開題報(bào)告基于MSP430單片機(jī)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于MSP430單片機(jī)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)院 系： 自動(dòng)化系 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 開題時(shí)間： 2014年 10 月 30 日1. 課題的目的和意義這次畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的目的主要是讓生活在信息時(shí)代的我們，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)生活當(dāng)中，掌握溫、濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程，方案的論證，選擇，實(shí)施與完善。通過對(duì)溫、濕度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作、了解信息采集測(cè)試、控制的全過程，提高在電子工程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作方面的綜合能力，初步培養(yǎng)在完成項(xiàng)目過程中所應(yīng)具備的基本素質(zhì)和要求。培養(yǎng)研發(fā)能力，通過對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)，初步掌握在給定條件和要求的情

2、況下，如何巧妙合理地去設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的各部分電路，并將它們有序的連接起來。提高查閱資料、語言表達(dá)能力和理論聯(lián)系實(shí)際的技能。溫、濕度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今社會(huì)溫、濕度的測(cè)量與測(cè)量系統(tǒng)在生產(chǎn)與生活的各個(gè)領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色，大到工業(yè)冶金、環(huán)境檢測(cè)、紡織廠、冷凍庫(kù)、糧倉(cāng)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面，小到浴霸、家庭冰箱、空調(diào)、電飯煲等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。例如冶金、機(jī)械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的處理溫、濕度都要求嚴(yán)格控制，而單片機(jī)溫、濕度測(cè)量系統(tǒng)使溫、濕度測(cè)量指標(biāo)得到了大幅度提高。其使用量日益增多，其地位和作用也倍顯重要。溫、濕度測(cè)量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)

3、用使得這方面的研究意義頗為必要。溫、濕度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，測(cè)量原理使用維護(hù)等方面的基礎(chǔ)內(nèi)容已成為電子工程技術(shù)人員急需了解掌握的必要知識(shí)。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司推出的16位超低功耗、高性能產(chǎn)品，它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、資源豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，有很高的性價(jià)比，在世界各國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，也已經(jīng)進(jìn)人飛速發(fā)展階段，MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)，越來越受到電子工程師親睞，并得到廣泛應(yīng)用。MSP430微控制器MCU(MicrocontrollerUnit）是TI公司推出的一款具有豐富片上外圍的超低功耗16位FLASH型混合信號(hào)處理器，本系統(tǒng)使用的MSP430F1

4、49有一個(gè)串口通信接口，一個(gè)帶有大量捕獲P比較寄存器的16位定時(shí)器看門狗，一個(gè)模擬電壓比較器。工業(yè)儀器大多數(shù)工作在野外的環(huán)境中，供電方式比較麻煩，所以使儀器的功耗盡可能低是非常必要的。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量器相比，選擇了MSP430微控制器，它充分運(yùn)用各種低功耗設(shè)計(jì)手段，使芯片的電流極小，在超低功耗時(shí)可達(dá)0.1LA。整個(gè)系統(tǒng)在平時(shí)處于低功耗狀態(tài)，每隔5min自動(dòng)從低功耗下喚醒，進(jìn)行溫、濕度和濕度測(cè)量，并通過溫、濕度和濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來確定是否啟動(dòng)加熱器和加濕器。其中，溫、濕度測(cè)量使用單線數(shù)字溫、濕度傳感器DS18B20，其體積小、構(gòu)成的系統(tǒng)簡(jiǎn)單、精度高，濕度測(cè)量使用濕敏電阻CHR一01，其成

5、本低廉。所以整個(gè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量器相比，具有功耗低、性價(jià)比高、電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。2. 國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)現(xiàn)代溫室技術(shù)起步較晚，70年代以來，政府大力發(fā)展以塑料大棚、節(jié)能日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛盾。與此同時(shí)，從1979年至1994年，從歐美、日本等國(guó)家引進(jìn)了一系列現(xiàn)代化溫室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。引進(jìn)的溫室與我國(guó)傳統(tǒng)溫室比較，其空間大，便于進(jìn)行機(jī)械作業(yè)，生產(chǎn)率與資源利用率比較高，為我國(guó)溫室的發(fā)展提供了借鑒作用。但這些溫室也存在著許多不足之處，主要表現(xiàn)在：（1） 價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前難以接受。（2） 缺乏與我國(guó)

6、氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的溫室測(cè)控軟件。目前我國(guó)引進(jìn)溫室的測(cè)控系統(tǒng)大多投資大、運(yùn)行費(fèi)用過高，并且測(cè)控系統(tǒng)中所側(cè)重考慮的環(huán)境參數(shù)與我國(guó)的氣候特點(diǎn)存在矛盾。（3） 測(cè)量方式比較簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)模式固定，不能進(jìn)行功能擴(kuò)展。我國(guó)自行開發(fā)的溫室測(cè)控系統(tǒng)其技術(shù)水平和調(diào)控能力與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。而我國(guó)綜合環(huán)境測(cè)控技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個(gè)或少量環(huán)境因子調(diào)控技術(shù)的階段，而實(shí)際上，溫室內(nèi)的光照度、溫度、濕度等環(huán)境因素，都是在相互影響、相互制約的狀態(tài)中對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，環(huán)境要素的空間變化、時(shí)間變化都很復(fù)雜。因此，我們應(yīng)該根據(jù)我國(guó)的國(guó)情研制出適合我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展的儀器儀表，并在農(nóng)業(yè)設(shè)施中廣泛推廣。2.2

7、國(guó)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)西方發(fā)達(dá)國(guó)家在現(xiàn)代溫室測(cè)控技術(shù)上起步比較早。1949年，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)建成了第一個(gè)植物人工氣候室，開展了植物對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的應(yīng)用研究。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，奧地利首先建成了番茄生產(chǎn)工廠，70年代后荷蘭、日本、美國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和智能測(cè)量理論的發(fā)展，近百年來，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動(dòng)測(cè)量和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是二十世紀(jì)70年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，更使溫室

8、大棚環(huán)境測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。80年代，隨著微型計(jì)算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價(jià)格大幅度下降，以及對(duì)溫室測(cè)量要求的提高，以微機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)，在歐美得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段。3. 課題的主要工作本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。本設(shè)計(jì)方案包括溫濕度檢測(cè)模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和通訊模塊。在溫濕度檢測(cè)模塊中,集成溫度傳感器 AD590 采集得到的電流信號(hào)和濕度傳感器 HM1500 采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為給定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。然后由單片機(jī)MSP430F149的AD采樣端口將該電壓信號(hào)讀入,單片機(jī)把數(shù)據(jù)處理之后通過顯示器顯示出來測(cè)量值,如果溫濕度小于門

9、限值或者溫濕度大于門限值就給出報(bào)警信號(hào)。同時(shí),下位機(jī)可以通過通訊將采集到的溫濕度值傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理、測(cè)量。顯示模塊報(bào)警模塊通訊模塊濕度傳感器信號(hào)調(diào)理電路存儲(chǔ)器溫度傳感器MSP430F149參數(shù)設(shè)置模塊圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.1器件選擇3.1.1下位機(jī)的選擇在該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,下位機(jī)選擇MSP430F149,該型號(hào)的單片機(jī)屬于 MSP430 系列,它是 TI 公司推出的功能強(qiáng)大的超低功耗 16位混合信號(hào)處理器。該系列單片機(jī)具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于便攜式儀表、智能傳感器、實(shí)用檢測(cè)儀器、電機(jī)測(cè)量等領(lǐng)域。為了最大限度地利用單片機(jī)端口

10、并降低設(shè)計(jì)成本,本設(shè)計(jì)方案選擇了MSP430F149,該單片機(jī)有3個(gè)并行端口,一個(gè)RS485 串行通訊口,同時(shí)內(nèi)置10位AD采樣器,可完全滿足溫濕度采樣的精度要求。3.1.2 溫度傳感器的選擇DS18B20是美國(guó)DALLAS公司推出的單總線數(shù)字測(cè)溫芯片。它具有獨(dú)特的單線接口方式，將非電模擬量溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)僅需占用1位I/O端口，能夠直接讀取被測(cè)物體的溫度值，提高了剛干擾能力和測(cè)量精度。它體積小，電壓使用范圍寬（3.05.5V），可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即從數(shù)據(jù)線上獲得電源。用戶還可以通過編程獲得9-12位的溫度讀數(shù)，既具有可調(diào)的溫度分辨率，因此，它的實(shí)用性和可靠性比

11、同類產(chǎn)品更高。DS18B20采用3腳TO-92封裝，形如三極管，同時(shí)也有8腳的SOIC封裝。測(cè)溫范圍為-55125，測(cè)量精度在采用12位溫度讀書時(shí)，其精度可以達(dá)到0.0625，適合用于精密溫度的測(cè)量。出廠時(shí)，每個(gè)DS18B20傳感器被賦予了一個(gè)單獨(dú)的ID號(hào)。3.1.3 濕度傳感器的選擇濕度傳感器選擇集成濕度傳感器HM1500,它是利用濕敏電容HS1101 設(shè)計(jì)制造,具有線性電壓輸出。其濕度測(cè)量范圍為5%99%(相對(duì)濕度);相對(duì)濕度精度為3%;工作溫度為-30+60;工作濕度范圍0100%(相對(duì)濕度);供電電壓為5V(最大電壓DC16V);可輸出DC電壓為14 V;響應(yīng)時(shí)間為5,適用于工業(yè)級(jí)場(chǎng)合

12、。3.2重要模塊電路的設(shè)計(jì)3.2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)3.2.1.1 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)溫度測(cè)量電路模塊如圖2所示。DSl8820工作電壓為35V，測(cè)量溫度范圍為-55+125，用戶設(shè)置的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部EEPROM中，可掉電保持。它具有3引腳，當(dāng)采用外部電源供電時(shí)，GND腳接地，VCC腳接電源，DQ腳作為信號(hào)端接單片機(jī)I/O口，電源腳和DQ腳間還需要外接一個(gè)約1k的上拉電阻，保證總線閑置時(shí)其狀態(tài)為高電平。DSl8B20可以將所采集到的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過DQ傳送至單片機(jī)，單片機(jī)從而啟動(dòng)程序存儲(chǔ)器中的測(cè)量程序，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度值，并控制高、低溫報(bào)警指示二極管的亮滅。圖2 溫度檢測(cè)

13、電路3.2.1.2 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)濕度檢測(cè)電路如圖3所示。集成濕度傳感器HM1500的輸出電壓在14V間隨濕度線性變化,電路設(shè)計(jì)主要采用差分式減法電路,精密電阻R3=R6=2.4k,R4=R7=2k, 用這四個(gè)電阻可調(diào)節(jié)增益。濕度傳感器HM1500檢測(cè)到的濕度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)從IN端輸入。差分的另一側(cè)輸入Vs,它是由 TL431 提供 2.5 V的精密電壓分壓后可得到1.0 V左右的電壓。并由此可以得到輸出電壓的計(jì)算公式為: (2)若輸入電壓在14V之間變化, 則輸出電壓就相應(yīng)在02.5V之間變化。調(diào)節(jié)R1可以消除不同的濕度傳感器的零點(diǎn)誤差。該電路的測(cè)濕范圍為0100%。圖3 濕度檢測(cè)電路3.

14、3 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路設(shè)計(jì)如圖4所示。該電路采用四位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式, 當(dāng)單片機(jī)從ADIN1和ADIN2口采集到溫濕度數(shù)據(jù)以后,如果此刻檢測(cè)的為濕度,首先把濕度值送到數(shù)碼管顯示,同時(shí)點(diǎn)亮濕度指示燈,表示現(xiàn)在顯示的是濕度;如果此刻檢測(cè)的是濕度,顯示溫度時(shí)同樣會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。由于單片機(jī)IO口有限,該系統(tǒng)又采用兩片SNJ54HC373芯片擴(kuò)展了 8個(gè)IO口以滿足設(shè)計(jì)要求。為了保證電平兼容,這部分電路均采用3.3V 電壓供電。3.3.1 按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵電路設(shè)計(jì)如圖5所示。該電路采用3個(gè)獨(dú)立按鍵, 通過按2號(hào)鍵和3號(hào)鍵可以切換溫濕度顯示, 其中2號(hào)鍵顯示濕度,3號(hào)鍵顯示溫度,按1號(hào)鍵

15、可以進(jìn)行相應(yīng)溫濕度門限和傳感器地址的設(shè)定。圖4 顯示存儲(chǔ)電路圖5 按鍵電路設(shè)計(jì)3.3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖6為該系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程圖。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路是,系統(tǒng)上電以后,首先讀取存在 EEPROM中的地址和溫濕度門限值,然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行溫濕度信號(hào)采樣, 接著對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ),也既是MSP430F149 單片機(jī)通過10位AD采樣模塊讀人端口溫濕度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào), 并按照相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)化成實(shí)際溫濕度數(shù)值并存儲(chǔ)。同時(shí)在循環(huán)中對(duì)按鍵標(biāo)志位進(jìn)行判斷。如果被置位,則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵處理。然后根據(jù)需要將其送到數(shù)碼管顯示、同時(shí)通過 RS485 串口送給上位機(jī)。圖 6 系統(tǒng)主程序流程圖3.4

16、MSP430單片機(jī)3.4.1強(qiáng)大的處理能力 MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)、簡(jiǎn)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(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。3.4.2運(yùn)算速度在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實(shí)現(xiàn)乘加)相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理

17、的某些算法(如FFT等)。 MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6us。 3.4.3系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯臏y(cè)量位來確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。 3.4.4 MSP430系列與89C5l系列的比較我國(guó)的多數(shù)讀者對(duì)89C51系列的單片機(jī)是很熟悉的，為了加深對(duì)MSP430

18、系列單片機(jī)的認(rèn)識(shí)，我們不妨將兩者進(jìn)行一下比較。首先，89C51單片機(jī)是8位單片機(jī)。其指令是采用的被稱為“CISC”的復(fù)雜指令集，共具有111條指令。而MSP430單片機(jī)是16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)潔的27條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。其次，89C51單片機(jī)本身的電源電壓是伏，有兩種低功耗方式：待機(jī)方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為24mA，在待機(jī)狀態(tài)下，其耗電電流仍為；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到2V，但是為了保存內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)，還需要提供約50A的

19、電流。而MSP430系列單片機(jī)在低功耗方面的優(yōu)越之處，則是89C51系列不可比擬的。正因?yàn)槿绱?，MSP430系列單片機(jī)更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。再者，89C51系列單片機(jī)由于其內(nèi)部總線是8位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是8位的，雖然經(jīng)過各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。MSP430系列其基本架構(gòu)是16位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換還存在8位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開放型的架構(gòu)來說，無論擴(kuò)展8位的功能模塊，還是16位的功能模塊，即使擴(kuò)展像模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)/模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的

20、。最后，就是在開發(fā)工具方面。對(duì)于89C51來說，由于它是最早進(jìn)入中國(guó)的單片機(jī)，人們對(duì)它再熟悉不過了，再加上我國(guó)各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開發(fā)工具。但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大問題。對(duì)于MSP430系列而言，由于引入了FLASH型程序存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。4. 完成課題所需的條件（1）MSP430單片機(jī)使用說明書（2）DS18B20溫度傳感器使用說明書（3）集成濕度傳感器HM1500濕度傳感器使用說明書（4）Protel 99SE繪圖軟件（5）IAR Embedded Workbench MSP430單片機(jī)編程軟件（6）MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱5.課題的進(jìn)度安排（或課題的實(shí)施計(jì)劃）表5-1 課題安排表周 次課 題 安 排1熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料，進(jìn)行