毕业设计：基于MSP430的温湿度检测系统设计汇编.docx

1、摘要本次设计内容为基于 MSP430 单片机的温湿度检测系统。温度和湿度是药房、粮仓、温室大棚等场所的重要的环境因子， 本文提出了一种基于MSP430F149 单片机的温湿度检测系统设计，该系统设计方案具有测量准确、调试方便、可实时记录信息等特点，并可广泛应用于条件恶劣、人员不便进入的场合。本次设计以 MSP430F149 单片机为基础，在分析其工作原理及相应管脚作用的基础上，结合我国现有气候的特点，进行温度、湿度参数的检测系统设计， 完成了温湿度检测系统的方案，包括温度检测系统、湿度检测系统，使检测所得的数据量达到生产等环节过程中的精确要求。温湿度检测系统的控制方案共有 5 个主要部分；其中

2、包括温度检测系统、湿度检测系统、显示电路、电源电路。本次设计对温湿度检测系统组态采用美国德州仪器开发的 MSP430 单片机， 并在设计内容里详细介绍了 MSP430 单片机的相应优势及工作原理。此次设计共分 5 章内容，主要包括温湿度检测系统简介、基本硬件介绍、硬件电路设计、软件程序设计等内容，全方位解析温湿度检测系统及其相应显示的方案，根据精度对生产等环节的要求进行各种精度的确定，包括传感器及运算电路，以实现系统最优且安全可靠。关键词：MSP430F149 单片机；温度检测；湿度检测IIAbstractThe content of this design is the humidity a

3、nd temperature monitoring system based on MSP430 Single-Chip Microcomputer. Temperature and humidity are two important environmental factors in some places like pharmacies, granaries and greenhouses. The design for the humidity and temperature monitoring system based on the MSP430F149 Single-Chip Mi

4、crocomputer is presented in this thesis. The design of the system is characterized by accuracy in mensuration, convenience in debugging and real time information-recording and also widely used in the places which are too harsh for people to enter.The design grounded on the MSP430F149 Single-Chip Mic

5、rocomputer, considering exsiting climate characteristics in our country, is planned in detecting system about parameters of humidity and temperature on the premise that has analyzing the working principle and pin function. The design has completed the schemes of humidity and temperature monitoring s

6、ystem, including temperature detecting system and humidity detecting system, to make sure the data size of the detection can meet the precise request in production and other links. There are five major parts in the scheme of humidity and temperature monitoring system, comprising temperature detectin

7、g system, humidity detecting system,display circuit and power circuit. The design adopts the MSP430 Single-Chip Microcomputer configuration by Texas U.S in the configuration of humidity and temperature monitoring system and the advantages and the working principle of MSP430 are introduced in the des

8、ign in detail.The design consists of five chapters, including introduction of temperature and humidity detection system, the basic hardware,the hardware circuit design, software programming, which analyzes the humidity and temperature monitoring system and shown schemes related. It also determines t

9、he accuracy considering the importance of exactness in production, including the sensor and arithmetic circuit, to achieve optimization and reliableness of the system.Keywords: MSP430F149; temperature detection; humidity detection目录IV第 1 章 引言11.1 课题的目的和意义11.2 国内、外现状及发展趋势21.2.1 国内现状及发展趋势21.2.2 国外现状及发

10、展趋势2第 2 章 温湿度检测系统简介32.1 温度测量部分32.2 湿度测量部分32.3 显示部分32.4 电源部分3第 3 章 基本硬件介绍43.1 MSP430 单片机43.1.1 处理能力强43.1.2 运算速度快43.1.3 超低功耗43.1.4 方便高效的开发环境53.1.5 MSP430F149 系列53.1.6 MSP430F149 各管脚53.2 DS18B20 温度传感器83.2.1 4 个主要的数据部件93.2.2 技术性能描述113.2.3 应用范围123.2.4 DS18B20 工作原理123.2.5 DS18B20 引脚定义133.3 HM1500 湿度传感器133

11、.3.1 HM1500 内部结构133.3.2 额定参数133.3.3 特性133.3.4 环境适应性143.3.5 HM1500 湿度测量143.3.6 HM1500 模拟线性电压输出14第 4 章 硬件电路的设计164.1 基础电路设计电路设计164.2 重要模块电路的设计164.2.1 温度检测电路的设计164.2.2 湿度测量电路的设计184.2.3 电源转换电路的设计194.2.4 显示电路的设计20第 5 章 软件程序设计235.1 软件开发环境 IAR FOR MSP430235.2 程序设计整体方案235.3 温度测量程序255.3.1 DS18B20 温度传感器的驱动255.

12、3.2 温度的测量与显示程序255.4 湿度测量程序25第 6 章 结论27参 考 文 献28致谢29附录30附图46沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第 1 章 引言1.1 课题的目的和意义这次毕业设计选题的目的主要是让生活在信息时代的我们，将所学知识应用于生产生活当中，掌握温、湿度测量系统设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。通过对温、湿度测量系统的设计、制作、了解信息采集测试、控制的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成项目过程中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何巧妙合理地去设计系统中的各部

13、分电路，并将它们有序的连接起来。提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。温、湿度是工业对象中主要的被控参数之一，当今社会温、湿度的测量与测量系统在生产与生活的各个领域中扮演着越来越重要的角色，大到工业冶金、环境检测、纺织厂、冷冻库、粮仓、医疗卫生等方面，小到浴霸、家庭冰箱、空调、电饭煲等方面都得到了广泛的应用。例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温、湿度都要求严格控制，而单片机温、湿度测量系统使温、湿度测量指标得到了大幅度提高。其使用量日益增多，其地位和作用也倍显重要。温、湿度测量系统的广泛应用使得这方面的研究意义颇为必要。温、湿

14、度测量系统的结构组成，测量原理使用维护等方面的基础内容已成为电子工程技术人员急需了解掌握的必要知识。MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司推出的 16 位超低功耗、高性能产品， 它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各国已得到广泛的应用，在国内，也已经进人飞速发展阶段，MSP430 系列超低功耗 16 位单片机，越来越受到电子工程师亲睐，并得到广泛应用。MSP430 微控制器 Single-Chip Microcomputer(Micro controller Unit）是 TI 公司推出的一款具有丰富片上外围的超低功耗 16 位 FLASH 型混合

15、信号处理器，本系统使用的 MSP430F149 有一个串口通信接口，一个带有大量捕获 P 比较寄存器的 16 位定时器看门狗，一个模拟电压比较器。工业仪器大多数工作在野外的环境中，供电方式比较麻烦，所以使仪器的功耗尽可能低是非常必要的。该系统与传统的温湿度测量器相比，选择了MSP430 微控制器，它充分运用各种低功耗设计手段，使芯片的电流极小，在超低功耗时可达 0.1mA。整个系统在平时处于低功耗状态，每隔 5min 自动从低功耗下唤醒， 进行温、湿度和湿度测量，并通过温、湿度和湿度的对应关系，来确定是否启动加热器和加湿器。其中，温、湿度测量使用单线数字温、湿度传感器 DS18B20，其体积小

16、、构成的系统简单、精度高，湿度测量使用湿敏电阻CHR 一 01，其成本低廉。所以整个系统与传统的温湿度测量器相比，具有功耗低、性价比高、电路简单、易于实46现等特点。1.2 国内、外现状及发展趋势1.2.1 国内现状及发展趋势我国现代温室技术起步较晚，70 年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。与此同时，从 1979 年至 1994 年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究。引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着

17、许多不足之处，主要表现在：价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。测量方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差 距。而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此，我们应该根据我国的国情

18、研制出适合我国农业的发展的仪器仪表， 并在农业设施中广泛推广。1.2.2 国外现状及发展趋势1949 年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的应用研究。20 世纪 60 年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70 年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能测量理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动测量和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪 70 年代电

19、子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境测量技术产生了革命性的变化。80 年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室测量要求的提高，以微机为核心的温室综合环境测量系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。第 2 章 温湿度检测系统简介2.1 温度测量部分温度检测是整个系统的一个重要的组成部分。它采用了 DS18B20 温度传感器进行对温度的测量。当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10 。采用 3.6V 电源供电， DQ 端接MSP430F149 的 P2.5 口，并且在 DQ

20、 端和 VDD 端加 4.7K 的上拉电阻，GND 端接地。其主要目的就是对当前环境中的温度数据进行测量，并进行相应的信号转换。2.2 湿度测量部分测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。采用 HM1500 湿度传感器。具有尺寸小、浸水无影响、互换性好、可靠性高、漂移小、在5VDC 供电时、0100%RH 典型输出、标定2%RH55%RH、极低的温度依赖性、比例输出于电源电压、适合 37

21、V 供电的主要特点。并且具有在长时间处于饱和状态后快速脱湿、专利固态聚合物结构、对化学品的高抵抗性、响应时间短的湿度传感器的特点。2.3 显示部分采用 LED 数码管。系统采用动态显示方式驱动8 个数码管工作,其中 4 个数码管用来显示温度值,4 个用来显示检测到的湿度值。用 SNJ54HC373 的输入端来选择位码, 单片机的 P1 口控制数码管的断码。如果检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能。LED 数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，从而得到了广泛的应用，但相对制作复杂成本高。2.4 电源部分电压转换中，使用 LM780

22、5 将 220V 电压转换为 5V 电压。电压转换中，使用AMS1117 将 5V 电压转换为 3.3V 电压提供整体电路中的使用电源。并且在 5V3.3V转换电路中，采用了电池供电的方式。在不能连接到外接220V 电源的情况下或外接220V 电源突然停电的情况下，可以使用电池对单片机进行供电，可以防止电路突然中断。第 3 章 基本硬件介绍3.1 MSP430 单片机MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种 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

23、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。3.1.1 处理能力强MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构， 具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算； 还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。3.1.2 运算速度快MSP430 系列单片机能在 25MHz 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周期。16 位的数据宽

24、度、40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合， 能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。3.1.3 超低功耗MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A 左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有 0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和 FLL+）时钟系统和 DCO 数字振荡器时钟系统

25、。可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26 OR DT-384，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，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）。在实时时钟模式下，可达 2.5A，在 RAM 保持模式下，最低可达 0.1A 。3.1.4 方便高效的开发环境MSP430 系列有 OTP 型、FLASH 型和ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OTP

26、型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。3.1.5 MSP430F149 系列基于闪存或 ROM 的超低功耗 MCU，提供 8MIPS，工作电压为 1.8V - 3.6V ，具有高达 60KB 的闪存和各种高性能模

27、拟及智能数字外设。超低功耗低至：0.1ARAM 保持模式 0.7A 实时时钟模式 200A/MIPS 工作模式在 6s 之内快速从待机模式唤醒。器件参数：闪存选项：1KB60KBROM 选项：1KB16KBRAM 选项：512B10KB GPIO 选项：14、22、48 引脚 ADC 选项：10 和 12 位斜率 SAR 其它集成外设：模拟比较器、DMA、硬件乘法器、SVS、12 位 DAC。3.1.6 MSP430F149 各管脚MSP430 单片机管脚编号及作用描述6P6.7/A7I / O通用数字I / O 引脚/模拟输入 a7 - 12 位 ADC表 3-1 MSP430 单片机各管脚

28、编号及作用描述编号1引脚名称DVCCI/O描述数字电源电压，正端。供应所有数字部分。2P6.3/A3I / O通用数字I / O 引脚/模拟输入 a3 的- 12 位 ADC3P6.4/A4I / O通用数字I / O 引脚/模拟输入 a4 的- 12 位 ADC4P6.5/A5I / O通用数字I / O 引脚/模拟输入 a5 的- 12 位 ADC5P6.6/A6I / O通用数字I / O 引脚/模拟输入 a6 的- 12 位 ADC7 VREF+OADC 输内参考电压正端输出8 XINI晶体振荡器 XT1 的输入端口。可以连接标准晶体或手表晶体9 XOUT/TCLKI/O晶体振荡器 X

29、T1 的输出端或测试时钟输入10 VeREF+I/PADC 外部参考电压输入11 VREF-/VeREF-O内部 ADC 参考电压和外部施加的 ADC 参考电压负端12P1.0/TACLKI / O13P1.1/TA0I / O14P1.2/TA1I / O通用数字 I / O 引脚/ Timer_A，时钟输入信号 TACLK输入通用数字I / O 引脚/ Timer_A，捕捉：CCI0A 输入，比较：OUT0 的输出/ BSL 传输通用数字I / O 引脚/ Timer_A，捕捉：CCI1A 输入，比较： 输出 1 输出15 P1.3/TA2I / O通用数字I / O 引脚/，Timer_

30、A 捕捉：CCI2A 输入，比较：OUT2 的输出16 P1.4/SMCLKI / O通用数字I / O 引脚/ SMCLK 信号输出17 P 1.5/TA0I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，比较：OUT0 的输出18 P1.6/TA1I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，比较：输出 1 输出19 P1.7/TA2I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，比较：OUT2 的输出20 P2.0/ACLKI / O通用数字I / O 引脚/ ACLK 输出21 P2.1/TAINCLKI / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，时钟信号 I

31、NCLK22 P2.2/CAOUT/TA0I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，捕捉：CCI0B 输入/比较器输出/ BSL 接收23 P2.3/CA0/TA1I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，比较：输出 1 输出/比较器输入24 P2.4/CA1/TA2I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，比较：OUT2 的输出/比较器输入25 P2.5/ROSCI / O通用数字I / O 引脚/定义 DCO 标称频率的外部电阻输入26 P2.6/ADC12CLKI / O通用数字I / O 引脚/转换时钟 - 12 位 ADC27 P2.7/TA0I / O通用数字I / O 引脚/ Timer_A，比较：OUT0 的输出28 P3.0/STE0I / O通用数字I / O 引脚/从发送使能 - USART0/SPI 模式29P3.1/SIMO0I