基于MSP430單片機(jī)的智能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 論述了一種以16 位單片機(jī)MSP430F149 為控制核心， 利用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度測量的智能溫度檢測系統(tǒng)。詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)， 給出了關(guān)鍵部分的電路圖及相應(yīng)的MSP430F149單片機(jī)溫度測量程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該智能溫度檢測系統(tǒng)具有低成本、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)， 可根據(jù)不同需要應(yīng)用于多種工農(nóng)業(yè)溫度檢測領(lǐng)域。

1 引言

隨著設(shè)備的電氣化和自動(dòng)化程度不斷提高， 對設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。傳統(tǒng)的測溫器件熱敏電阻測出的一般是電壓， 需要再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度， 這就要有其它外部硬件的支持。因此硬件電路比較復(fù)雜， 設(shè)計(jì)成本也比較高。智能溫度檢測系統(tǒng)采用的是一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20, 數(shù)字溫度傳感器通過單總線與單片機(jī)連接， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 抗干擾能力強(qiáng)， 適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量， 也可應(yīng)用于倉庫測溫、高層空調(diào)控制和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。

2 溫度檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該溫度檢測系統(tǒng)由主控制器MSP430F149、存儲模塊CAT24WC64、液晶顯示模塊HTM1602A、語音報(bào)警模塊ISD1420、矩陣鍵盤和單總線接若干溫度傳感器DS18B20組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。由圖可見， 多點(diǎn)溫度測量電路只占用了MSP430F149 的一個(gè)普通IO口， 系統(tǒng)資源利用率較高。

圖1 系統(tǒng)硬件總體電路圖

2. 1 DS18B20

2. 1. 1 DS l8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示， 主要由四部分組成： 光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH 和TL 配置寄存器。DS18B20 可以有多種封裝形式， 在TO - 92封裝中， 如圖2 （ a ）所示， GND 為接地引腳， DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，VDD為可選的外部電源供電引腳， 在寄生電源工作方式下接地。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的， 它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM 的排列是： 開始8位（ 28H ）是產(chǎn)品類型標(biāo)號， 接著的48 位是該DS18B20自身的序列號， 最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

光刻ROM 的作用是使每一個(gè)DS18B20 都各不相同， 這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

圖2 DS18B20整體結(jié)構(gòu)圖

2. 1. 2 DS18B20的工作過程

訪問DS18B20的工作順序通常為： 初始化， 發(fā)送ROM 操作命令， 發(fā)送RAM 操作命令。通過初始化復(fù)位工作使主設(shè)備知道傳感器DS18B20存在并準(zhǔn)備工作。通過發(fā)送ROM 命令可以知道某個(gè)特定的DS18B20是否存在并且是否超過溫度警界值。

共有5種ROM操作命令， 分別是讀ROM （ 33H ）、匹配ROM （ 55H ）、搜索ROM （ FOH ）、跳過ROM（ CCH）、告警搜索命令（ ECH ）。通過發(fā)送RAM 操作命令， 可以設(shè)定電源供電方式， 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)化， 讀寫DS18B20的暫存區(qū)。共有6種功能命令， 分別是轉(zhuǎn)換溫度（ 44H ）、讀暫存區(qū)（ BEH ）、寫暫存區(qū)（ 4EH ）、復(fù)制暫存區(qū)（ 48H ）、重調(diào)EEPROM （ B8H ）、讀電源供電方式（ B4H ）。每條命令有不同代碼， 在總線上傳送時(shí)， 由器件根據(jù)接收的命令代碼完成相應(yīng)的操作。因此DS18B20的單線通信功能是分時(shí)完成的， 它有嚴(yán)格的時(shí)序要求。

2. 2 MSP430F149

本設(shè)計(jì)的主控芯片采用美國德州儀器公司的16位帶FLASH 單片機(jī)MSP430F149。它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其工作電壓為1. 8V ~ 3. 6V; CPU 運(yùn)行正交的精簡指令集。片內(nèi)寄存器數(shù)量多。存儲器可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算。

MSP430F149中斷源較多并可任意嵌套， 系統(tǒng)處于省電狀態(tài)， 用中斷請求喚醒只需6 微秒。它還具有豐富的外圍器件。其16位定時(shí)器T imerA具有4種工作模式， 可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)捕獲/比較功能； 48個(gè)可獨(dú)立編程的I /O 口； 2 個(gè)串行通信接口微秒ART0與微秒ART1; FLASH 存儲器多達(dá)60KB, 擦寫次數(shù)可達(dá)10萬次。該款芯片的超低功耗和良好的性能價(jià)格比使其非常適合工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域。

2. 3 語音報(bào)警模塊

對于溫度的超限情況進(jìn)行報(bào)警， 系統(tǒng)采用語音報(bào)警方式。語音報(bào)警由ISD1420 芯片控制， 它具有分段錄放功能， 每次錄放時(shí)間為20S。預(yù)先錄制好的溫度語音， 由MSP430單片機(jī)判斷被測溫度， 當(dāng)測量值高出或低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)放出各自相應(yīng)的錄音， 從而實(shí)現(xiàn)溫度的報(bào)警功能。

2. 4 溫度顯示模塊

液晶顯示模塊HTM 1602A 是基于S6A0069 芯片構(gòu)建的2行l(wèi)6列字符型的LCD 液晶顯示模塊， 其字符顯示的分辨率是5 ×8 （即每個(gè)字符是由一個(gè)5× 8的點(diǎn)矩陣構(gòu)成）?；赟6A0069所編寫的控制程序亦可以很方便地應(yīng)用于其它大部分字符型液晶顯示模塊。因此選用HTM 1602A 模塊顯示系統(tǒng)的測溫結(jié)果。

2. 5 數(shù)據(jù)存儲模塊

系統(tǒng)采用CAT24WC64 作為存儲芯片。

CAT24WC64是一個(gè)64k位串行CMOS EEPROM, 內(nèi)部含有8192個(gè)8位字節(jié)， 具有一個(gè)32 字節(jié)寫緩沖器， 該器件通過I2C 總線接口進(jìn)行操作， 有專門的寫保護(hù)功能。測溫系統(tǒng)采用CAT24WC64用來集中記錄單總線上所有溫度傳感器的注冊信息， 即按地址順序存放DS18B20 的64位光刻ROM 序列碼。每個(gè)序列碼占用8字節(jié)空間， 系統(tǒng)管理程序會以8字節(jié)為基數(shù)計(jì)算傳感器注冊碼的地址序號， 并反饋給用戶作為傳感器的標(biāo)識號。

2. 6 串口通信接口電路設(shè)計(jì)

將MSP430F149單片機(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)， 利用MSP430 單片機(jī)的通訊接口連接到RS232串行口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令， 但是單片機(jī)的TTL電平和RS232不兼容， 因此使用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換， 其接口電路圖如圖3所示。

圖3 MSP430F149與PC機(jī)的串行接口電路

MSP430 有兩組通訊接口， UTXD0、URXD0 和UTXD1、URXD1, 這里用的是第一組。MSP430F149單片機(jī)3. 3V 的信號由UTXD0出來輸入到MAX232的T1 IN 腳， 轉(zhuǎn)換成±15V的信號由T1OUT 送到通訊標(biāo)準(zhǔn)接頭的2腳（ RXD） , ±15V 的信號由通訊標(biāo)準(zhǔn)接頭的3腳（ TXD ）出來輸入到MAX232 的R1 IN腳， 轉(zhuǎn)換成±15V 的信號由R10UT 送到單片機(jī)的URXDO。

3 溫度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MSP430系列是一種具有集成度高、功能豐富、功耗低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)， 它采用c語言完成程序設(shè)計(jì)， 大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率； 同時(shí)用c語言所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解， 便于移植。

3. 1 下位機(jī)編程

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括主程序， 復(fù)位子程序， 報(bào)警和分辨率設(shè)置子程序， 溫度轉(zhuǎn)換子程序， 讀溫度子程序， 計(jì)算溫度和顯示溫度子程序等等。MSP430F149對DS18B20的訪問流程是： 先對DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM 操作命令， 最后才能對存儲器RAM 操作。程序流程圖如圖4 所示。下面就簡要介紹MSP430系列單片機(jī)C 語言的幾個(gè)主要子程序。

圖4 程序流程圖

3. 1. 1 復(fù)位子程序

該程序的主要功能是負(fù)責(zé)DS18B20的復(fù)位， 以方便進(jìn)行以后的操作。復(fù)位要求主CPU 將數(shù)據(jù)線下拉500微秒， 然后釋放， DS18B20收到信號后等待16~ 60微秒左右， 后發(fā)出60 ~ 240微秒的存在低脈沖， 主CPU 收到此信號表示復(fù)位成功。

bit ResetDS18B20（ ）

{ unsigned char ;i

bit flag;

DS18B20= 0:

for（ i= 0; i< 200; i+ + ） ; / /保持低電平500微秒

DS18B20= 1:

for（ i= O; i< 30; i+ + ） ; / /等60微秒

flag= DS18B20; / /取DS18B20狀態(tài)

for（ i= 0; i< 100; i+ + ） ; / /等300微秒

return flag; / / flag= 0復(fù)位成功， flag= 1, 復(fù)位不成功

}

3. 1. 2 寫一個(gè)字節(jié)子程序：

CPU 將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平， 產(chǎn)生寫起始信號； 15 微秒之內(nèi)， 將所寫的位送到數(shù)據(jù)線上；DS18B20在之后15~ 60微秒接收位信息； 寫下一個(gè)位之前要有1秒以上的高電平恢復(fù)； 將以上過程重復(fù)8次， 即完成一個(gè)字節(jié)的寫操作。

vo idWRDS18B20（ unsigned char data0）

{ unsigned char ,i ;j

for（ j= 0; j< 8; j+ + ）

{

DS18B20= 0; / /高電平拉到低電平， 產(chǎn)生寫起始信號

for（ i= 0; i< 1; i+ + ） ;

DS18B20 = da ta0& 0x01; / /15微秒內(nèi)寫一位

for（ i= 0; i< 20; i+ + ） ; / /等60微秒， DS18B20完成采樣

DS18B20= 1; / /高電平恢復(fù)

data0= data0> > 1; / /右移， 為下一位準(zhǔn)備}

}

3. 1. 3 讀一個(gè)字節(jié)子程序

CPU 將數(shù)據(jù)線從高電平拉到低電平1微秒以上， 再拉到高電平， 產(chǎn)生讀起始信號； 15微秒之內(nèi)，CPU 讀一位； 讀周期為60微秒， 讀下一個(gè)位之前要有1微秒以上的高電平恢復(fù)； 將以上過程重復(fù)8次，即完成一個(gè)字節(jié)的讀操作。

unsigned charRDDS18B20（ ）

{ unsigned char ,i ,j data0= 0;

bit temp;

for（ j= 0; j< 8; j+ + ）

{ DS18B20= 0; / /高電平拉到低電平1微秒以上

for（ i= 0; i< ;l i+ + ） ;

DS18B20= 1; / /再拉到高電平， 產(chǎn)生讀起始信號

for（ i= 0; i< 1; i+ + ）；

temp= DS18B20; / /15微秒之內(nèi)讀一位

for（ i= 0; i< 20; i+ + ）； / /等60微秒

data0= dataO > > 1; / /為下一位準(zhǔn)備

if（ temp= = 1） data0= dataO |0x80;

else data0= data0& 0x7;f

DS18B20= 1; / /高電平恢復(fù)

for（ i= O; i< 1; i+ + ）； }

return data0; }

3. 2 上位機(jī)軟件編程

系統(tǒng)采用MSCOMM 控件實(shí)現(xiàn)VC ++ 與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換， 具有程序?qū)崿F(xiàn)簡便、程序模塊化、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)， 并能滿足多數(shù)情況下的工控要求。

使用MSCOMM控件主要是通過事件來處理串行口的交互。控件的MSCOMM 事件負(fù)責(zé)捕獲或處理這些通訊事件和通訊錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語

測溫系統(tǒng)采用了集成度高、功耗低的MSP430F149 為核心微處理器， 通過傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)對溫度測量， 并進(jìn)行存儲和顯示。實(shí)驗(yàn)表明： 當(dāng)外界溫度試驗(yàn)的范圍設(shè)定在0℃ ~ 50℃ ,可確保測量誤差不超過±0. 5℃ , 在試驗(yàn)板上顯示溫度精確到0. 0625℃, AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間是750ms, 傳輸?shù)木嚯x是40m。另外， 在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上也可以擴(kuò)展其他信號， 如濕度， 壓力等。