低功耗智能便携式温度测量仪的研究毕业设计

1、西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计 (论文 题目:低功耗智能便携式温度测量仪的研究 硬件设计系 别:电子信息系专 业:自动化班 级:姓 名:学 号:指导教师:年月毕业设计(论文任务书系别 电子信息系 专业 自动化 班级 姓名 学号其普遍而重要的测量项目。 现代电子检测技术正朝着高集成度、 低功耗、 可编程以及数字化 的方向发展, 传统的指针式温度指示器已经跟不上社会的发展需求。 国内外在便携式温度测 量仪这方面的研究及应用也相当多, 便携式电子设备的重要指标之一就是低功耗, 低功耗是 国际上节能和绿色环保的要求,是全球化的热潮。本设计可达工作 5年不换电池的仪器, 3 秒刷新一次且精度

2、比较高,价格比较低。3. 设计 (论文 的主要内容(理工科含技术指标 :电路等 ,并对每个模块进行仿真、调试;精度达到 0.2%;4. 设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点 :(1 13周,基本资料的查找,了解单片机、传感器等相关知识;(2 46周,研究原理设计及功能分析;(3 713周,能够给出系统改进的措施,并给出硬件电路图;(4 1415周,完成主要部分的电路图,并与软件系统整机仿真调试;(5 1618周,撰写论文,完成毕业设计答辩。5. 毕业设计(论文的工作量要求 实验(时数 *或实习(天数 :120天 图纸(幅面和张数 *:2幅 其他要求:指导教师签名:年 月 日 学生签名

3、:年 月 日 系(教研室主任审批 :年 月 日 说明:1本表一式二份,一份由学生装订入附件册,一份教师自留 。2 带 *项可根据学科特点选填。低功耗智能便携式温度测量仪的研究硬件设计 摘 要温度测量是工农业生产、 现代科学研究及高新技术开发过程中一个极其普通 而重要的测量项目。 本论文研究了一种低功耗智能便携式温度测量仪, 该测温仪 采用 PT1000热电阻传感器, 16位高集成度、超低功耗单片机 MSP430F4250, 充分利用单片机的相关技术、测温技术、报警技术、 LCD 显示技术、串口技术, 不但发挥了低功耗智能便携式温度测量仪的测温功能, 而且还拥有报警与通信功 能, 手动复位功能使

4、用户能随时测量温度的变化, 超低功耗能够使用户不必担心 电能不足的问题。通过对系统的调试, 实验结果证明该设计达到了预期目标, 完 成了系统的便携式和低功耗的要求。关键词:低功耗;温度测量仪 ; MSP430F4250; PT1000Low-power Intelligence Portable Temperature Measuring Meter Hardware DesignAbstractThe temperature measurement is a very common and important measurement item in industry and agricult

5、ure production. What this paper research is the low-power consumption intelligence portable temperature measuring instrument, this temperature measuring instrument uses the thermal resistance sensor ,16 position high integration and low power consumption monolithic integrated circuit MSP430F4250, th

6、is system make full use of microcontroller technology, thermometry, and alarm technology, LCD display, serial techniques, not only played a low-power intelligent portable temperature measurement temperature, but also has alarm and communication functions, the manual reset function allows the useable

7、 to measure temperature changes at any time, low power consumption enables users do not have to worry about the problem of insufficient electricity. Debugging the system, the experimental results demonstrate that the design has achieved the desired goals, and complete system of portable and low powe

8、r requirements.Key Words: Low power consumption; Temperature measurement instrument; MSP430F4250; PT1000目 录1 绪论 . 1 1.1温度测量仪国内外研究现状 . 11.2本论文的意义及主要内容 . 22 低功耗智能便携式温度测量仪的总体方案 . 3 2.1低功耗智能便携式温度测量仪系统总体结构 . 3 2.1.1低功耗智能便携式温度测量仪结构框图 . 3 2.1.2低功耗智能便携式温度测量仪的各模块 . 42.2低功耗智能便携式温度测量仪工作过程描述 . 53 低功耗智能便携式温度测量仪的

9、硬件设计 . 7 3.1单片机控制电路 . 7 3.2电源模块 . 8 3.3复位与晶振模块 . 9 3.4信号处理模块 . 10 3.5显示模块 . 13 3.5.1 MSP430液晶驱动模块的主要特点 . 13 3.5.2液晶驱动方法 . 14 3.5.3 LCD控制器与 LCD_A控制器的比较 . . 14 3.5.4 RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块 . 15 3.6报警模块 . 15 3.7键盘与 LED 灯模块 . 16 3.8串口通信模块 . 17 3.9降低功耗的硬件措施 . 17 3.9.1晶体管的性质 . 17 3.9.2选用低功耗单片机 . 18 3.9.3选用低

10、功耗外围电路和器件 . 183.9.4选择低功耗的工作方式 . 184 实验调试 . . 19 4.1低功耗智能便携式温度测量仪的 PCB 制作 . 19 4.1.1 PCB板布局 . 19 4.1.2 PCB的布线 . 19 4.2低功耗智能便携式温度测量仪调试 . 20 4.2.1低功耗智能便携式温度测量仪分析 . 204.3低功耗智能便携式温度测量仪改进方法 . 205 结论 . 21 参考文献 . . 22致 谢 . 23 毕业设计(论文知识产权声明 . 24 毕业设计(论文独创性声明 . . 25 附录 1 电路原理图 . 26 附录 2 电路 PCB 板 . . 271绪论1.1温

11、度测量仪国内外研究现状仪器仪表在生产发展、科学研究以及人们的日常生活中有着十分重要的作 用。 随着微型计算机技术及嵌入式系统的发展, 仪器仪表朝着高集成度、 低功耗、 可编程以及数字化的方向发展。 为了对传统仪器仪表进行更新换代, 近些年各研 究和使用单位正致力于智能仪表开发和应用工作 1。温度是关于物体冷热程度的度量, 是自然界主要的物理量之一, 而温度测量 是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目,温度在工农业生产、现代 科学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量参数, 温度测量仪 现已广泛应用于农业实验室,工业,环保,卫生防疫,仓储运输,博物馆,温室 等领域,因此温度测

12、量技术的研究是一个很重要的课题 2。温度是表征物体冷热程度的参数, 它不能像质量, 长度那样用直接比较的法 来获得量值, 只能通过物质与温度有关的其它物理性质来测量它, 例如物体体积、 粘度、电导率等。 温度测量是通过温度传感器来实现的, 温度测量的过程就是通 过温度传感将被测对象的温度值转换成电或其它形式的信号, 传递给信号处理电 路进行信号处理转换成温度值显示出来。 一般的温度测量仪器通常都是由温度传 感器和信号处理这两部分组成的, 具备检测以及显示两个功能。 对于简单的温度 测量仪说,检测和显示这两部分是连在一起的, 例如水银温度计, 但是在较为复 杂的度测量仪中则分成独立的两个部分,

13、中间用导线联接起来, 例如热电阻或电 偶是检测部分,而相应的指示和记录仪表是显示部分。按照对物体测量的不同方式,温度测量仪可以分为接触式和非接触式两大 型。 在测量温度的时候, 测温仪检测部分如果直接与被测介质直接接触的则为接 触式温度测量仪; 如果检测部分没有与被测介质直接接触, 则称为非接触温度量 仪。社会的快速发展, 使得温度测量的要求也越来越高, 目前市场上出现了各式 各样的便携式温度测量仪, 能满足不同测温需要。 随着电子器件的不断发展便携 式数字温度测量仪已逐渐得到应用,由于它配有各种样式的热电偶和热电探头, 使用时比较方便灵活;另外, 便携式红外辐射温度计的发展也很迅速, 装有微

14、处 理器的便携式红外辐射温度计具有存贮和计算的功能, 能显示一个被测表面的多 处温度,或一个点温度多次测量平均温度、最高温度和最低温度等不同的参数。 此外, 还有多种其它类型的温度测量仪, 例如用晶体管测温元件和光导纤维测温元件构成的仪表; 采用热象扫描方式的热象仪, 可直接拍摄和显示被测物体温度 场的热象图,可用于检查大型炉体、 发动机等的表面温度分布; 另外还有利用激 光,测量物体温度分布的温度测量仪器等 3。1.2本论文的意义及主要内容本论文的意义在于温度测量在工农业生产、 现代科学研究及高新技术开发过 程中是一个极其普遍而重要的测量项目。 现代电子检测技术正朝着高集成度、 低 功耗、

15、可编程以及数字化的方向发展, 传统的指针式温度指示器已经跟不上社会 的发展需求。 国内外在便携式温度测量仪这方面的研究及应用也相当多, 便携式 电子设备的重要指标之一就是低功耗,低功耗是国际上节能和绿色环保的要求, 是全球化的热潮。 经过对市面上现有智能便携式测温仪的了解, 发现测温仪功耗 基本都在 180W 以上,大部分只能做到工作 3年不换电池,如果工作 5年不换 电池的仪器基本都是 3秒刷新一次, 或者需要通过系统自动关机才能实现长时工 作,而且精度比较低,价格比较高。本论文研究了一种超低功耗智能便携式温度测量仪,该测温仪采用热电 PT1000传感器, 16位高集成度、超低功耗单片机 M

16、SP430F4250,实现对温度信 号的采集和处理。 通过选用低功耗元件和软件的优化, 使得系统总体功耗变得非 常低:统控制在每秒刷新一次,功耗小于 90W , 3V 电池供电,工作电流小于 30A , 工作 5年不需更换电池; 而且测温范围宽 -200.0 850.0, 精度达到 0.2%, 且稳定度高。本论文主要介绍了一种应用铂热电阻传感器, 16位高集成度、超低功耗单 片机 MSP430F4250,实现对温度信号的采集和处理的超低功耗智能便携式温度 测量仪。 第 1章介绍了温度测量仪发展现状及本课题主要内容。 第 2章介绍低功 耗智能便携式温度测量仪的总体方案。 第 3章分析了低功耗智能

17、便携式温度测量 仪的硬件设计的各个模块。第 4章分析了实验调试结果分析以及需要改进的地 方。第 5章给出了结论和展望。2 低功耗智能便携式温度测量仪的总体方案2.1低功耗智能便携式温度测量仪系统总体结构本论文以单片机为中心, 以低功耗为目的对温度进行检测。 设计前先确定系 统 CPU 的类型, 而在超低功耗方面 CPU 的选择, MSP430单片机是 TI 公司 1996年开始推向市场的超低功耗微处理器, 另外他还集成了很多模块功能, 从而使得 用一片 MSP430芯片可以完成多片芯片才能完成的功能, 大大缩小了产品的体积 与成本。如今, MSP430单片机已经用于各个领域,尤其是仪器仪表、监

18、测、医 疗器械以及汽车电子等领域。2.1.1低功耗智能便携式温度测量仪结构框图如图 2.1所示,该图为低功耗智能便携式温度测量仪系统结构框图。 图 2.1系统结构框图 2.1.2低功耗智能便携式温度测量仪的各模块(1 单片机:便携式智能设备体积小,重量轻,从电路的角度看,自然要求 设备电路简单,功耗低,功能满足要求。为了实现智能化,在设计电路方案时, 一般都会使用单片微型计算机, 简称单片机。 单片机品种多, 功能强, 可靠性高, 可以满足智能设备的多种需要。现在单片机越来越广泛采用 CMOS 工艺,使功 耗更是大幅度下降, 应用较多的低功耗单片机有 :Intel 公司 80C31/80C51

19、/87C51、 80C196; ATMEL 公司的 AT89LV5X 系列; Microchip 公司的 PIC 系列等, TI 公 司的 MSP430系列。 其中有些单片机的功耗非常低, 例如德州仪器 (TI公司生产 的 MSP430系列单片机。 MSP430系列单片机功耗超低, 是一种 16位的 RISC 混 合信号处理器,该单片机中断源较多,并且可以任意嵌套,使用起来灵活方便。 当系统处于省电的备用状态时, 用中断请求将它唤醒只需要 6S 的时间。 MSP430系列单片机采用的是 1.83.6V的电源电压。在 1MHz 的时钟条件下运行时,芯 片的耗电电流在 200400A 左右,时钟关

20、断模式下最低功耗只有 0.1A 。由于系 统运行时打开的功能模块不同, 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 (LPM0LPM4 。 在等 待方式下耗电为 0.7A 在节电方式下,最低可达 0.1A ,可见 MSP430系列单片 机功耗特别小,是低功耗微处理器的典型。(2电源:智能便携式电子设备一般要求便于携带,所以要重量轻而且体积 小,因此一般不用交流供电。由于它显示通常采用 LCD 液晶显示器,电路一般 选用功耗非常低的 CMOS 集成电路,因而整个系统功耗非常小,可以采用电池 为系统供电。(3 晶振:为单片机正常工作提供稳

21、定的时钟信号,晶振是构成单片机最小 系统的成员之一,本系统采用 12M 晶振。(4 复位:使单片机能够从程序开始重新运行,本系统采用手动复位,人为 的控制单片机的复位,同时复位也是构成单片机最小系统的组成部分。(5 温度传感器:在工业测温领域中, 常用的温度传感器有热电偶、 热电阻、 热敏电阻温度传感器。热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特 性, 对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。 将温度变化转换为电阻变化的 称为热电阻传感器; 将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 本课题 选用的传感器是热电阻 PT1000温度传感器。(6 信号放大电路:利用具有放大功能的电子电路

22、,将微弱的电流或电压等 信号放大处理, 转换成我们所需要的值, 这里是使温度传感器的小电流信号得以 放大供单片机使用。由于由温度传感器将温度信号转换为电信号,信号很微弱, 需要进行放大才能供给单片机。(7 LCD 显示:经常使用的 LED 由于体积大和功耗方面的原因已经不能满 足人们特定的需要,而越来越多地使用液晶 LCD 。液晶显示器的原理是利用液 晶的物理特性,通电时导通,排列变得有秩序,使光线容易通过;不通电时排列 混乱,阻止光线通过。 通过和不通过的组合就可以在屏幕上显示出图像来。 由于 液晶是通过环境光来显示信息的,液晶本身不主动发光,所以液晶功耗很低, 更 加适合于单片机低功耗系统

23、。选用低功耗的液晶显示器 LCD 作为显示器件,该 显示器的优点是工作电压低、 微功耗、 使用方便 (体积小、 外形薄、 平板式显示 , 是便携式智能设备显示器件的首选。该系统中的显示器主要是显示温度的测量 值,如果有可能还可以增加时间模块,该显示屏同时显示时间 11。(8 报警:当电源电压低于系统所需要的最低电压时系统会自动提示更换电 池的报警;温度超过温度传感器的测量范围时, 系统也会自动报警, 否则会损坏 温度传感器甚至整个系统。当出现以上情况时, 报警器的蜂鸣器会发出声音, 提 醒我们采取相应的措施。(9 键盘:键盘的作用是发送命令以确定对温度进行测量或对单片机进行复 位,本系统赋予四

24、个按键,当需要复位时按下复位键,系统重新回到初始状态, 当需要测量温度时按下测量键,系统对温度进行测量,为了减少电量的消耗, 不 用时可以关闭该系统,最后一个按键可以用作系统扩展模块。(10 串口:串行接口是一种可以将接受来自 CPU 的并行数据字符转换为连 续的串行数据流发送出去, 同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供 给 CPU 的器件。 串口使该系统与上位机相连进行数据传输, 当系统对温度进行测 量时,可以将测量的结果传给上位机,更好的对温度进行控制。(11 LED灯:指示单片机的工作状态,本系统采用 4个 LED 指示灯,该系 统的 LED 指示灯与键盘是对应的, 当按下复位

25、键时,对应到复位灯会亮起,当按 下测量键时,相应的测量灯会亮起,当出现报警时,报警灯会不停的闪烁。当系 统处于关闭状态时所有的灯都灭,这样才能更好的了解系统的工作状态。2.2低功耗智能便携式温度测量仪工作过程描述本论文以单片机为中心, 以低功耗为目的对温度进行检测。 单片机要正常工 作,必须有电源、晶振、复位,构成单片机工作所需的最小系统,否则单片机就 不能工作。 温度传感器将外界的温度信号转换为电信号, 经过放大电路将信号进 行放大并输入单片机,这步是必须的, 否则输入单片机的信号时无用的。 单片机 自带 A/D转换模块, 这样不必增加 A/D转换模块, 该模块将信号进行 A/D转换, 变换

26、成单片机能够处理的数字信号, 因为单片机是不识别模拟信号的。 再经过单 片机的运算将温度输出到 LCD 显示屏幕上。单片机的运算时消耗电能最多的部分,想要从根本上降低整个系统的功耗, 就必须降低单片机的功耗, 因此在选择 单片机时非常关键, 既要满足系统的要求, 又要符合实际情况, 所以选择 MSP430系列单片机。系统工作时会不停的扫描键盘, 检查键盘是否有按下的键。 当键盘 按下复位键时,系统检测到该键按下时,相应的 LED 灯会亮,单片机进行复位, 当不需要系统工作时,按下关闭键, 系统检测到该键按下时, 单片机就会停止工 作。对于按键的检测,要加上去抖措施,否则系统会出错,因为单片机工

27、作时间 都是纳秒与毫秒的级别,人的反应时间至少要 0.2秒,时间差距大,现实过程中 也会不小心碰到按键, 正常按下按键应持续数十毫秒的稳定。 去抖可以有硬件去 抖和软件去抖,硬件主要是利用电容的缓慢放电与按键并联或用触发器来消抖, 但利用软件消抖效果会更好。 当单片机的电压低于单片机所需要的最低电压时或 测量温度超过传感器的测量范围时,报警器会相应的报警,给我们做出提示, 若 缺少这个模块, 系统会不正常工作或烧坏系统的元器件。 单片机的串口通信可以 与上位机进行通信,便于更好的利用温度值记录温度的实时变化。3 低功耗智能便携式温度测量仪的硬件设计根据硬件结构框图,设计了各个模块的硬件电路图。

28、在 protel99se 软件画了 系统的硬件电路图,并且进行了电器规则检查。3.1单片机控制电路单片机控制电路图如图 3.1所示。 图 3.1单片机控制电路图(1 MSP430系列单片机主要特点:低电源电压范围, 1.83.6V,超低功耗, 高速的运算能力, 16位 RISC 架构, 125ns 指令周期;多通道 10-14位 A/D转换 器、 双路 12位 D/A转换器、 比较器、 液晶驱动器、 电源电压检测、 串行口 SART(以 RT/SPI、硬件乘法器、看门狗定时器、多个 16位、 8位定时器 (可进行捕获,比 较, PWM 输出 、 DMA 控制器; FLASH 存储器,不需要额外

29、的高电压就在运行 中由程序控制写擦除和段的擦除; MSP430芯片上包括 JTAG 接口,仿真调试通 过一个简单的 JTAG 接口转换器就可以方便的实现如设置断点、 单步执行、读写 寄存器等调试;快速灵活的变成方式,可通过 JTAG 和 BSL 两种方式向 CPU 内 装在程序。 应用 MSP430系列单片机构建应用系统, 进行总体设计时要考虑选型 的问题,选择 MSP430系统单片机型号应该遵循以下原则:a. 选择最容易实现设计目标而且性能 /价格比高的机型;b. 在研制任务重,时间紧的情况下,首选熟悉的机型;c. 欲选的机型在市场上有稳定充足的货源。MSP430系列的 FLASH 型单片机

30、在系统设计、开发调试及实际应用上都具 有显著优势,使应用程序升级和代码改进更为方便,成为国内应用的主流机型。 其存储器模块是目前业界所有内部集成 FLASH 存储器产品中能耗最低的一种, 消耗功率仅为其他采用 FLASH 存储器的微控制器的 1/5。 FLASH 的主要优点是 结构简单,集成密度大,点可擦写,成本低。由于 FLASH 可以局部擦除,且写 入、 擦除次数可达数万次以上, 从而使开发微控制器不再需要昂贵的专用仿真器。 根据需要,在 MSP430系列中选定 MSP430F4250这款单片机 12。(2MSP430与外围设备的接线介绍单片机的 RST 引脚为复位引脚,所以该引脚与手动复

31、位设备相连,低电平 有效;单片机的 DVcc 、 DVss 为数字电源的正负, A Vss 、 A Vcc 、 Vref 为模拟电源 的正负和模拟参考电压。 这五个引脚共同构成了单片机的供电系统, 为单片机提 供电能,保证单片机正常工作;单片机的 XIN 、 XOUT 为单片机的晶振引脚, 外部提供的晶振与该引脚相接, 为单片机提供准确的时钟信号;单片机的 P6.0/A0+、 P6.1/A0-引脚为模拟输入,从传感器传过来的信号为模 拟信号由此引脚输入, P1.4/A3/DAC0该引脚为 A/D转换引脚;单片机自带该模块, 要进行数模转换, 所以要接该引脚。 单片机的 P6.4P6.7作为通用

32、 I/O口,与外围的键盘模块相接;单片机的 COM0COM3、 P2.0P2.6这 11个引脚与单片机的 LCD 显示屏相 连,用来显示经过单片机处理的温度结果;单片机的 P2.7、 P5.5P5.7作为通用 I/O口与 LED 灯相连,用来指示单片机 的工作状态;单片机的 P5.0也是作为通用 I/O口与报警模块相连,供系统报警;单片机的 P1.0与 P1.1与外围的串口相连, 用来使单片机与上位机进行通信。 3.2电源模块如图 3.2所示,单片机的电源模块。(1系统的电压选择系统功耗与系统供电电压有密切的关系,一般成正比,所以供电电压越高, 系统功耗也就越大。 因为便携式智能设备通常是由电

33、池供电, 故应尽量采用低电 压供电, 这样即有利于减少系统的功耗, 又能用方便的电池供电。 这样才能符合 设计的要求。 图 3.2电源电路(2 低功耗智能便携式电子设备的电源供给智能便携式电子设备一般要求便于携带, 所以要重量轻而且体积小, 因此一 般不用交流供电。 由于它显示通常采用 LCD 液晶显示器, 单片机选用超低功耗, 把器件的功耗都尽可能的降低到最小, 因而整个系统功耗非常小, 可以采用电池 为系统供电。综上所述,该系统采用 3号电池为整个系统供电是最佳的,是可以实现的 。3.3复位与晶振模块如图 3.3所示,单片机的复位模块与晶振模块。 22pF 图 3.3 复位与晶振电路图图

34、3.2和图 3.3构成单片机的最小系统,可以保证单片机正常工作。图 3.3左为单片机的手动复位电路, RST 与单片机的 RST 相连,当单片机工作时需要 复位时,按下 S5,电容这时已经放电,电容通过 S5形成回路,放电,这时单片 机复位端为低电平,经过一段时间单片机复位。图 3.3右为单片机的晶振电路。外接晶振可以为单片机提供精度很高的系统时钟频率。 晶振的频率必须与电容相 匹配,否则提供的时钟信号不准。该引脚与单片机的 XIN 、 XOUT 相连,这里采 用 12M 的晶振为单片机提供准确的时钟信号。3.4信号处理模块如图 3.4所示,单片机的信号处理模块。a. 传感器图 3.4的最左端

35、为温度传感器 PT1000,在工业测温领域中,常用的温度传 感器有热电偶、热电阻、 热敏电阻温度传感器。 热电式传感器是利用转换元件电 磁参量随温度变化的特性, 对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。 将温度 变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器; 将温度变化转换为热电势变化的称为 热电此外, 还有多种其它类型的温度测量仪, 例如用晶体管测温元件和光导纤维 测温传感器 4。 T1图 3.4信号处理电路图热电阻传感器:热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。 它的主要特点 是测量精度高,性能稳定。 其中铂热电阻的测量精确度是最高的, 它不仅广泛应 用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。(1 铂

36、电阻铂易于提纯, 在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定,电阻率较大,能耐 较高的温度; 制成的铂电阻输出输入特性接近线性。 铂电阻的电阻值与温度之 间的关系:0C o 850 1(20Bt At R R t += (3.1 -200C 00 100(1320t t C Bt At R R t -+= (3.2铂电阻制成的温度计,除作温度标准外,还广泛应用于高精度的工业测量。 由于铂为贵金属,一般在测量精度要求不高和测温范围较小时,均采用铜电阻。(2 铜电阻铜在 -50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定,输出一输入特性接近线 性,价格低廉。当温度高于 100时易被氧化,因此适用于温度较低和没有

37、浸蚀 性的介质中工作。(3 其他热电阻镍使用温度范围是 -50100和 - 50150。 但目前应用较少, 镍非线性严重, 材料提取也困难。 但灵敏度都较高,稳定性好, 在自动恒温和温度补偿方面的应 用较多。锢电阻适宜在 -269258温度范围内使用,测温精度高,灵敏度是铂电 阻的 10倍,但是复现性差。综合上述特点我们选用铂电阻。 铂电阻的电阻值与温度之间的关系可以用以 下公式描述: 100(1320t t C Bt At R R t -+= (3.3温度 t 在 -200C o 850, A= (109083. 3103-C , B= (10847. 527-C o ,当 t>0C

38、o 时, C=0; t<0C o 时, C= (10183. 4412-C o 。根据欧姆定律 V=IR,如果其中 I 就是流过铂电阻的电流, V 是铂电阻两端 的电压, R 是铂电阻的电阻值, I 是由 CPU 提供给铂电阻的, I 越大,系统功耗 越大, V 是系统要采集的信号,当 I 一定时, V 越大那么抗干扰性能就越好,因 为某一个特定的干扰信号的幅值是一定的,当 V 变大时,干扰信号与其比值就 变小,所以抗干扰能力就高 14。因此选用 PT1000, 因为它产生同样大的信号流过的电流比 PT100小 10倍, 也就是说,在采样时,同样大小的电压信号,需要的电流比 PT100小

39、得多,所 以可以降低功耗,其测量范围为 -200 +850。而且 PT1000稳定性好,可以 采用软件措施进行非线性补偿。 选用热电偶传感器同样可实现低功耗, 其精度比 PT1000差,但测量温度值比较高,一般 500度以上选用热电偶测量。如图 3.4,信号放大电路,温度传感器将温度转换为小电压信号,然后传给 信号放大电路,放大电路的放大倍数为 12k/3k+1=5,放大电路将信号放大后, 传给单片机,单片机自带 A/D转换模块,信号只有经过 A/D转换将模拟信号转 换成数字信号,单片机才能处理 15。b. A/D转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备, 它是模拟系统与数

40、字系统或计算机之间的接口。 A/D转换的实现方法有多种, 用不同的方法实 现的 A/D转换器具有不同的特性。 A/D转换器的主要技术指标:(1分辨率:对于 A/D转换器来说, 分辨率表示输出数字量变化一个相邻数 码时,输入的模拟电压变化量。具体定义为满量程电压FSRV 与 n 2之比值,其中 n 就是 A/D转换器的位数。例如:12位的 ADC 能够分辨出满刻度的 122/1,或满 刻度的 0.24%。所以一个 12位 ADC 的满刻度为 10V ,那么该 ADC 能够分辨出 的输入电压变化的最少值为 2.4mV 。 由于 ADC 分辨率的高低取决于位数的多少, 所以通常也以 ADC 的位数来

41、表示分辨率。(2量化误差:量化误差是由 A/D转换器的有限分辨率而引起的误差。 如果 不计其它误差,一个分辨率有限的 A/D转换器的阶梯状转移特性曲线,它分辨 率无限的 A/D转换器转换特性曲线 (直线 之间的最大偏差, 我们将其称为量化偏 差。 对于在零刻度处有 1/2LSB偏移的 A/D转换器的量化误差为 1/2LSB, 没有 加入偏移量 A/D转换器的量化误差为 -1LSB 。(3转换速率:A/D转换器的转换率就是在保证转换精度时,能够重复进行 数据转换的速度, 也就是每秒转换的次数 (MSPS=兆次 /秒 。 转换时间是完成一次 A/D转换所需要的时间,它是转换速率的倒数 8。c. S

42、D16_A介绍(1 SD16_A的结构目前 MSP430F42X0和 F20X3系列含有 SD16_A模块, SD16_A是单通道多 路选择的 16位 sigma-delta 模 /数转换模块,具有高阻抗输入缓存内部参考电压、 内置温度传感器。 转换器基于二阶过采样 sigrna-delta 的调制和数字抽取滤波器。 抽取滤波器是可选过采样率 (上至 1024 的梳形滤波器。附加的滤波可用软件实 现。(2 SD16_A的特征1 16位 sigma-delta 架构;2 AVcc 测量;3 8个复用的差分模拟输入;4 软件可选的片上参考电压的产生;5 软件可选的内部或外部参考电压;6 内置温度传

43、感;7 30KHz 1.1MHz 的调制器输入频率;8 高阻抗输入缓存 (MSP430F42X0没有此特性;9 可选的低功耗转换模式;10 高达 1024过采样。3.5显示模块如图 3.5所示,单片机的显示模块。在 MSP430系列单片机中, MSP430F4XX 系列片内具有段式液晶驱动模块。 MSP430X42X0和 MSP430FG46XX 系列内具有 LCD_A控制器。在液晶驱动电 路中,液晶等效为电容,两个电极板分别为公共极与段极。公共极由 COM 信号 驱动,段极由 SEG 信号驱动。 图 3.5 LCD显示电路图3.5.1MSP430液晶驱动模块的主要特点a. 具有显示缓存器;b

44、. 所需的 SEG 、 COM 信号自动产生;c. 4种驱动方法;d. 多种扫描频率;e. 段输出端口可以切换为通常输出端口;f. 显示缓存器可作为一般存储器;g. 用 ACLK 经 Basic Timer产生频率。3.5.2液晶驱动方法MSP430液晶驱动模块有 4种驱动方法,分别为静态驱动、 2MUX 驱动、 3MUX 驱动以及 4MUX 驱动。特点如表 3.1所列:表 3.1 液晶驱动特点方法 公共极引脚数 每引脚驱动液晶段数 需要引脚总数 静态 1 1 1+需要驱动段数 2MUX 2 2 2+需要驱动段数 /2 3MUX 3 3 3+需要驱动段数 /3 4MUX 4 4 4+需要驱动段

45、数 /4静态驱动方法, 除了公共极需要 1个引脚, 驱动的每一段还各需要一个引脚。 如果设计中涉及很多段数, 就需要占用众多引脚为了减少引脚个数, 可以根据需 要选择多路驱动方法:2MUX 驱动、 3MUX 驱动、 4MUX 驱动方法。增加公共 极个数,可以极大地减少引脚数。需要驱动段数越多,效果越明显。如要显示 80段,静态驱动、 2MUX 驱动、 3MUX 驱动、 4MUX 驱动下所需要的引脚数依 次为 81、 42、 30和 24个。不管是选用那种驱动方法,如果自己用单片机通过软件直接来驱动 LCD , 也很麻烦,所以尽量选用 CPU 本身有 LCD 控制器来驱动 LCD 。这样程序会变

46、 得很简单,同时也能降低系统功耗 10。3.5.3 LCD控制器与 LCD_A控制器的比较LCD_A控制器是 MSP430新模块, 目前 MSP430X42X0和 MSP430FG46XX 系列具有 LCD_A控制器。a. LCD控制器与 LCD_A控制器的共性(1 具有超低功耗特;(2 自动产生 S 和 COM 所需信号;(3 4/3/2/l多路复用;(4 最多显示 160段;(5 相同的显示缓存结构和操作方法;(6 段和 I/O引脚的功能选择。b. LCD_A控制器区别于 LCD 控制器的方面(1 目前只存在于 MSP430X42XO 和 MSP430FG46XX 系列中;(2 内部稳压发

47、生器;(3 内部或外部偏置生成,可实现较小的封装;(4 内部超低功耗充电泵设计,在低 Vcc 情况下也能控制 LCD 的对比度;(5 3或 4多路复用的 1/2偏置;(6 内部时钟发生器;(7 不需要基本定时器。从两者的控制器结构可以知道:LCD_A控制器内部集成了 Charge Pump 可 以用于产生 LCD 驱动的偏压,进行对比度调节,能够进一步减少系统所需要的 外部器件。 LCD_A控制器内部有时钟发生器,不再需要基本定时器。3.5.4 RT12864M汉字图形点阵液晶显示模块RT12864M 可显示汉字及图形,内置 8192个中文汉字(16X16点阵 、 128个字符(8X16点阵及

48、 64X256点阵显示 RAM (GDRAM 。主要技术参数和显 示特性:1 电源:VDD 3.3V5V(内置升压电路,无需负压 ;2 显示内容:128列×64行;3 显示颜色:黄绿;4 显示角度:6:00钟直视;5 LCD类型:STN ;6 与 MCU 接口:8位或 4位并行 /3位串行;7 配置 LED 背光;8 多种软件功能:光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。 3.6报警模块单片机的报警电路如图 3.6所示。 R图 3.6 报警电路图由图 3.6可知,当单片机输出高电平时,三极管导通,蜂鸣器发声,当单片 机输出低电平时,三极管关断, 蜂鸣器不发声。 当系统电压不足或是测量的范围 超过一定的范围时,蜂鸣器才会发声。电路可采用单电源供电。 该模块的引脚与 单片机的 P5.0相接。3.7键盘与 LED 灯模块如图 3.7键盘电路与 3.8 LED电路所示。 1234图 3.7键盘电路图 图 3.8 LED指示灯电路图(1 键盘模块与 LED 灯模块一一对应,当按下 S1时 D1会相应的电亮。两 图的电阻都是为了限流,防止电流过大烧坏其他元器件。单片机的 P