基于MSP430单片机的环境参数监测仪的设计制作毕业论文.docx
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基于MSP430单片机的环境参数监测仪的设计制作毕业论文
常州机电职业技术学院
毕业设计（论文）
作者：
董琪学号：
41131243
系部：
信息工程系
专业：
应用电子技术
题目：
基于MSP430单片机的环境
参数监测仪的设计制作
指导者：
评阅者：
2014年4月
毕业设计（论文）中文摘要
温湿度和光照度等参数是标定环境不可缺少的参数，对其进行准确的测量具有重要意义。
本文以室内外居住环境为背景，设计出一种以MSP430F5438A超低功耗单片机为控制核心的环境参数监测仪。
论文对环境参数监测系统硬件和软件模块包括子系统模块进行了详细设计：
通过相应的传感器芯片对包括温度、湿度、光强、红外辐射度和可燃气体浓度等环境参数进行检测和采集；通过微处理器MSP430F5438A将传感器芯片采集到的数据进行分析处理，并在液晶终端进行参数的实时显示和监控。
论文分别对温度传感器模块，单总线湿度传感器模块，光照度传感器模块，气敏传感器模块，红外热释电模块以及按键和液晶显示模块进行了单模块分别调试。
在此基础上对这些子程序模块进行了整合调试及整机功能和功耗测试，最终完成整个监控系统及仪器的设计制作。
实验显示，本环境参数监测仪具有体积小、携带方便、功耗低、可靠性高、免维护、成本低等优点，在室内外环境参数监测领域，具有很好的应用前景。
关键词：
MSP430单片机环境参数监测传感器液晶显示
毕业设计（论文）外文摘要
Title：
TheDesignandProductionofEnvironmental
ParameterMonitorBasedonMSP430
Abstract：
Parameterssuchastemperature,humidityandilluminanceareindispensabletothecalibrationenvironment,whichhasimportantsignificanceforaccuratemeasurement.Theaimofthisthesisistodesignanenvironmentalparametermonitor,whichcontrolledbyanultra-lowpowerMSP430F5438Aforindoorandoutdoorlivingenvironment.
Thedetaileddesignofhardwareandsoftwaremoduleincludingsubsystemmoduleintheenvironmentalparametermonitorisproposedinthisthesis.Thecorrespondingsensorchipisusedtodetectandcollecttheenvironmentalparametersuchastemperature,humidity,illuminance,theinfraredradiationintensityandcombustiblegasconcentration.TheMSP430F5438Aanalyzesandprocessedthedatawhichcollectedbysensorchips,andrealizedthereal-timedisplayandmonitoringforparametersonLCDterminal.
Thethesisproceedsdebuggingonsinglemodulelikestemperaturesensormodule,singlebushumiditysensormodule,illuminancesensormodule,gassensormodule,pyroelectricinfraredmoduleandbuttonsandLCDmodule,respectively.Onthebasisofthat,afterdebuggingandtestonthefunctionandpowerfortheintegratedsubroutinemodules,thedesignandproductionofthewholemonitoringsystemandinstrumentiscompleted.
Testresultsgivenshowthattheenvironmentalparametermonitorhasseveraladvantages,suchassmallvolume, portable, lowpowerconsumption, highreliability, maintenance-free, lowcostandsoon.Ithasagreatapplicationprospectinthefieldofindoorandoutdoorenvironmentalparametersmonitoring.
Keywords:
MSP430,EnvironmentalParameterMonitor,Sensor,LCDDisplay
1绪论
1.1课题背景
为了使人类拥有舒适、健康的生活，很多情况下要监测周围的环境参数。
如城市的空气质量，温室大棚中的温湿度光照度等参数的控制，沿海城市海水浴场水质，污染物的排放等。
通过环境检测，提供代表环境质量现状的数据，判断环境质量是否符合国家制定的环境质量标准，评价当前主要环境问题，环境参数与人们的生活息息相关，对于环境参数的监测十分必要。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
对于环境监测的参数中，温湿度和光照度是极其重要的参数。
舒适的环境会让人感觉心情舒畅，人体感觉舒服，当室内温度在18℃～20℃,湿度为40%～60%时，人的思维最敏捷，工作效率最高。
但当室温超过28℃，湿度大于70%时，就会生闷热、出汗、烦燥、疲劳等反应，容易让人的情绪不稳定甚至无法正常工作。
室内光照度测量也很必要，国家标准的自然光照度是150lux～300lux，人眼在看书感到正好时的光照度是200lux，当光线过强或过暗都会对眼睛有所损伤，而且更容易引起视疲劳，影响学习和工作效率。
所以要营造一个舒适适合人们生活与居住的环境就必须对温度、湿度、光照度参数进行监测。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
环境监测离不开数据采集，数据采集系统是在测量工程中，无需人工记录测量数据能自动进行采集，信号处理，并记录显示，如今无论是生产还是实验室中的测量都是要求精度高，速度快，这些人工测量无法完成，只能用自动测量系统才能完成的。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
环境参数的传统测量方法中，测量设备体积较大，实时性差，精度低，还需花费较大的人力，己不再适应现代经济的快速发展要求。
随着单片机技术、传感器技术、通信技术、计算机等技术地快速发展，环境监测技术也日新月异。
各种实时性好，精度高，且适应各种苛刻环境的测量系统己被开发出来，在社会各个领域得到了广泛应用。
在对环境参数的采集方面由于高集成度低功耗低电压的集成芯片的大量问世，使得仪表的功耗越来越低，功能越来越强大。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
1.2论文的主要内容
本文设计并制作了一款基于MSP430单片机的环境参数采集监测仪。
该监测仪具有环境温度、湿度、光照度、可燃气体浓度、红外辐射度等参数监测功能。
其主要内容包含课题背景、环境数据采集监测系统的总体设计方案、系统硬件设计、系统软件设计、监测系统调试分析等。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
首先，论文介绍了课题背景，阐述了环境监测及监测仪器的发展现状及发展趋势，由此提出了基于MSP430单片机的数据采集监测系统的总体设计方案，并针对需要监测的参数进行了器件选型及方案设计。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
其次，论文进行了详细的系统硬件设计，并搭建了相关硬件模块电路，包含以下几个部分：
单片机主控模块、数据采集模块、监控报警模块、键盘和液晶显示模块。
主控模块采用MSP430F5438A作为控制核心，数据采集监控模块部分采用TPM275数字输出温度传感器检测环境温度，DHT11单总线湿度传感器检测环境湿度，BH1750FVI光照度传感器检测环境光照强度，MQ-2气敏传感器监测相关气体相对强度以及KP-500B红外热释电传感器监测红外辐射相对强度。
整机系统通过按键和液晶显示模块实现人机交互及监测结果的显示输出。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
再次，论文对系统软件设计进行了主要说明，包括系统主程序以及相应的测温、测湿、测光照度等测量子程序，以及外围键盘与LCD显示接口模块程序等。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
最后，进行了系统整机调试分析，在软硬件连接的基础上分别对温度传感器TPM275模块，单总线湿度传感器DHT11模块，光照度传感器BH1750FV模块，气敏传感器MQ-2模块，红外热释电KP-500B模块以及按键和液晶显示模块进行了单模块分别调试。
在此基础上对这些子程序模块进行了整合调试及整机功耗测试，辅以外壳安装，最终完成整个监控系统及仪器的设计制作。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
2数据监测系统的总体设计方案
2.1系统总体框图设计
基于16位单片机MSP4305438A的环境监测系统以MSP4305438A单片机作为主控芯片，采用温度、湿度、光照度传感器等进行数据采集，以及液晶显示模块与用户进行交流，通过软件编程协调各部分工作，实现体积小、低功耗环境监测仪器的设计。
系统总体框图如图2-2所示：
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
电源
图2-2系统设计总体框图
MSP430单片机还有一个特点就是支持C语言编程，由于采用C语言开发可以大大的提高开发效率，缩短开发周期，并且采用C语言开发程序具有非常好的可读性和移植性，因此本设计的软件采用高效的MSP430系列的C语言编写，软件部分采用IAR公司提供的开发环境：
IAREmbeddedWorkbench及调试器C-SPY。
利用该软件可直接将程序通过单片机本身带有的JTAG接口下载到单片机的FLASH存储器中，再由该软件通过JTAG接口读取单片机内信息，实时监测单片机上运行的程序，实现在线仿真。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
为了方便程序调度和提高可靠性，软件采用结构化、模块化设计方法，每个模块完成一个特定功能，在电路设计调试会对每一模块电路进行程序编写调试，之后完成整个系统程序的整合编写。
整个系统主要由初始化程序、主程序、子程序等组成，通过软件编程实现系统的数据处理和显示。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
2.2单片机选型
2.2.1MSP430单片机概述
MSP430单片机是TI公司推出的一款16位超低功耗的混合信号处理器。
该系列单片机自1996年问世以来，以其卓越的性能成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
它有以下特点：
（1）具备强大的处理能力，可编制出高效率的源程序。
采用精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、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。
（2）具备高效的运算速度和灵活的运算方法。
MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期;16位的数据宽度以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法;中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。
系统可以稳定可靠的工作。
系统稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，使晶体振荡器有足够的起振及稳定时间;然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率;如果晶体振荡器在用做CPU时钟时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作;如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。
（4）丰富的片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
它们分别是看门狗、模拟比较器A、定时器A、定时器B,串口0、1（USART0,1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC,I2C总线、直接数据存取（DMA）、端口0（P0）、端口1（P1）、基本定时器（BasicTimer）等一些外围模块的不同组合。
（4）具备卓越的超低功耗特性。
MSP430单片机在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先，其电源电压采用的是1.8V到3.6V电压，在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流在1到400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA;其次是独特的时钟系统设计，在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：
基本时钟系统（有的使用一个晶体振荡器，有的使用两个晶体振荡器）和锁频环时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。
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。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
2.2.2MSP430F5438A介绍
本设计采用的MSP430F5438A单片机具有低工作功耗，在1.8V到3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。
包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
MSP430F5438A主要参数：
1．256KFlash，16KRAM;
2．P1，P216个中断IO口；
3．16位CRC校验；
4．16通道AD采用，200ksps，12路外部采样，同时内置一个温度传感器，可以采集芯片温度；
5．支持32位硬件乘法器；
6．RTC实时时钟；
7．4个USCI，UCAx支持串口，IrDA/SPI，UCBx支持SPI/IIC；
8．15个捕捉/比较定时器；
9．JTAG/SBW（4线/2线仿真下载）；
10．UCS统一时钟管理；
11．系统看门狗Watchdogs；
12．支持多种低功耗模式LPM；
13．支持欠压或低压自动复位；
2.3传感器的选型
光强传感器选用的是BH1750FVI，这是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。
这种集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。
利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。
该传感器支持I2C通信，最小误差变动在±20%，受红外线影响很小。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
温度传感器选用的是TMP275，是一个精度为0.5℃，两线制，串行输出温度传感器，采用SO-8的封装，检测温度-20℃至+100℃，能满足正常情况下的温度检测。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
湿度传感器选用的是DHT11，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
可以对TMP275检测到的温度进行修正。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
可燃气体传感器使用的是MQ-2，可燃气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。
当传感器所处环境中存在可燃可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
从而检测对应的可燃气体。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
红外传感器使用的是BISS0001，这是是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。
它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速开启各类白炙灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
优点是，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽，内置参考电压，工作电压范围2V～6V。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
3系统硬件设计
3.1主控芯片模块
3.1.1单片机最小系统模块
本系统采用的主控芯片为MSP430F5438A单片机，有100个引脚，其芯片引脚如图3-1所示：
图3-1MSP430F5438A芯片引脚电路
系统主时钟晶振如图3-2所示采用的是32768Hz的晶振，XIN接到单片机P7.0口，XOUT接到单片机P7.1口。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
图3-2MSP430F5438A晶振电路
系统复位电路如图3-3所示，单片机复位引脚P9.7上拉510K电阻接VCC，通过电容接地，电容两端并联一个独立按键，用以完成单片机的系统复位。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
图3-3MSP430F5438A复位电路
3.1.2系统电源模块
整个数据采集系统板的主控芯片模块和数据采集子模块（包括相关传感器）均采用3.3V系统电源供电。
系统电源电路如图3-4所示，通过电容滤波、去耦后由TPS5430完成由12V到3.3V的转换。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
图3-4MSP430F5438A电源电路
3.2子系统模块
3.2.1光强采集模块
1、BH1750FVI传感器介绍
光强采集模块选取的是BH1750FVI。
是一种16位数字输出型环境光强度传感器集成电路，用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。
这种集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。
利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化（1lx～65535lx）。
引脚说明如图3-5和表3-1所示：
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
图3-5BH1750引脚图
表3-1BH1750引脚功能表
管脚编号
端口名称
功能
1
VCC
电源端口
2
ADDR
I2C地址控制端，如果ADDR=“H”（ADDR≥0.7Vcc），那么HighByte=“1011100”。
如果ADDR=“L”（ADDR≤0.3Vcc），那么LowByte="1001_0000"。
3
GND
接地端口
4
SDA
I2C接口SDA端口
5
DVI
SDA,SCL端口参考电压，DVI端口为内部寄存器的异步重置端口
6
SCL
I2C接口SCL端口
2、光强采集模块电路设计
在本设计中采用3.3V供电，ADDR地址段接地，电源和地线之间通过瓷片电容滤波。
数据线SDA和时钟线SCL接一个10K的上拉电阻接VCC，DVI内部寄存器的异步重置端口上拉10K电阻接VCC，然后通过电容接地整体电路通过SDA与SCL线与单片机进行数据通讯。
SDA线接单片机P9.1口，SCL线接单片机P9.2口。
电路如图3-6所示：
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
图3-6光强传感器电路
在数据采集的时候主要由I2C的数据线和时钟线来完成和单片机的数据交换。
3.2.2温度采集模块
1、TMP275传感器介绍
数字输出温度传感器TMP275，是一个精度为0.5℃、两线制、串行输出温度传感器，TMP275是与SMBUS兼容的，并支持在一条总线上使用多达八台器件。
额定运行温度范围为－40℃至+125℃。
引脚说明如图3-7和表3-2所示：
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
如图3-7TMP275引脚图
表3-2TMP275引脚功能表
管脚编号
端口名称
功能
1
SDA
I2C接口SDA端口
2
SCL
I2C接口SCL端口
3
ALERT
通过高低电平配置寄存器
4
GND
接地端口
5~7
A0~A2
8个地址选择
8
V+
电源端口
2、温度采集模块电路设计
本设计的温度采集模块电路采用数字芯片，与介绍设计的电路基本一致，除数据线SDA和时钟线SCL上拉10K电阻接VCC和在VCC和GND之间加一个旁路电容之外并无其他元器件。
SDA线接单片机P9.1口，SCL线接单片机P9.2口电路如图3-8所示：
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
图3-8TMP275电路
在数据采集的时候主要由I2C的数据线和时钟线来完成和单片机的数据交。
3.2.3湿度采集模块
1、DHT11传感器介绍
数字温湿度传感器DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
DHT11传感器采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，具有体积小、功耗低，信号传输距离长等优点，是各类苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装，连接方便，引脚说明如图3-9所示：
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
图3-9DHT11引脚图
表3-3DHT11引脚说明
管脚编号
端口名称
功能
1
VDD
供电3～5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
2、湿度采集模块电路设计
本设计中的DHT11为单总线型的数据传输，仅通过一根数据线（DATA）与单片机相连。
接上拉电阻，在VCC和GND之间接入一个旁路电容。
电路如图3-9所示：
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
图3-9DHT11电路
3.2.4气敏传感器监测模块
1、传感器介绍
MQ-2半导体烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧锡。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
芯片优点：
1．在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度
2．对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高
3．长寿命、低成本
4．简单的驱动电路即可
2、可燃气体采集模块电路
可燃气体采集模块电路主要当它所处环境中有可燃气体时，传感器的电导率随着空气中可燃气体的浓度增大而增大，从而使输出相应的信号。
在本设计中，对采样所得的信号增加了一个比较电路,使采样信号与设定电压值比较判断可燃气体浓度是否到达临界值，从而达到警报的效果。
其电路如图3-10所示：
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
图3-10气敏传感器电路图
本系统气敏传感器电路特点：
1、双路信号输出（模拟量输出及TTL数字电平输出）；2、DOUT端正常情况下输出低电平（低于运放同向端输入的设定阈值，可直接接单片机IO口输入判读）；3、模拟量输出（out端）0到3V电（调节滑动变阻器可以改变最大电压，由于单片机内部ADC参考电压最大值为3.3V），浓度越高电压越高；4、对液化气、天然气、CO等有害气体具有较好的检测灵敏度；5、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；6、快速的响应恢复特性。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
3.2.5红外采集模块
1、传感器介绍
红外热释电处理芯片BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
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引脚说明如图3-11和表3-4所示：
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