开题报告：基于MSP430单片机的温湿度测量系统设计.doc

沈阳工业大学

本科生毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）题目：基于MSP430单片机
的温湿度测量系统

院 系： 自动化系
专业班级： 自动化
学生姓名：
指导教师：

开题时间： 2014年 10 月 30 日

1. 课题的目的和意义
这次毕业设计选题的目的主要是让生活在信息时代的我们，将所学知识应用于生产生活当中，掌握温、湿度测量系统设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。通过对温、湿度测量系统的设计、制作、了解信息采集测试、控制的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成项目过程中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何巧妙合理地去设计系统中的各部分电路，并将它们有序的连接起来。提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。
温、湿度是工业对象中主要的被控参数之一，当今社会温、湿度的测量与测量系统在生产与生活的各个领域中扮演着越来越重要的角色，大到工业冶金、环境检测、纺织厂、冷冻库、粮仓、医疗卫生等方面，小到浴霸、家庭冰箱、空调、电饭煲等方面都得到了广泛的应用。例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温、湿度都要求严格控制，而单片机温、湿度测量系统使温、湿度测量指标得到了大幅度提高。其使用量日益增多，其地位和作用也倍显重要。温、湿度测量系统的广泛应用使得这方面的研究意义颇为必要。温、湿度测量系统的结构组成，测量原理使用维护等方面的基础内容已成为电子工程技术人员急需了解掌握的必要知识。
MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能产品，它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各国已得到广泛的应用，在国内，也已经进人飞速发展阶段，MSP430系列超低功耗16位单片机，越来越受到电子工程师亲睐，并得到广泛应用。MSP430微控制器MCU(MicrocontrollerUnit）是TI公司推出的一款具有丰富片上外围的超低功耗16位FLASH型混合信号处理器，本系统使用的MSP430F149有一个串口通信接口，一个带有大量捕获P比较寄存器的16位定时器看门狗，一个模拟电压比较器。工业仪器大多数工作在野外的环境中，供电方式比较麻烦，所以使仪器的功耗尽可能低是非常必要的。该系统与传统的温湿度测量器相比，选择了MSP430微控制器，它充分运用各种低功耗设计手段，使芯片的电流极小，在超低功耗时可达0.1LA。整个系统在平时处于低功耗状态，每隔5min自动从低功耗下唤醒，进行温、湿度和湿度测量，并通过温、湿度和湿度的对应关系，来确定是否启动加热器和加湿器。其中，温、湿度测量使用单线数字温、湿度传感器DS18B20，其体积小、构成的系统简单、精度高，湿度测量使用湿敏电阻CHR一01，其成本低廉。所以整个系统与传统的温湿度测量器相比，具有功耗低、性价比高、电路简单、易于实现等特点。
2. 国内、外现状及发展趋势
2.1国内现状及发展趋势
我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究。引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着许多不足之处，主要表现在：
（1） 价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。
（2） 缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。
（3） 测量方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。
我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。
2.2国外现状及发展趋势
西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能测量理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动测量和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境测量技术产生了革命性的变化。80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室测量要求的提高，以微机为核心的温室综合环境测量系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。
3. 课题的主要工作
本系统的总体设计方案如图 1 所示。本设计方案包括温湿度检测模块、参数设置模块、显示模块、报警模块和通讯模块。在温湿度检测模块中,集成温度传感器 AD590 采集得到的电流信号和湿度传感器 HM1500 采集到的电压信号转换为给定范围内的电压信号。然后由单片机MSP430F149的AD采样端口将该电压信号读入,单片机把数据处理之后通过显示器显示出来测量值,如果温湿度小于门限值或者温湿度大于门限值就给出报警信号。同时,下位机可以通过通讯将采集到的温湿度值传送给上位机进行处理、测量。
显示模块
报警模块
通讯模块
湿度传感器
信号调理电路
存储器
温度传感器

MSP430F149
参数设置模块

图1 系统总体结构框图
3.1器件选择
3.1.1下位机的选择
在该设计系统中,下位机选择MSP430F149,该型号的单片机属于 MSP430 系列,它是 TI 公司推出的功能强大的超低功耗 16位混合信号处理器。该系列单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式等特点, 被广泛应用于便携式仪表、智能传感器、实用检测仪器、电机测量等领域。为了最大限度地利用单片机端口并降低设计成本,本设计方案选择了MSP430F149,该单片机有3个并行端口,一个RS485 串行通讯口,同时内置10位AD采样器,可完全满足温湿度采样的精度要求。
3.1.2 温度传感器的选择
DS18B20是美国DALLAS公司推出的单总线数字测温芯片。它具有独特的单线接口方式，将非电模拟量温度值转换为数字信号仅需占用1位I/O端口，能够直接读取被测物体的温度值，提高了刚干扰能力和测量精度。它体积小，电压使用范围宽（3.0—5.5V），可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即从数据线上获得电源。用户还可以通过编程获得9-12位的温度读数，既具有可调的温度分辨率，因此，它的实用性和可靠性比同类产品更高。
DS18B20采用3脚TO-92封装，形如三极管，同时也有8脚的SOIC封装。测温范围为-55℃—125℃，测量精度在采用12位温度读书时，其精度可以达到0.0625℃，适合用于精密温度的测量。出厂时，每个DS18B20传感器被赋予了一个单独的ID号。
3.1.3 湿度传感器的选择
湿度传感器选择集成湿度传感器HM1500,它是利用湿敏电容HS1101 设计制造,具有线性电压输出。其湿度测量范围为5%～99%(相对湿度);相对湿度精度为3%;工作温度为-30～+60℃;工作湿度范围0～100%(相对湿度);供电电压为5V(最大电压DC16V);可输出DC电压为1～4 V;响应时间为5,适用于工业级场合。
3.2重要模块电路的设计
3.2.1 信号调理电路设计
3.2.1.1 温度测量电路设计
温度测量电路模块如图2所示。DSl8820工作电压为3～5V，测量温度范围为-55～+125℃，用户设置的报警温度存储在芯片内部EEPROM中，可掉电保持。它具有3引脚，当采用外部电源供电时，GND脚接地，VCC脚接电源，DQ脚作为信号端接单片机I/O口，电源脚和DQ脚间还需要外接一个约1k的上拉电阻，保证总线闲置时其状态为高电平。DSl8B20可以将所采集到的温度转换为数字信号，然后通过DQ传送至单片机，单片机从而启动程序存储器中的测量程序，驱动数码管显示温度值，并控制高、低温报警指示二极管的亮灭。

图2 温度检测电路
3.2.1.2 湿度测量电路设计
湿度检测电路如图3所示。集成湿度传感器HM1500的输出电压在1～4V间随湿度线性变化,电路设计主要采用差分式减法电路,精密电阻R3=R6=2.4kΩ,R4=R7=2kΩ, 用这四个电阻可调节增益。湿度传感器HM1500检测到的湿度对应的电压信号从IN端输入。差分的另一侧输入Vs,它是由 TL431 提供 2.5 V的精密电压分压后可得到1.0 V左右的电压。并由此可以得到输出电压的计算公式为:
(2)
若输入电压在1～4V之间变化, 则输出电压就相应在0～2.5V之间变化。调节R1可以消除不同的湿度传感器的零点误差。该电路的测湿范围为0～100%。

图3 湿度检测电路
3.3 显示电路设计
显示电路设计如图4所示。该电路采用四位七段数码管动态扫描显示的方式, 当单片机从ADIN1和ADIN2口采集到温湿度数据以后,如果此刻检测的为湿度,首先把湿度值送到数码管显示,同时点亮湿度指示灯,表示现在显示的是湿度;如果此刻检测的是湿度,显示温度时同样会点亮相应的指示灯。由于单片机IO口有限,该系统又采用两片SNJ54HC373芯片扩展了 8个IO口以满足设计要求。为了保证电平兼容,这部分电路均采用3.3V 电压供电。
3.3.1 按键电路设计
按键电路设计如图5所示。该电路采用3个独立按键, 通过按2号键和3号键可以切换温湿度显示, 其中2号键显示湿度,3号键显示温度,按1号键可以进行相应温湿度门限和传感器地址的设定。

图4 显示存储电路

图5 按键电路设计
3.3.2 系统软件设计
图6为该系统的主程序设计流程图。本系统的软件设计思路是,系统上电以后,首先读取存在 EEPROM中的地址和温湿度门限值,然后进入循环状态进行温湿度信号采样, 接着对采集得到的数据进行处理并存储,也既是MSP430F149 单片机通过10位AD采样模块读人端口温湿度对应的电压信号, 并按照相应转换公式转化成实际温湿度数值并存储。同时在循环中对按键标志位进行判断。如果被置位,则执行相应的按键处理。然后根据需要将其送到数码管显示、同时通过 RS485 串口送给上位机。

图 6 系统主程序流程图
3.4 MSP430单片机
3.4.1强大的处理能力
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)、简洁的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参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
3.4.2运算速度
在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。 MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。
3.4.3系统工作稳定
上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的测量位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。
3.4.4 MSP430系列与89C5l系列的比较
我国的多数读者对89C51系列的单片机是很熟悉的，为了加深对MSP430系列单片机的认识，我们不妨将两者进行一下比较。
首先，89C51单片机是8位单片机。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111条指令。而MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。
其次，89C51单片机本身的电源电压是５伏，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA，在待机状态下，其耗电电流仍为３ｍＡ；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50μA的电流。而MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的。正因为如此，MSP430系列单片机更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。
再者，89C51系列单片机由于其内部总线是8位的，其内部功能模块基本上都是8位的，虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。MSP430系列其基本架构是16位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8位的功能模块，还是16位的功能模块，即使扩展像模/数转换或数/模转换这类的功能模块也是很方便的。
最后，就是在开发工具方面。对于89C51来说，由于它是最早进入中国的单片机，人们对它再熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大问题。对于MSP430系列而言，由于引入了FLASH型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。
4. 完成课题所需的条件
（1）MSP430单片机使用说明书
（2）DS18B20温度传感器使用说明书
（3）集成湿度传感器HM1500湿度传感器使用说明书
（4）Protel 99SE绘图软件
（5）IAR Embedded Workbench MSP430单片机编程软件
（6）MSP430单片机实验箱

5.课题的进度安排（或课题的实施计划）
表5-1 课题安排表
周 次
课 题 安 排
1
熟悉设计任务，查阅相关资料，进行总体方案设计，英文资料翻译
2
查阅相关资料，进行开题报告的撰写
3
熟悉MSP430单片机的工作原理，了解各引脚作用及接线方式
4
查阅了相关芯片的资料，选定MSP430单片机对其进行深入了解。
5
查阅了相关传感器资料，选定温湿度传感器型号对其进行深入了解，
6
依靠对MSP430单片机的进一步认识，对MSP430单片机与温湿度传感器的接线
7
完成MSP430单片机与温湿度传感器型号的接线，并且上交外文翻译
8
利用Ptotel99SE完成传感器原理图的绘制，并上交开题报告
9
利用MSP430单片机完成温度传感器的设计
10
利用MSP430单片机完成湿度传感器的设计
11
利用MSP430完成显示模块的设计
12
使用编程软件完成对温度传感器设计
13
使用编程软件完成对湿度传感器设计
14
现场联机调试
15
撰写毕业设计论文
16
修改毕业设计论文
17
整体审查论文,上交材料，准备答辩
18
答辩

参 考 文 献
[1]Simon Robinson,K.Scott Allen 等.C# 高级编程[M].北京:清华大学出版社,2002:265-275.
[2]Tom Archer.C# 技术内幕[M].北京:清华大学出版社,2004:300-306.
[3]沉舟.Microsoft.NET 编程语言 C#[M].北京:希望电子出版社,2005:105-110.
[4]罗军舟,黎波涛,杨明等.TCP/IP 协议及网络编程技术[M].北京:清华大学出版,2004:95-100.
[5]Tim Parker.TCP/IP 协议及网络编程技术[M].北京:机械工业出版社,2006:123-130.
指导教师评阅意见

指导教师签字：

年 月 日