430温湿度

基于msp430为核心的单片机温度控制模块，温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，然后经过转换成数字信号后传入单片机，由单片机对数字信号进行相应的处理，从而得到温湿度采集和控制的目的，然后输出在数码管上进行显示。首先要解决的是选用合适的温湿度数字传感器本身的属性，它的用法，各个性能参数，内部功能有一个检测电路，温湿度控制电路，单总线通信的电路，复位电路，数码管显示电路的设计接法进行进一步的掌握，最后就是软件编写部分了，软件部分需要解决的问题有温湿度传感器的初始化模块，传感器对温湿度的获取并转换模块，温湿度数据的处理模块，温湿度数据显示模块，超高（低）温湿控制模块。2.2总系统设计框图本系统主要由数据采集模块、控制模块、显示模块、反馈调节模块等这些模块构成，采集模块是通过一个温湿度传感器来得到所要采集的信号；控制模块所使用的是单片机；显示由数码管来完成；反馈调节部分由报警系统，温湿度调节模块构成。在系统内部会设定一个温湿度的最高和最低数值，在所采集到的温湿度达到这个数值的时候系统会发出报警，然后通过单片机反馈给温湿度调节系统，使系统恢复正常工作。综合上述原理，绘制的原理框图如2.1所示：Msp430单片机报警器LCD显示温湿度传感器被控对象启动制冷系统启动升温系统启动除湿系统启动加湿系统超过温度设定上限低于温度设定下限超过湿度设定上限低于湿度设定下限图2.1系统设计原理框图2.3采集模块采集模块主要由传感器构成，在传感器的选择过程中我们要根据我们所设计的系统来完成，在本设计中我们有两种方案可供选择。方案一：利用热敏电阻NTC温度传感器和温敏传感器组成测温电路，经过温湿度——频率变换电路进行模数转换，由于这样做的温湿度传感器的线性特性不是很好，测量误差较大，为此利用单片机的计算和查表功能对热敏电阻和温敏的温湿度非线性特性进行线性化处理，这样就提高了传感器的测温精度。框图如2.2所示：图2.2传统传感器原理图此种方案和传统的利用硬件电路对热敏温敏电阻温度非线性特性进行线性化相比，可以消除硬件参数随温湿度变化而引起的测量误差，线路简单，成本相对便宜，利于维护。方案二：利用数字温湿度传感器SHT11进行测温湿度。SHT11是单总线器件，接口线路简单，体积小，转换精度9～12位，可编程确定转换的位数；适合多种环境的温度测量。SHT11数字温湿度传感器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，确保产品具有很高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，幵与一个高性能8位单片机相连接。且成本低、长期稳定、相对湿度和温度测量、品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、超长的信号传输距离、数字信号输出、精确校准。SHT11广泛应用在暖通空调、除湿器、测试及检测设备、消费品、汽车、自动控制、数据记录器、气象站、家电、湿度调节器、医疗、其他相关湿度检测控制。相对湿度：分辨率:0.1%RH16Bit;重复性:±1%RH;精度:25℃±5%RH互换性：可完全互换;响应时间1/e(63%)25℃6s,1m/s空气6s迟滞:±0.3%RH;长期稳定性：±0.5%RH/yr温度:分辨率：0.1%RH16Bit;重复性：±0.2℃;量程范围：25℃±2℃响应时间：1/e(63%)10S电气特性：供电：DC3.5-5.5V;供电电流：测量0.3mA待机60μA;采样周期：次大于2秒。SHT11器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数A/D转换电路热敏温敏电阻传感器单片机（非线性到线性）据交换、控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏枀开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结极，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机。而传统的利用热敏电阻NTC温度传感器和温敏传感器组成测温电路在工作的时候会受到外界的干扰，例如电磁波、光，振动等都会影响模拟器件的正常工作，这样会使的最后的测试结果受到很严重的误差。即使通过一些调理电路可以减少一些误差，而SHT11就不会出现这样的情况，SHT11相比利用热敏电阻NTC温度传感器和温敏传感器组成测温电路体积也小，电路简单，而且采集到的数据精度也高，不会受到外界的干扰，价格也比较合适。对上述两种方案进行比较，以及对器件的各种参数和一些实际情况考虑，用SHT11，不仅功耗低、抗干扰能力强而且节省单片机的端口，电路实现简单，测量精度高，所以采用方案二。2.4控制模块本次系统设计的核心处理器有两种选择：一个是本科期间学习过的且目前被广泛使用的89C51单片机，另一个就是上文所介绍的具有超低功耗特性的MSP430系列单片机。方案一：采用89C51单片机作为主控制器。89C51单片机的工作电压为5V，有两种低功耗模式：待机方式和掉电方式。但是正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下其耗电电流为3mA。即使在掉电状态下电源电压降到2V，但耗电电流仍达到50uA，功耗比较大。方案二：采用MSP430作为主控制器。由于其具有低电压、超低功耗、数据处理能力强大、片内外资源丰富的特点，而且有16个中断源，可以嵌套使用，通过中断将CPU从低功耗模式下唤醒，所以可以编写出实时性很高的程序且实现系统低功耗的要求。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)推向市场的一个16位、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，自1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设备和方便灵活的开发手段，成为许多电子产品设计的首选，1999年进入中国就受到了中国广大设计工程师的青睐。目前，该系列单片机不仅在电子工程、测控技术与仪器、自动控制、机电一体化等方面得到广泛应用，而且逐渐走进校园，被越来越多的使用在硕士研究生和高年级本科生的科技实践和毕业设计中，在2005年暑期全国大学生电子设计竞赛中就选用了该系列的单片机[5]。MSP430系列单片机的型号很多，TI公司用3或4位数字表示单片机型号，其中一位数字表示一个系列。目前有四大系列：带有液晶驱动的MSP430F4xx系列单片机、不带液晶驱动器的MSP430F1xx系列单片机、16MIPS高速MSP430F2xx系列单片机、一次性写入（OTP）型低价MSP430C系列单片机，每个系列中又含有许多子系列。单片机型号的第二位数字表示子系列号，一般子系列号越大包含的功能模块越多，最后一或两位数字表示存储器容量，数字越大表示ROM和RAM的容量越大。此外，MSP430系列单片机还针对许多热门应用设计了一系列专用单片机，如水表专用单片机、医疗仪器专用单片机，电能计量专用单片机，这些单片机都是在相同型号的通用单片机的基础上增加专用模块构成的。MSP430F449单片机的主要性能有：低供电电压范围：1.8V-3.6V及欠电压检测器超低功耗，具有五种省电模式：活动模式：1MHz，2.2V时为280uA；等待模式：1.6uA；关闭模式（RAM保持）：0.1uA数字控制的振荡器（DCO）可以在6us内将CPU从休眠中唤醒，这也是实现低功耗的重要手段之一16位精简指令结构，125ns指令时间周期，10个16位的寄存器以及常数发生器，能够最大限度的提高代码的效率具有内部参考电平，采样保持和自动扫描的12位A/D转换器带有三个或七个捕捉/比较影子寄存器的16位定时器B带有三个捕捉/比较寄存器的16位定时器A串行通讯接口（USART），软件选择异步UART或者同步SPI接口，对于MSP430F44x系列的单片机有两个UART（UART0，UART1）可编程电平检测的供电电压管理器/监视器串行在线编程无需外部编程电压，可编程的安全熔丝代码保护集成多达160段的LCD驱动器如图2.2所示为MSP430F149单片机的引脚图。该单片机共有64个引脚。图2.2msp430f149引脚图MSP430单片机超低功耗的关键是应用其时钟系统，最大化低功耗模式的工作时间，典型的LMP3电流消耗少于2μA，32kHz晶振用于ACLK的时钟，DCO用于CPU激活后的突发短暂运行。MSP430系列单片机的基本时钟系统操作模式如表2.1所示。运行模式要考虑到三个不同的需求:低功耗、速度和数据的吞吐量；单个外围设备电流消耗的最小限度。在状态寄存器中，用CPUOff、OSCOff、SCG0和SCG1位配置低功耗方式0～4，可以在中断服务程序中将当前工作状态保存在堆栈中。利用堆栈SR值，程序溢出能返回到不同的工作状态。模式控制位和堆栈能被任何指令访问。当设置任一种模式的控制位时，被选择的工作状态立刻响应。如果时钟未被激活，用任何禁用时钟操作的外围JTAG口可以进行嵌入式仿真，不需要附加任何外围电路。msp430外围电路设计及其硬件电路连接外围电路部分主要由电源，高频晶振和低频晶振，复位等构成。丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）模拟比较器A定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8~3.6V电压，高频使用的是一个8mhz的晶振。如图3.1所示为MSP430F149芯片及其外围电路原理图图3.1MSP430F149芯片及其外围电路原理图3.2SHT11硬件电路的设计及其连接图如图3.2所示为温度传感器与单片机的连接电路图。分配一个I/O口接上温度传感器，程序实现中只需执行SkipROM命令后即可对在线器件进行操作；为典型的单总线制，允许与一个I/O口相连的线上连接多个器件，开机后需逐个上电获取64bit序列号，并存储到数组中。当需要使用时，通过发送匹配ROM命令并发送对应器件的64bit序列号，从而实现对相应器件的操作。本次设计均采用寄生电源供电，如前所述，为保证电路的正常运行，温度值的精确获取，尽量采用电源供电方式。图3.2温度传感器与单片机的连接电路图3.3液晶硬件电路的设计及其连接图如图3.3所示为液晶显示电路原理图。只需把lcd模块的数据口直接接到单片机的IO口即可。D0到D7接单片机的p5口，lcd模块的外接电压需要一个5v的电压信号。图3.3液晶显示电路原理图3.4报警器的设计及其连接电路图如下图所示为报警器的硬件电路连接图，主要由一个蜂鸣器和一个放大电路构成，因为单片机输出的电压小于2v，而蜂鸣器的工作电压在3.3v以上，所以需要一个放大器对单片机输出的电压进行放大。所以报警电路的连接如3.4图：图3.4报警器电路连接图4系统软件设计4.1主程序设计及流程图开始Msp430、lcd、传感器初始化开启中断Cpu关闭，进入休眠模