基于MSP430单片机的智能温度检测系统设计

2万 · 2012-9-13 22:32

摘要：论述了一种以16 位单片机MSP430F149 为控制核心，利用数字化温度传感器DS18B20实现温度测量的智能温度检测系统。详细论述了该系统的硬件组成和软件设计，给出了关键部分的电路图及相应的MSP430F149单片机温度测量程序。实验结果表明，该智能温度检测系统具有低成本、可靠性高、结构简单、性能稳定、经济实用等特点，可根据不同需要应用于多种工农业温度检测领域。
1 引言
随着设备的电气化和自动化程度不断提高，对设备和环境进行实时监控显得尤为重要。传统的测温器件热敏电阻测出的一般是电压，需要再转化为相应的温度，这就要有其它外部硬件的支持。因此硬件电路比较复杂，设计成本也比较高。智能温度检测系统采用的是一种改进型智能温度传感器DS18B20, 数字温度传感器通过单总线与单片机连接，系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，也可应用于仓库测温、高层空调控制和农业生产过程监控等领域。
2 温度检测系统硬件构成
该温度检测系统由主控制器MSP430F149、存储模块CAT24WC64、液晶显示模块HTM1602A、语音报警模块ISD1420、矩阵键盘和单总线接若干温度传感器DS18B20组成。系统硬件框图如图1所示。由图可见，多点温度测量电路只占用了MSP430F149 的一个普通IO口，系统资源利用率较高。

图1 系统硬件总体电路图
2. 1 DS18B20
2. 1. 1 DS l8B20的内部结构
DS18B20的内部结构如图2 所示，主要由四部分组成：光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH 和TL 配置寄存器。DS18B20 可以有多种封装形式，在TO - 92封装中，如图2 （ a ）所示， GND 为接地引脚， DQ 为数据输入/输出引脚，VDD为可选的外部电源供电引脚，在寄生电源工作方式下接地。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM 的排列是：开始8位（ 28H ）是产品类型标号，接着的48 位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
光刻ROM 的作用是使每一个DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图2 DS18B20整体结构图

2. 1. 2 DS18B20的工作过程
访问DS18B20的工作顺序通常为：初始化，发送ROM 操作命令，发送RAM 操作命令。通过初始化复位工作使主设备知道传感器DS18B20存在并准备工作。通过发送ROM 命令可以知道某个特定的DS18B20是否存在并且是否超过温度警界值。
共有5种ROM操作命令，分别是读ROM （ 33H ）、匹配ROM （ 55H ）、搜索ROM （ FOH ）、跳过ROM（ CCH）、告警搜索命令（ ECH ）。通过发送RAM 操作命令，可以设定电源供电方式，启动温度转化，读写DS18B20的暂存区。共有6种功能命令，分别是转换温度（ 44H ）、读暂存区（ BEH ）、写暂存区（ 4EH ）、复制暂存区（ 48H ）、重调EEPROM （ B8H ）、读电源供电方式（ B4H ）。每条命令有不同代码，在总线上传送时，由器件根据接收的命令代码完成相应的操作。因此DS18B20的单线通信功能是分时完成的，它有严格的时序要求。
2. 2 MSP430F149
本设计的主控芯片采用美国德州仪器公司的16位带FLASH 单片机MSP430F149。它具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点。其工作电压为1. 8V ~ 3. 6V; CPU 运行正交的精简指令集。片内寄存器数量多。存储器可实现多种运算。
MSP430F149中断源较多并可任意嵌套，系统处于省电状态，用中断请求唤醒只需6 微秒。它还具有丰富的外围器件。其16位定时器T imerA具有4种工作模式，可同时进行多个捕获/比较功能； 48个可独立编程的I /O 口； 2 个串行通信接口微秒ART0与微秒ART1; FLASH 存储器多达60KB, 擦写次数可达10万次。该款芯片的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合工业监控领域。
2. 3 语音报警模块
对于温度的超限情况进行报警，系统采用语音报警方式。语音报警由ISD1420 芯片控制，它具有分段录放功能，每次录放时间为20S。预先录制好的温度语音，由MSP430单片机判断被测温度，当测量值高出或低于标准值时放出各自相应的录音，从而实现温度的报警功能。
2. 4 温度显示模块
液晶显示模块HTM 1602A 是基于S6A0069 芯片构建的2行l6列字符型的LCD 液晶显示模块，其字符显示的分辨率是5 ×8 （即每个字符是由一个5× 8的点矩阵构成）。基于S6A0069所编写的控制程序亦可以很方便地应用于其它大部分字符型液晶显示模块。因此选用HTM 1602A 模块显示系统的测温结果。
2. 5 数据存储模块
系统采用CAT24WC64 作为存储芯片。
CAT24WC64是一个64k位串行CMOS EEPROM, 内部含有8192个8位字节，具有一个32 字节写缓冲器，该器件通过I2C 总线接口进行操作，有专门的写保护功能。测温系统采用CAT24WC64用来集中记录单总线上所有温度传感器的注册信息，即按地址顺序存放DS18B20 的64位光刻ROM 序列码。每个序列码占用8字节空间，系统管理程序会以8字节为基数计算传感器注册码的地址序号，并反馈给用户作为传感器的标识号。

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2. 6 串口通信接口电路设计
将MSP430F149单片机采集的温度数据传输到上位机，利用MSP430 单片机的通讯接口连接到RS232串行口接收或发送数据和指令，但是单片机的TTL电平和RS232不兼容，因此使用MAX232进行电平转换，其接口电路图如图3所示。

图3 MSP430F149与PC机的串行接口电路
MSP430 有两组通讯接口， UTXD0、URXD0 和UTXD1、URXD1, 这里用的是第一组。MSP430F149单片机3. 3V 的信号由UTXD0出来输入到MAX232的T1 IN 脚，转换成±15V的信号由T1OUT 送到通讯标准接头的2脚（ RXD） , ±15V 的信号由通讯标准接头的3脚（ TXD ）出来输入到MAX232 的R1 IN脚，转换成±15V 的信号由R10UT 送到单片机的URXDO。

3 温度检测系统软件设计
MSP430系列是一种具有集成度高、功能丰富、功耗低等技术特点的16位单片机，它采用c语言完成程序设计，大大提高了开发调试的工作效率；同时用c语言所产生的文档资料也容易理解，便于移植。
3. 1 下位机编程
系统程序设计包括主程序，复位子程序，报警和分辨率设置子程序，温度转换子程序，读温度子程序，计算温度和显示温度子程序等等。MSP430F149对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM 操作命令，最后才能对存储器RAM 操作。程序流程图如图4 所示。下面就简要介绍MSP430系列单片机C 语言的几个主要子程序。

图4 程序流程图
3. 1. 1 复位子程序
该程序的主要功能是负责DS18B20的复位，以方便进行以后的操作。复位要求主CPU 将数据线下拉500微秒，然后释放， DS18B20收到信号后等待16~ 60微秒左右，后发出60 ~ 240微秒的存在低脉冲，主CPU 收到此信号表示复位成功。
bit ResetDS18B20（）
{ unsigned char ;i
bit flag;
DS18B20= 0:
for（ i= 0; i< 200; i+ + ） ; / /保持低电平500微秒
DS18B20= 1:
for（ i= O; i< 30; i+ + ） ; / /等60微秒
flag= DS18B20; / /取DS18B20状态
for（ i= 0; i< 100; i+ + ） ; / /等300微秒
return flag; / / flag= 0复位成功， flag= 1, 复位不成功
}

3. 1. 2 写一个字节子程序：
CPU 将数据线从高电平拉至低电平，产生写起始信号； 15 微秒之内，将所写的位送到数据线上；DS18B20在之后15~ 60微秒接收位信息；写下一个位之前要有1秒以上的高电平恢复；将以上过程重复8次，即完成一个字节的写操作。
vo idWRDS18B20（ unsigned char data0）
{ unsigned char ,i ;j
for（ j= 0; j< 8; j+ + ）
{
DS18B20= 0; / /高电平拉到低电平，产生写起始信号
for（ i= 0; i< 1; i+ + ） ;
DS18B20 = da ta0& 0x01; / /15微秒内写一位
for（ i= 0; i< 20; i+ + ） ; / /等60微秒， DS18B20完成采样
DS18B20= 1; / /高电平恢复
data0= data0> > 1; / /右移，为下一位准备}
}
3. 1. 3 读一个字节子程序
CPU 将数据线从高电平拉到低电平1微秒以上，再拉到高电平，产生读起始信号； 15微秒之内，CPU 读一位；读周期为60微秒，读下一个位之前要有1微秒以上的高电平恢复；将以上过程重复8次，即完成一个字节的读操作。
unsigned charRDDS18B20（）
{ unsigned char ,i ,j data0= 0;
bit temp;
for（ j= 0; j< 8; j+ + ）
{ DS18B20= 0; / /高电平拉到低电平1微秒以上
for（ i= 0; i< ;l i+ + ） ;
DS18B20= 1; / /再拉到高电平，产生读起始信号
for（ i= 0; i< 1; i+ + ）；
temp= DS18B20; / /15微秒之内读一位
for（ i= 0; i< 20; i+ + ）； / /等60微秒
data0= dataO > > 1; / /为下一位准备
if（ temp= = 1） data0= dataO |0x80;
else data0= data0& 0x7;f
DS18B20= 1; / /高电平恢复
for（ i= O; i< 1; i+ + ）； }
return data0; }
3. 2 上位机软件编程
系统采用MSCOMM 控件实现VC ++ 与单片机之间的数据交换，具有程序实现简便、程序模块化、工作可靠等优点，并能满足多数情况下的工控要求。
使用MSCOMM控件主要是通过事件来处理串行口的交互。控件的MSCOMM 事件负责捕获或处理这些通讯事件和通讯错误。
4 结束语
测温系统采用了集成度高、功耗低的MSP430F149 为核心微处理器，通过传感器DS18B20实现对温度测量，并进行存储和显示。实验表明：当外界温度试验的范围设定在0℃ ~ 50℃ ,可确保测量误差不超过±0. 5℃ , 在试验板上显示温度精确到0. 0625℃, AD转换的时间是750ms, 传输的距离是40m。另外，在该系统的基础上也可以扩展其他信号，如湿度，压力等。