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基于MSP430单片机的仓库多点温度监测系统的设计

摘要
本课题主要介绍了基于MSP430单片机的仓库多点温度监测系统的设计，它对于在实际生产中，为了防止局部的温度过高或过低，需要对某个空间多个点的温度进展监测有着重要的应用价值。该系统主要由MSP430单片机主控电路、多点温度监测电路、报警电路以及键盘显示电路组成。在该系统中，利用多个DS18B20数字温度传感器对多点的温度进展数据采集，通过MSP430单片机部的A/D模块进展模数转换，并利用LCD12864液晶显示器来显示所采集的结果，可通过键盘模块设置相应温度的阈值，当实时温度超过阈值时，能通过报警模块的蜂鸣器进展报警以提示用户。同时扩展了串口，能将实时温度数据通过串口上传到上位机，由上位机进展数据处理。
关键字：DS18B20；MSP430单片机；LCD12864液晶显示器

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目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论2
1.1课题研究的背景2
1.2 国外研究现状2
1.3 课题研究的容3
第2章系统方案设计及论证4
2.1 传感器局部4
2.2主控制局部5
2.3 系统电路设计总框图5
第3章硬件电路设计6
3.1 电源以及看门狗电路6
3.2 键盘以及显示电路7
3.3温度测试电路8
3.4 报警电路12
3.5 串口通讯电路13
第4章软件设计14
4.1 概述14
4.2 主程序方案14
第5章系统实物调试19
5.1 分步调试19
5.2统一调试19
第6章结论23
参考文献24
附录A：系统电路图25
附录B：源代码26
致47
第1章 绪论
1.1课题研究的背景
在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。
目前，在实际生产中，为了防止局部的温度过高或过低，需要对某个空间多个点的温度进展监测，如温室大棚、粮仓等，以便采取相应的措施。为了改善监测人员的工作条件，监测人员一般需要远离监测对象。因此。多点温度远程监测在实际生产中具有重要的应用价值。温度测量的方法有多种，目前典型的温度测量系统是由模拟式温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。但是，由于模拟式温度传感器输出的为模拟信号，必须经过A/D转换才能与单片机等微处理器接口，并且每个测温点都要占用一个I/O口，这种系统的远距离传输使得系统非常复杂，本钱较高。此外，模拟传感器的信号在传输中易受干扰，降低了系统监测的精度和稳定性。
采用TI公司的16位单片机MSP430g2553作为主控制器，采用美国DALLS公司的可编程单总线数字温度传感器DS18B20采集仓库中的多点温度信号，实现了温度检测和远距离传输，较好的解决了上面所出现的问题[1]。
1.2 国外研究现状
国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进展指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术开展很快，一些国家在实现自动化的根底上正向着完全自动化、无人化的方向开展。
我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收兴旺国家温度测控技术的根底上，才掌握了温度室微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和开展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与兴旺国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有到达工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
1.3 课题研究的容
本设计运用主从分布式思想，由一台上位机〔PC微型计算机〕，下位机〔单片机〕多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232串行通讯标准，通过上位机〔PC〕控制下位机〔单片机〕进展现场温度采集。温度值既可以送回主控PC进展数据处理，由显示器显示，也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，便于对各点的温度进展监测和控制。
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统[3]。DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进展现场温度测量。本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。所以本课题的研究主要是针对粮食仓储系统或者其他仓库系统的温度进展实时监测，以便于及时控制其里面的温度，预防一些意外事情的发生，例如火灾类似灾难性事情的发生。
第2章 系统方案设计及论证
温度检测系统有那么共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。假设采用一般温度传感器采集温度信号，那么需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两局部：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首[13]。
2.1 传感器局部
方案一：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中，采用单片温度传感器，比方AD590，LM35等[4]。但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的构造较复杂。另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进展多点测量。即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进展AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器MSP430单片机构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的构造就比拟简单，体积也不大，且由于MSP430单片机可以带多个DSB1820，因此可以非常容易实现多点测量，轻松的组建传感器网络[5]。
采用温度芯片DS18B20测量温度，可以表达系统芯片化这个趋势。局部功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地防止外界的干扰，提高测量电路的准确度。所以集成芯片的使用将成为电路开展的一种趋势。所以传感器局部采用DS18B20这一数字温度传感器芯片，也是顺应这一趋势[6]。
综上所述，该系统的传感器局部采用数字温度传感器芯片DS18B20 测量温度是较为理想，且系统电路的设计不是很复杂，易于实现。
2.2主控制局部
方案一：此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比拟恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦。
方案二：此方案采用MSP430十六位单片机实现，采用了精简指令集〔RISC〕构造，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〕、简洁的 27 条核指令以及大量的模拟指令；大量的存放器以及片数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。由于其还有运算速度快，超低功耗，片资源丰富，拥有高效的开发环境，给工程带来了很大的方便。
综上所述，采用MSP430十六位单片机来实现主控制局部是比拟理想的。
2.3 系统电路设计总框图
系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是RS-232串行通讯的标准，通过下位机〔单片机〕进展现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进展数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，本钱低的特点。实际采用的系统电路方案如下列图2.1所示。

图2.1 系统设计总框图
第3章 硬件电路设计
系统底层电路的功能主要包括：多点温度测试及其相关处理，实时显示温度信息，与上位机通讯传输温度数据。硬件设计主要包括以下几个模块：电源以及看门狗电路， 键盘以及显示电路，温度测试电路，串口通讯电路。下面对电路分模块进展详细说明。
3.1 电源以及看门狗电路
3.1.1电源电路
因为单片机工作电源为+5V，且底层电路功耗很小。采用7805三端稳压片即可满足要求。具体电路图如图3.1所示。

图3.1 电源电路
3.1.2看门狗电路
考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣，单片时机受到周围环境的干扰，而出现程序跑飞，死机等一些不可预知的不正常工作现象。工作人员也不可能到现场对单片机重起，本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。定时查询单片机的工作状态，一但发现异常即对单片机延时重起。保证系统平安可靠的运行。
NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号，其门限电平为4.2V 。在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限电平时。NE56604将产生准确的复位信号。NE56604置一个看门狗定时器，用于监控微处理器，以确保微处理器的正常运行。看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理器故障而引发的不正常的系统操。NE56604的看门狗的监控周期为100mS〔典型值〕[2]。
特性：
1、正负双逻辑输出的有效复位信号。
2、精准的门限电平监测。
3、上电复位部延时。
第4章软件设计
4.1 概述
整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件根本定型后，软件的功能也就根本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件〔主程序〕，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件〔子程序〕，它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进展功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。
首先要根据系统的总体功能和键盘设置选择一种最适宜的监控程序构造，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。
4.2 主程序方案
主程序调用了5个子程序，分别是LCD12864显示子程序、键盘扫描以及按键处理子程序、温度采样子程序、中断控制子程序、单片机与PC机串口通讯程序[19]。
键盘扫描电路及按键处理子程序：实现键盘的输入按键的识别及相关处理。
温度采样子程序：对温度芯片送过来的数据进展处理，进展采样判断及显示。
LCD12864液晶显示程序：向液晶显示器的显示送数，控制系统的显示局部。
中断控制程序：实现循环显示功能以及报警功能。
串口通讯程序：实现PC机与单片机通讯，将温度数据传送给PC机。
将各个功能程序以子程序的形式写好，当写主程序的时候，只需要调用子程序，然后在存放器的分配上作一下调整，消除存放器冲突和I/O冲突即可。程序应该尽可能多的使用调用指令代替跳转指令。因为跳转指令使得程序难以看懂各程序段之间的构造关系。而调用指令那么不同，调用指令使得程序构造清晰，无论是修改还是维护都比拟方便。将功能程序段写成子程序的形式，除了方便调用之外，还有一个好处那就是以后写程序的时候如果要用到，就可以直接调用这个单元功能模块[17]。
主程序流程图如图4.1所示。

图4.1 主程序流程图
第5章系统实物调试
5.1 分步调试
1、测试环境及工具
测试温度：0~100摄氏度。〔模拟多点不同温度值环境〕
测试仪器及软件：数字万用表，温度计0~100摄氏度，串口调试助手。
测试方法：目测。
2、测试方法
插上电源后使系统实物运行，观察系统实物硬件检测是否正常〔包括单片机最小系统，键盘电路，显示电路，温度测试电路、报警电路等〕。系统实物自带测试表格数据，观察显示数据是否相符合即可。
采用温度传感器和温度计同时测量多点空气温度变化情况〔取温度值不同的多点〕，目测显示电路是否正常。并记录各点温度值，与实际温度值比拟，得出系统的温度指标。
使用串口调试助手与单片机通讯，观察单片机与串口之间传输数据正确否。
3、测试结果分析
自检正常，各点温度显示正常，串口传输数据正确。
报警电路在其超过设定的温度阈值时，其报警正常。
因为芯片是塑料封装，所以对温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间才能到达稳定。

第6章 结论
本系统由高性能的MSP430单片机和高精度的数字温度传感器DS18B20构成，3个DS18B20通过单总线与单片机连接，实现了150 m围的温度监测，硬件电路构造简单，本钱低.经过实际测试,该系统工作稳定，温度测量准确度高，抗干扰能力强，可广泛使用于各种需要进展温度监测的场所。本系统还预留了串行通信接口，根据实际需要可与上位机进展通信，以便于将采集到的数据进展存储观察和处理。
至此本人设计根本完成了预期的目标，系统在硬件自动测试，键盘操作，实时显示方面做的比拟好。但是由于时间仓促、条件有限，设计成果并不是很完美，还存在下面问题：串口通讯不稳定，未对温度数值统计处理以及存储。我准备在今后的工作过程中进一步完善此设计。
对我个人而言，知识上的收获重要，但能力上的提高上更为可喜。在这里我要特别感我的指导教师教师的热心指导。在教师的启发下，使我自己少走弯路，使自己才能顺利的完成此次毕业设计。在我以后的工作中，我一定更加努力的学习，充分发挥自己的优势和特长。

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参考文献
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[4]曲喜贵.电子元件材料手册[M].:电子工业,1989.
[5]黄贤武.传感器实际应用电路设计[M]. :电子科技大学.
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[9]振国. DS1820 及高精度温度测量的实现 [J] .电子技术应用,2000 .
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[19]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].:清华大学,2002.
[20]更祥.单总线数字式智能型温度传感器在测控领域中的应用[J].计算机自动测量与控制,1999.
附录A：系统电路图

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附录B：源代码
#include "LCD12864.h"
#include "DS18B20.h"
#include "key.h"
#include "HC595.h"

#define UPP_LIMIT 0x01
#define DOWN_LIMIT 0x02

unsigned char KeyValue;
unsigned int TempDat;
volatile unsigned char alertArr[] = {0,4,0,0,2,0};
unsigned char dis2[] = "0123456789ABCDEF"; //用于12864显示对应的SN码
unsigned char cTable[]={0x1a,0x2a,0x4a,0x8a};
volatile unsigned int TempValue ; //温度值*100
unsigned char tCount = 0,funFlag = 0;
void GUI_Display(void);
void TimerA_Init(void);
void DS18B20_TemperatureUpdate(unsigned charum);
void KeyDeel(unsigned char KeyDeelValue);
void AlertDeel(void);
void Display_DS18B20Num(void);

void main(void)
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
P2SEL &= ~BIT7;
P2SEL2 &= ~BIT7;
P2DIR |= BIT7;
P2SEL &= ~BIT4;
P2SEL2 &= ~BIT4;
P2DIR |= BIT4;
LCD12864_Init();
HC595_Init();
KeyInit();
GUI_Display();
TimerA_Init();
_EINT();

/*/测试器件序列号
LCD12864_Pos(3,0);
LCD12864_Write_String("序列号：");
Display_DS18B20Num();
//测试器件序列号 */
致
本设计能够顺利的完成得到了院系领导教师的大力支持和帮助，尤其是我的指导教师伟春教师的帮助，在百忙之中抽出珍贵的休息时间，耐心仔细为我为我指导。在整个设计过程中，教师一并帮我分析遇到的种种困难，一直支持，并鼓励我要有解决问题的信心。并且教师屡次细心的询问我的研究进程，并为我不断的指点迷津，为我不断优化我的方案设计，热心的帮助我开拓思路，精心点拨，给我最大的鼓励。教师的一丝不苟的作风，严谨的态度，踏踏实实的精神，深深的感动和鼓舞着我。我真的由心感教师给予我的点滴帮助，我在这里从心底上对您说声，您了。在课题开发的同时，和同学们之间的相互探讨也使我获益匪浅。在此，对他们表示由衷的感！
现在即将辞别我生活四年的大学母校，我真的很舍不得，但我对于自己未来的路充满了信心，我一定要努力勤奋去实现自己的梦想。最后，我在这里感所有在我大学四年期间给予我帮助的人，有你们的伴随使我的大学生活更加丰富多彩，绚丽多姿！感你们，你们了！

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