1、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 I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
2、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II毕 业 设 计 （
3、 论 文 ） 外 文 摘 要Title： The Design and Production of Environmental Parameter Monitor Based on MSP430 Abstract：Parameters such as temperature, humidity and illuminance are indispensable to the calibration environment, which has important significance for accurate measurement. The aim of this thesis is t
4、o design an environmental parameter monitor, which controlled by an ultra-low power MSP430F5438A for indoor and outdoor living environment. The detailed design of hardware and software module including subsystem module in the environmental parameter monitor is proposed in this thesis. The correspond
5、ing sensor chip is used to detect and collect the environmental parameter such as temperature, humidity, illuminance, the infrared radiation intensity and combustible gas concentration. The MSP430F5438A analyzes and processed the data which collected by sensor chips, and realized the real-time displ
6、ay and monitoring for parameters on LCD terminal. The thesis proceeds debugging on single module likes temperature sensor module, single bus humidity sensor module, illuminance sensor module, gas sensor module, pyroelectric infrared module and buttons and LCD module, respectively. On the basis of th
7、at, after debugging and test on the function and power for the integrated subroutine modules, the design and production of the whole monitoring system and instrument is completed.IIITest results given show that the environmental parameter monitor has several advantages, such as small volume, portabl
8、e, low power consumption, high reliability, maintenance-free, low cost and so on. It has a great application prospect in the field of indoor and outdoor environmental parameters monitoring.Key words: MSP430, Environmental Parameter Monitor, Sensor, LCD DisplayIV目 录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 论文的主要内容 .22 数
9、据监测系统的总体设计方案 .32.1 系统总体框图设计 .32.2 单片机选型 .32.2.1 MSP430 单片机概述 .32.2.2 MSP430F5438A 介绍 .42.3 传感器的选型 .53 系统硬件设计 .73.1 主控芯片模块 .73.1.1 单片机最小系统模块 .73.1.2 系统电源模块 .83.2 子系统模块 .83.2.1 光强采集模块 .83.2.2 温度采集模块 .103.2.3 湿度采集模块 .113.2.4 气敏传感器监测模块 .123.2.5 红外采集模块 .133.2.6 液晶显示和键盘模块 .153.3 硬件电路板的焊接与制作 .173.3.1 系统硬件电
10、路原理图 .173.3.2 系统硬件电路 PCB 图 .184 系统软件设计 .204.1 软件开发环境及编程思想简介 .204.2 系统主程序设计 .204.3 系统子程序设计 .214.3.1 按键设置程序 .214.3.2 数据监测程序 .224.3.3 主控芯片 MSP430F5438A 时钟设定程序 .234.3.4 DHT11 单总线数据读取程序 .244.3.5 片内 ADC 程序 .264.3.6 模拟 I2C 通信协议 .275 监测系统调试分析 .325.1 人机操作界面测试分析 .32V5.2 光强模块测试分析 .335.3 温度模块测试分析 .345.4 湿度模块测试分
11、析 .345.5 气敏传感器监测模块测试分析 .355.6 红外监控模块测试分析 .365.7 整机装配与调试 .375.7.1 整机装配调试 .375.7.2 功耗测试 .38总结 .38致 谢 .39参考文献 .40附录 A 系统原理图 .41附录 B 系统 PCB 图 .42附录 C 控制程序源代码 .4311 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
12、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。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150lux300lux ，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
13、就必须对温度、湿度、光照度参数进行监测。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。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
14、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。21.2 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。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。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
15、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。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。最后，
16、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。32 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 MSP430 5438A 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
17、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：MSP430F5438A单片机湿度检测光强检测红外检测温度检测液晶显示可燃气体检测键盘电源图 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： IAR Embedded Workbench 及调试器 C-SPY。利用该软件可直接将程序通过单片机
18、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。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。2.2 单片机选型2.2.1 MSP430 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
