20-40us后，讀取DHT11的響應信號，主機發(fā)送開始信 號后,可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。如圖 4-6所示：信號線說琳主機信號DHT信號圖4-6讀取DHT11總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應信號，DHT11發(fā)送響