1、毕业设计说明书基于 MSP430 的温度采集系统学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2013 年 6 月中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文摘 要温度控制仪表具有广泛的应用前景，在各种行业中都占有重要的位置，越来越多的领域应用到以单片机为控制核心，用液晶显示作为显示终端的数字化控制设备，通过单片机对被控对象进行智能控制。本设计是从降低开发成本、扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性的设计目的出发，采用 MSP430F149 单片机为控制核心、以单线数字温度传感器DS18B20 来完成温度信号的采集、温度以数宇的方式显示在 LCD1602 液晶上，最终实现温度的采集、显示
2、。并重点阐述了系统的硬件构成和软件编程的设计过程。其中硬件构成有六部分:电源及复位模块、采集模块、报警模块、键盘输入模块和显示模块。MSP430F149 是一种 16 位内含 FLASH 型芯片的单片机，具有高速运算、开发设备简便、可现场编程等特点，这给控制系统的设计带来了极大的便利性。关键词:MSP430F149；温度控制；DS18B2O；LCD1602中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文AbstractTemperature control the appearance prospect, in various industries will occupy an important
3、 position, more and more fields to a monolithic integrated circuits to control the use led as a display terminal equipment by some monolithic integrated circuits to control the object is intelligent control.The design is to reduce costs, expand the development of the scope and the system running sta
4、bility, reliability, designed by MSP430F149 monolithic integrated circuits to control the temperature sensor and figures DS18B20 to complete the temperature of the collection, the temperature in the number of ways in led display LED1602, achieve the temperature of the collection and display and poli
5、ce. The minimum temperature values based on actual requirements, the keyboard for set, for automatic temperature control and other function, and the hardware and software system of the programming process the design of hardware to constitute a part of six modules, power and resets the collected, key
6、board, the module display module and.MSP430F149 is a 16-bit flash chips including the type of operation of a monolithic integrated circuits, the development of device easy, but the characteristics and programming for the control system design a great convenience.Key words: MSP430F149；temperature con
7、trol；DS18B20；LCD160中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文第 I 页 共 II 页目 录1 绪论.11.1 MSP430 单片机概述 .11.2 MSP430 的特点 .21.3 课题研究的主要内容.31.3.1 研究内容.31.3.2 论文安排.42 系统总方案设计.52.1 控制系统的原理图.52.2 温度测量原理.52.3 MSP430F149 单片机.62.3.1 MSP430F149 的组成.62.3.2 MSP430F149 的特点.62.3.3 MSP430F149 的定时器及转换模块.72.4 单线数字温度传感器 DS18B20.82.4.1 DS18B
8、20 的技术性能.82.4.2 DS18B20 的应用范围.82.4.3 DS18B20 产品型号与规格.92.4.4 DS18B20 使用中注意事项.92.4.5 温度传感器 DS18B20 内部结构.92.5 数据采集系统.123 硬件部分.133.1 硬件电路图.133.2 电源及复位模块.143.3 键盘输入模块.153.4 报警模块.163.4.1 功率放大器 LM386.16中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文第 II 页 共 II 页3.4.2 LM386 内部原理.173.5 显示模块.193.5.1 LCD1602 基本参数及引脚功能.204 软件部分.254.1 最
9、小系统设计.254.2 采集模块.264.3 键盘输入模块.274.4 显示模块.274.5 报警模块.275 总结.28附录 A 系统原理图.29附录 B 系统主程序.30参考文献.39致 谢.40中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文第 1 页 共 40 页1 绪论本章简要介绍单片机技术在工业上的主要应用，MSP430 单片机的概述及特点，以及课题研究的主要内容及论文安排。1.1 MSP430 单片机概述MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor） 。称之为混合信号处理器
10、，主要是其针对实际应用需求，把许多模拟电路，数字电路和微处理器集成在一个芯片上。德州仪器 1996 年到 2000 年初，先后推出了 31X、32X、33X 等几个系列，这些系列具有 LCD 驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有 ROM 型（C） 、OTP 型（P） 、和 EPROM 型（E）等芯片。EPROM 型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用 EPROM 型开发样机；用 OTP 型进行小批量生产；而ROM 型适应大批量生产的产品。2000 年推出了 11X/11X1 系列。这个系列采用 20 脚封装，内存容量、片上功
11、能和 I/O 引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的 MSP430 已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的 I/O 引脚等，只有 33x 系列才具备。33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33x 并不一定是最适合的。而片内高精度 A/D 转换器又只有 32x 系列才有。2000 年 7 月推出了 F13x/F14x 系列，在 2001 年 7 月到 2002 年又相继推出F41x、F43x、F44x。这些全部是 Flash 型单片机。F41x 系列单片机有 48 个
12、 I/O口，96 段 LCD 驱动。F43x、F44x 系列是在 13x、14x 的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动 LCD 的段数由 3xx 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址,为以后的发展拓展了空间。MSP430 系列的部分产品具有 Flash 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI 公司推出具有 Flash 型存储器及 JTAG 边界扫描技术的廉价开发工具 MSP-FET430X110，将国际上先进的 JTAG 技术和 Flash 在线编程技术引入 MSP430。这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组合
13、的开发方式，具有中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文第 2 页 共 40 页方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP LOADER 技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可达到 32 个字节的长度。TI 公司在 2002 年底和 2003 年期间又陆续推出了 F15x 和 F16x 系列的产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM
14、 容量增加到了 10KB。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12 和 SVS 等模块 1。1.2 MSP430 的特点1、处理能力强MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址，4 种目的操作数寻址） ，简介的 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以参加多种运算；还有高效的查表处理命令。这些特点保证了可以编制出高效的源程序 。2、运算速度快MSP430 系列单片机能在 25MHz 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周期 16 位的数据宽度、40ns 的指令周期以及多功
15、能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合,能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等） 。3、超低功耗MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8-3.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在 165A 左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有 0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和 FLL+）时钟系统和 DCO 数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（3276
16、8Hz） ，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且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。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文第 3 页 共 40 页（LPM0LPM4） 。在实时时钟模式下，可达 2.5A，在 RAM 保持模式下，最低可达0.1A。4、片内资源丰富MSP430 系列单片机的各系列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 A0（Timer_
17、A0） 、定时器 A1（Timer_A1） 、定时器 B0（Timer_B0） 、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10 位/12 位ADC、16 位 - ADC、DMA、I/O 端口、基本定时器（Basic Timer） 、实时时钟（RTC）和 USB 控制器等若干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
18、便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12 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 I2C 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，而采用的 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。5、方便高效的开发环境MSP430 系列有 OPT 型、FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和
19、ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的、FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。1.3 课题研究的主要内容1.3.1 研究内容本设计以实现基于 MSP430 单片机的温度测量为主要目标，主要内容有：1、MSP430 的结构及工作原理；中 北 大 学 2013
20、届 毕 业 论 文第 4 页 共 40 页2、温度测量的控制方法；3、控制系统所需的控制电路，设计控制系统；控制电路主要由 MSP430F149单片机、DS18B20 温度传感器，LCD1602.4、系统原理图、方框图和线路图等。1.3.2 论文安排1、 原理部分：第 1 章主要介绍了 MSP430 单片机的特点，结构和工作原理。2、 硬件电路部分：第 3 章详细介绍了系统的硬件电路图，MSP430 的结构图及外围电路。3、软件部分：介绍了系统的软件流程图。 中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文第 5 页 共 40 页2 系统总方案设计本章主要介绍系统的原理图以及测量原理，然后介绍本设
21、计的核心部件MSP430F149 单片机和单线数字温度传感器 DS18B20。2.1 控制系统的原理图本设计的控制系统主要包括五部分：采集模块，键盘输入模块，电源及复位模块，报警模块，显示模块，具体结构如图 2-1 所示。图 2-1 控制系统原理图2.2 温度测量原理本设计的原理是:温度采集系统主要通过单线数字温度传感器 DS18B20 采集得到温度数据，MSP430F149 作为 CPU 从温度传感器读取数据，将得到的数据进行判断然后做相应处理，比如显示或报警。温度传感器通过某种关系的换算，就可以得到温度传感器的输出电压，这样单片机通过模拟口采集得到传感器的输出电压 2。由于 MSP430F149 片内集成了 A/D 转换通道，这样可以直接将单片机的 A/D 输入通道与传感器的模拟电压输出通道相连接另外系统通过键盘输入来完成对报警温度上下限的设置，通过显示电路将得到的数据显示出来，当温度超过上限和下限的时候，系统进行报警，报警是通过驱动一个蜂鸣器来实现的。下面一部分将具体介绍系统的构成。该系统主要有传感器采集模块、键盘输入模块、电源及复位模块、报警模块及显示模块，分别有 P2.6、P1.0-P1.7、RESET、P2.5、P2.2-P2.4
