基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计

基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计摘要:温度是工农业生产、科学研究的重要的测量参数之一。高度集成、低功耗、可编程以及数字化是现代电子检测技术的发展方向，因此，便携式温度测量仪在国内外得到广泛的研究与应用。本文设计了一种基于MSP430F435单片机的低功耗便携式测温仪,该测温仪采用热电阻传感器PTl00，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F435，实现对温度信号的采集和处理。该仪表能够连续多点测温，具有记忆功能。其结构简单、工作稳定可靠、测量精度高、功耗低、便携性好、功能齐全、适用场合广泛等特点，满足了现代化的工业发展需求。关键词:温度测量仪，MSP430F435,单片机，传感器，低功耗DesignofLow-powerConsumptionPortableMultifunctionalTemperatureMeasurerBasedonMSP430Abstract:Thetemperatureisanoneofimportantmeasurementparameterinindustryandagricultureproduction,scienceresearchandnewtechnologydevelopmentprocess．Themodernelectrondetectingtechnologyisdevelopingtowardthedirectionofhighlevelofintegration,So,aportabletemperaturemeasuringinstumenthasbeenwidelyresearchandapplicationathomeandabroad.Basedonthis,thethermometerusesthethermalresistancesensorPTl00，16positionhighintegrationandultralowpowerconsumptionmonolithicintegratedcircuitMSP430F435，whichachievetemperaturesignalgatheringandprocessing．Theinstrumentcapableofcontinuousmultipointtemperature,withmemory,printandotherfunctions.Thethermometerconformstheneedsofmodernindustrialdevelopment,whichhasalotofcharacteristics,suchassimplestructure,stableandreliablework,highmeasuringaccuracy,lowpowercomsumption,goodportabilityfullyfunctionsandwidelyaplicableoccasions,andsoon.Keywords:temperaturemeasurer,MSP430F435,singlechipmicrocomputer,sensor,lowpowerconsumption页共35页1绪论21世纪是以知识经济为特征的信息时代，在国民经济发展中，仪器仪表的作用被越来越看重，著名科学家王大珩、杨家墀、金国藩曾指出“仪器仪表是信息产业的重要部分，是信息工业的源头”[1]。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、便携式、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升级，近些年各研究和使用单位正致力于智能仪表的开发和应用工作。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、现代科学探讨、医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，因此提出进行基于MSP430单片机的低功耗便携式测温仪设计，具有重要的实际应用价值[2]。1.1温度测量仪概况1.1.1温度测量仪原理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方法来获得量值，只能通过物质与温度有关的其它物理性质来测量它，例如物体的体积、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器将被测对象的温度值转换成电或者其它形式的信号，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来说，检测和显示这两部分是连在一起的，例如水银温度计；但是在较为复杂的温度测量仪中则分成独立的两个部分，中间用导线联接起来，例如热电阻或热电偶是检测部分，而相应的指示和记录仪表是显示部分。1.1.2温度测量仪分类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类型。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，则称为非接触温度测量仪。随着社会的快速发展，使得温度测量的要求也越来越高，目前市场上出现了各种各样的便携式温度测量仪，能满足不同的测温需要。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阻探头，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的平均温度、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。在工业生产过程中，采用单片机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制。对于提高企业生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。1.2测温仪国内外发展状况仪器仪表的应用领域广泛，覆盖范围包括了工业、农业、科技、环保、国防、文教卫生、交通、人民生活等各个方面，在国民经济建设各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务。现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平和综合国力的重要体现，近年来，随着我国能源、化工、节能环保等领域快速发展，仪器仪表也提出了更高、更新、更多的要求[3]。电子仪器的发展，从元器件的使用方面来看，它经历了真空管、晶体管和集成电路三个阶段。从工作原理方面来看，电子仪器的发展经历了模拟式、数字式、智能式三代[4]：第一代是模拟式电子仪器。它们的基本结构是电磁式的，基于电磁测量原理，使用指针来显示最终的测量结果。大量指针式的电流表、电压表、功率表均是典型的模拟式仪器。这一代仪器功能简单，响应速度慢，精度低。第二代是数字式电子仪器。它们的基本结构中离不开A/D转换环节，通过A/D转换将模拟信号变为数字信号，并以数字形式显示结果。它的速度快，精度高，读数直观清晰，并且可以打印输出，也方便与计算机技术相结合。同时在远距离传输方面数字信号有优势，所以遥测和遥控方面数字式电子仪器更加适用。第三代是智能仪器。智能仪器是仪器仪表发展到一定程度后的产物，是一种新型的电子仪器。它是在数字化的基础上用微处理器装备起来的，是电子仪器与计算机技术相结合的产物。它具有运算、数据存储、逻辑判断能力，能随着被测参数的变化自己选择量程，可自动补偿、自动校正、自寻故障等，可以做一些需要人类的思考才能完成的工作，它已经具备了一定的智能，所以被称为智能仪器。智能化仪器仪表从出现就显示了它的强大能力，现已成为如今仪器仪表发展的一个主要方向。进入21世纪，便携式测温技术在国内外都取得了显著成效。在2003年席卷全国的抗非典斗争中，中国科学院上海技术物理研究所，在国家863计划成果的基础上，对红外传感技术在非接触式红外体温计的应用上进行了深入的研究，在很短时间内取得了显著成果，研发出非接触便携式红外线测温仪，写下了国内该领域的新篇章。国内便携式红外测温仪主要有：华中科技大学研制的“慧眼HW-05”人体温度红外热图仪，其分辨率高达0.06℃[5]；中科院上海物理研究所也研制出了红外线测温仪[6]；兰州大学合华技术应用开发中心开发的LHW-I红外线测温仪[7][8][9]。现在国内相关测温仪，特别是便携式测温仪方面已经较成熟，以北京、天津、广州、深圳、杭州、厦门和西安等城市技术最为成熟，产品最为普及[10][11][12][13]。然而，这种设备的测量结果还有待进一步校正[14[15]]。在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃，理论上可达0.00001℃，而且在-40℃~230℃范围内具有温度与频率的线性特性；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃，误差在0.05℃以内，中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片，其静态测温精度为0.5%，快速响应时间小于0.013s[16][17][18]。自1999年开始，就有很多国家致力于该类项目的开发和研究，至今已经有多个国家的产品达到了国际先进水平。主要产品与开发公司有：德国博朗集团开发出只需1秒即可测出体温的红外体温计；日本欧姆龙也研制出几款非接触式红外体温计，BJ40型非接触式医用红外线体温计，精确度为-0.2至+0.2；WFHX-68A型便携式温度计，分辨率为0.1℃，测量精度为-0.2至+0.2；意大利的THERMOFocus-reg,测量精度为±0.2℃。该类产品产品的应用也已经十分广泛，如：美国早在本世纪初初颁布了有关红外线测温计的计量标准，而美国雷泰公司所生产的该类产品已经较为完善[19][20][21][22]。1.3主要内容该设计研究了一种超低功耗智能便携式温度测量仪，该测温仪采用热电阻传感器ptl00，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F435，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：系统控制在每秒刷新一次，功耗小于90mW，两节3V的电池供电，工作电流小于30mA，工作5年不需更换电池；而且测温范围宽一50.0℃-500.0℃，精度达到0．2％，且稳定度高。第一章绪论，介绍了测温仪的原理、分类以及国内外发展状况。第二章总体设计方案，介绍了仪表的设计与开发过程，初步提出几套设计方案，经比较分析确定了利用大多数金属导体电阻随温度变化而变化的原理”进行设计。给出系统连接框图，介绍了系统的工作原理。第三章便携式测温仪的硬件设计：介绍了主要元器件的选型以及各模块电路，分析了系统原理。第四章软件设计，介绍了低功耗便携式温度测量仪的软件设计流程图及调试优化。第五章总结，总结分析便携式测温仪设计过程中遇上的问题及感悟。2基于MSP430便携式测温仪的总体设计2.1仪表的设计与开发过程利用从上到下的设计方案，根据行业要求，确定方案，指标，功能，再进行硬件和软件设计[23]。流程如图2.1所示。任务的确定、方案的拟定阶段任务的确定、方案的拟定阶段设计任务、仪表功能的确定设计任务、仪表功能的确定总体任务的完成总体任务的完成硬件类型、数量确定软硬件研制及仪表结构设计阶段软硬件研制及仪表结构设计阶段选择合适的系统选择合适的系统设计硬件电路及研制模板设计应用软件及编写程序设计仪表结构设计硬件电路及研制模板设计应用软件及编写程序设计仪表结构调试硬件调试软件调试硬件调试软件总调仪表，测试性能总调仪表，测试性能测定、评价样机性能测定、评价样机性能设计文档编制设计文档编制 图2.1研制、设计仪表的基本过程2.2设计方案2.2.1提出设计方案根据设计要求，初步提出如下的几套设计方案：使用热电偶仪器测量，利用仪器两极材料不同，在不同温度下量触点温度不同，电势不同的原理制成。利用集成温度传感器，把温敏晶体管和外围电路集成到一块电路板上，外接显示装置，将测得信号转换为温度输出。使用半导体热敏电阻，利用其温度特性曲线，制作成温度开关，通过对温度测试电路得控制达到检测的目的。使用热电阻，利用大多数金属导体电阻随温度变化而变化这一原理制成。2.2.2确定设计方案在参阅网络资料及相关图书后，对方案进行评价：a方案从资料上可以查得，热电偶使用范围主要在工业上，测试1000℃左右的高温尤其准确。b方案温度的测试很准确，但是由于采用集成装置，不很经济。c方案结构简单，体积小，电阻温度系数大，电阻率高热惯性小，但线性度差且要进行线性度修正。d方案在性能上，热电阻的线性度很好，在低温测量中测试较为精确，不足之处是电阻小确不耐腐蚀经分析比较采用d方案，使用热电阻测量温度，再查阅相关资料就选用PT100传感器进行温度测量。2.3便携式测温仪的总体结构与工作原理根据设计任务及几套方案的比较，可以初步确定设计的框图，如图2.2所示，系统工作时，传感器负责温度数据的采集任务，然后通过模拟口把温度参数传递给单片机，最后经系统分析、处理温度参数，通过显示模块显示出温度数据。通过键盘输入模块，预先设置报警温度上下限。当温度不在-50-500℃范围内时，则通过驱动一个蜂鸣器配合发光二极管实现报警。若小于-50℃，则黄色发光二极管亮；若大于500℃，红色发光二极管亮。正常时，绿色发光二极管亮，提醒工作人员进行相关操作。传感器模块采样信号放大信号A/D转换模块LCD显示数据处理传感器模块采样信号放大信号A/D转换模块LCD显示数据处理按键控按键控图2.2便携式测温仪框图系统的性能指标：代替指针式温度指示器；输入信号PTl00；4位LCD显示电池供电能够连续测量温度，保存测量数据，并用十进制数码管或液晶屏显示温度值；温度检测范围-50-500℃；能够通过按键设定温度报警值，进行声光报警工作年限：两节3.0V的锂电池供电，不换电池连续工作时间大于5年；显示精度：-50.0℃一500.O℃；传感器：PTl00。2.4系统连接框图P2.7P6.0~P6.3单片机P2.4.~P2.5P5.5.~P5.6P2.7P6.0~P6.3单片机P2.4.~P2.5P5.5.~P5.6P4.0~P4.7RESETP5.0.~P5.1传感器采集模块报警模块键盘输入模块键盘输入模块通信模块通信模块温度显示模块电源及复位模块温度显示模块电源及复位模块图2.3各模块与单片机的管脚连接框图3低功耗便携式温度测量仪的硬件设计3.1概述设计前先确定系统CPU的类型，其次是温度传感器的选择，再次是液晶显示器LCD的确定，报警模块可以选用发光二极管和蜂鸣器协同完成，尤为重要的是CPU、传感器和LCD的确定。在低功耗方面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、监测、医疗器械以及汽车电子等领域。MSP430系列单片机主要特点：低电源电压范围，1．8～3．6V；超低功耗，拥有5种低功耗模式；灵活的时钟使用模式；高速的运算能力，16位RISC架构，125ns指令周期；丰富的功能模块，这些功能模块包括：多通道10—14位AD转换器、双路12位DA转换器、比较器、液晶驱动器、电源电压检测、串行口USART(UART／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，输出)、DMA控制器；FLASH存储器，不需要额外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。MSP430单片机目前主要以FLASH型为主。适应工业级运行环境MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为一40～+85摄氏度，所设计的产品适合用于工业环境下。采用16位超低功耗单片机MSP430和铂热电阻传感器ptl00实现温度的信号采集和处理。通过热电阻的非线性处理，软件的优化保证系统低功耗。CPU：采用MSP430系列；外围：LCD，按钮，少量的电阻和电容；其他资源采用CPU内部资源,如CPU内部A/D转换器，内部参考电压源，可编程放大器，可编程电压源，可编程滤波。3.2主要元器件选型3.2.1温度传感器选择(1)温度传感器概述在工业测温领域中，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。(2)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。a)、铂电阻铂易于提纯，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；制成的铂电阻输出一输入特性接近线性。铂电阻的电阻值与温度之间的关系：在0～850℃范围时：Rt=R0(1+At+Bt2)（3.1）在-200～0℃范围时：Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)（3.2）A、B、C．一常数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。铂电阻由于其具有测量范围大、稳定性好、测量精度高和耐氧化等特点，已成为目前温度测量中应用最为广泛的传感元件之一，而与之配套的数字测温仪表在工农业生产、科学研究及民用领域占有巨大的市场。b)铜电阻铜在-50～150℃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浸蚀性的介质中工作。c)其他热电阻镍使用温度范围是-50～100℃和-50～150℃。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(我国定为标准化热电阻)。铟电阻适宜在-269～258℃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。锰电阻适宜在-271～210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。碳电阻适宜在-273～268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。选用的PTl00温度传感器综合上述特点该设计选用的传感器为PT100,其具有测量范围大、稳定性好、测量精度高和耐氧化等特点，成为目前温度测量中应用最为广泛的传感元件之一，而与之配套使用的数字测温仪表在工农业生产、科学研究及民用领域占有巨大的市场。如图3.2所示是其电阻——温度关系曲线，其在-200～650℃温度范围内线性度非常接近直线。图3.1Pt100的电阻—温度关系曲线铂电阻的电阻值与温度之间的关系如下：在0～650℃范围时：Rt=R0(1+At+Bt2)（3.1）在-190～0℃范围时：Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)（3.2）其中A、B、C为常数，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；Rt表示温度为t时的电阻值；R0表示温度为0℃时的电阻值，Pt100这种型号的铂热电阻，R0=100Ω，即当环境温度为0度的时候，Pt100的阻值等于100Ω。上述对应关系可以生成pt100铂电阻分度表，详见附录A。3.2.2LCD显示选择随着电子技术的飞速发展，越来越多的领域需要应用以单片机为核心的便携式仪表和测试仪。为了尽可能缩小仪器体积和功耗，对选择芯片和显示系统的要求变得更高。TI公司的MSP430系列超低功耗单片机尤其适合应用于便携式仪表和测试仪。原来经常使用的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。通俗地说，液晶显示器就是两块玻璃中间夹了一层或多层液晶材料，液晶材料在信号控制下改变自己的透光状态，于是就能在玻璃面板前看到图像了。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。另外，液晶只能使用低频交流电压驱动，直流电压将损坏液晶。液晶有很多种类，常见的有段式液晶、字符式液晶、图形式液晶等，其中段式液晶价格低廉，使用简单，被广泛应用于各种单片机应用系统中，例如各种智能仪表的显示。在MSP430系列单片机中，MSPX1/2XX系列没有段式液晶驱动模块，MSP430F4XX系列片内具有段式液晶驱动模块,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。(1)MSP430液晶驱动模块的主要特点如下：具有显示缓存器所需的SEG、COM信号自动产生4种驱动方法多种种扫描频率段输出端口可以切换为通常输出端口显示缓存器可作为一般存储器用ACLK经BasicTimer产生频率液晶驱动方法MSP430液晶驱动LCD模块有如下4种驱动方法，分别为静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动以及4MUX驱动。其特点如MSP430液晶驱动表3.1。MSP430液晶驱动表3.1 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111+需要驱动的段数2MUX222+需要驱动的段数／23MUX333+需要驱动的段数／34MUX444+需要驱动的段数／4（3）确定LCD-1602为显示器本设计的显示元件选择了相对于LED显示更简单的LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，见附录A。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。R/W为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作。E端为使能端，后面和时序联系在一起。LCD1602内部RAM显示缓冲区地址的映射图，00～0F、40～4F分别对应LCD1602的上下两行的每一个字符，只要往对应的RAM地址写入要显示字符的ASCII代码，就可以显示出来。表3.21602RAM地址对应的ASCII代码其中管脚说明如下：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。1602LCD主要技术参数：(a)显示容量:16×2个字符,(b)芯片工作电压:4.5—5.5V(c)工作电流:2.0mA(5.0V)(d)模块最佳工作电压:5.0V(e)字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.2.3微处理器的选择应用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：择最容易实现设计目标而且性能/价格比高的机型在研制任务重，时间紧的情况下，首选熟悉的机型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。从TI公司的网站(WWW：TI．COM．CN)查找MSP430系列单片机的价格，经查询比较，选择MSP430F435型号（MSP430系列芯片芯片性能基本都能满足设计要求）。根据选定的型号，在硬软件设计前对该型号的内部资源进行详细了解(具体功能见外文翻译。）(1)MSP430F435主要指标和功能低供电电压范围：1.8V至3.6V超低功耗：一活动模式：1Mhz，2.2V时为280A——等待模式：1.6A——关闭模式（PAM保持）：0.1A6指令时间周期具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的12为A/D转换器带有三个或七个捕捉/比较影子寄存器的16位定时器B带有三个捕捉/比较寄存器的16位定时器A片内集成比较器串行通信接口（USART)，软件选择异步UART或者同步SPI接口MSP430X43X芯片有一个UART（UART0）欠电压检测器具有可编程电平检测的供电电压管理器/监视器串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的安全熔丝代码保护集成多大160段的LCD驱动器系列器件包括：——MSP430F435：16KB+256Bflash存储器512BRAM——MSP430F436：24KB+256Bflash存储器1KBRAM——MSP430F437：32KB+256Bflash存储器1KBRAMMSP430F43X芯片封装图图3.2MSP430F435芯片封装图3.2.4报警器的选择蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，广泛应用于电子计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。1．压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。2．电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。为了方便，在本设计中我选择的是电磁式蜂鸣器。其发声原理：蜂鸣器发生原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声。蜂鸣器的负极接到接地GND上面，正极接到三极管的集电极C，三极管的基极B经过限流电阻R1后，由单片机的P6.3引脚控制，当P6.3引脚输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7引脚输出低电平时，三级管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过控制程序控制P6.3的输出电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。其余硬件选择相对简单，不再作过多的阐述。3.2.5数据存储模块的选择微处理器MSP430F435外扩2kB的E2PROM,12C总线把E2PROM与单片机连接起来，用于保存采集的温度数值。3.3硬件电路设计根据以上的CPU资源和有关资料，运用protel软件进行硬件电路设计，其电路图见附录B，主要模块及原理分析如下。3.3.1PT100传感器采样电路该模块电路连接如图3.3。首先传感器输出毫伏级的应变信号，再通过高稳定度电桥变换，经运算放大器MAX492组成的减法放大电路，然后经过调零、滤波处理后，送到MSP430F435的A/D转换接口ADCO，从而实现对温度信号检测,MSP430F435根据处理结果的值和范围进行查表，实现分段线性化，将传感器信号与温度对比。图3.3温度传感器接口模块电路3.3.2报警模块电路该系统由三个发光二极管和一个蜂鸣器构成，发光二极管分别是绿、黄、红三种不同颜色，用于显示检测对象的温度情况。绿色表示温度正常，黄色表示检测对象温度低于报警温度下限，红色表示温度已超过报警温度上限。当环境温度不在-50～500℃范围时，表示已进入危险温度，蜂鸣器报警。发光二极管电路和蜂鸣器电路如图3.4(a)（b)所示。其中蜂鸣器连接在单片机P6.3管脚。(a)发光二极管显示(b)蜂鸣器显示图3.4系统显示器电路3.3.3串口通信电路由于PC机串口的电平标准与单片机的TTL不一致，因此PC机与单片机之间的串口通信必须要有一个RS232/TTL电平转换电路。本系统与上位机的通信使用的是RS-232标准，驱动芯片是常用的MAX232A，电路芯片手册里的参考电路，非常简单，如图3.5所示。图3.5RS-232驱动电路3.3.4数据存储模块电路微处理器MSP430F435外扩2kB的E2PROM,12C总线把E2PROM与单片机连接起来，如图3.6，用于保存采集的温度数值。 图3.6E2PROM外扩电路3.3.5键盘模块电路键盘是一组分别代表数字和有关命令的按键集合，其具有“断开"和“闭合"两种状态，通过接口电路对应于0和1两个逻辑值。该便携式测温仪面板上设置了2个按键，以完成实时显示测量值的功能。如图3.7所示，使用按键与单片机的I/0口直接连接，采用查询方式获取按键值。图3.7按键电路图3.3.6单片机最小系统电路系统选用了MSP430F435型16位单片机，最小系统电路连接如图3.8，作为测温仪的核心控制部分，来完成传感器数据结果处理、键盘的识别、串口通信的管理等。图3.8MSP430F435最小系统3.3.7显示模块电路本设计的显示元件选择了相对于LED显示更简单的LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，其电路如图所示。图3.9显示模块电路3.3.8电源电路由于温度信号是由恒流源通过铂热电阻Pt100，通过检测Pt100上的电压变化量而获得的，所以设计一个稳定的恒流源尤为重要。如图3.10所示，是一个由两个三极管和一个运算放大器构成的恒流源电路，其中Rc是100Ω的标准精密电阻。NPN型三极管9013的Vce相当于一个PN结的压降，实际测量约等于0.6V,由运算放大器具有很大有输入阻抗和很小的输出阻抗，由其虚短和虚断的特性可以知道PNP型三极管9012的射极电压等于三极管9013的射极电压，因此电阻Rc两端的电压等于三极管9013的Vce，即等于V恒值0.6V，则9012的射极电流Ie=0.6V/100Ω=6mA由三极管的电流放大特性可知，三极管9012的基极电流Ib非常小，可以忽略不计，则集电极电流Ic近似等于Ie，即Ic＝6mA。由此在9012的集电极就构成了一个非常稳定的恒流源。图3.10恒流源电路3.3.9硬件电路原理由各模块电路及附录B可知，程序通过JTAG口下载到CPU的程序空间；8、9脚接外部32.785MHZ的时钟，为内部定时器以及看门狗提供时钟，同时用内部DCO使得CPU工作于更高的频率；30管脚用作DACO,经过一些电阻和PT100连接；40、42脚接外扩的AT24C02；49、50脚用作P5.5、P5.6的数字输入口，起按键判断作用；54、55脚接串行口通信；1、52、80脚连接到电源正极上，53、78、79接地；12～22脚用作液晶驱动；75、76、77、2脚作为P6.0、P6.1、P6.2、P6.3驱动发光二极管和蜂鸣器。系统工作时，传感器PT100负责温度数据的采集任务，然后通过模拟口DAC0把温度参数传递给单片机MSP430F435，最后系统分析、处理温度参数，通过LCD显示模块显示出温度数据。通过键盘输入模块，预先设置报警温度上下限。当温度不在-50-500℃范围内时，则通过驱动一个蜂鸣器配合发光二极管实现报警。若小于-50℃，则黄色发光二极管亮；若大于500℃，红色发光二极管亮；正常时，绿色发光二极管亮。提醒工作人员进行相关操作。4低功耗便携式温度测量仪的软件设计软件的设计以测量的精确性和低功耗为主要目标。整个软件设计主要由根据程序流程图编写程序、调试，综合分析等部分组成。4.1单片机系统软件流程图在整个系统运行过程中。当测温系统被启动后，首先，对MSP430F435单片机进行初始化。然后，当MSP430F435单片机接收到测温系统电路传输信号后，经A/D转换程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，在和报警系统欲设值比较，最后，在动态扫描LCD显示器上显示出温度值，并驱动蜂鸣器和发光二极管作出相应的动作。当温度不在-50-500℃范围内时，则通过驱动一个蜂鸣器配合发光二极管实现报警。若小于-50℃，则黄色发光二极管亮；若大于500℃，红色发光二极管亮。正常时，绿色发光二极管亮，提醒工作人员进行相关操作。根据任务要求和硬件连接图可编写如下的程序流程图：主程序流程图、指示报警模块流程图以及读取温度模块流程图，进而满足要求的程开始开始初始化初始化读PT100数据读PT100数据启动温度转换启动温度转换温度显示温度显示与欲设值比较与欲设值比较正常绿灯亮低温黄灯亮并报警正常绿灯亮低温黄灯亮并报警高温红灯亮并报警高温红灯亮并报警开始开始图4.1（a)主程序流程图开始开始采样当前温度采样当前温度大于上限？大于上限？高温警报小于下限？高温警报小于下限？低温警报低温警报温度正常指示温度正常指示结束结束图4.1(b)指示、报警模块流程图开始开始传感器初始化传感器初始化发跳过读序列号指令发跳过读序列号指令发温度转换指令发温度转换指令读温度值低字节读温度值低字节读温度值高字节读温度值高字节高低字节合并高低字节合并返回温度值返回温度值开始开始图4.1(c)读取温度值模块流程图4.2温度插值校正及程序由Pt100的特性可知，虽然Pt100的线性度比较好，但是由于其温度—电阻函数关系并非线性，用单片机运算则占用资源和时间都比较多。通常采用查表和线性插值算法进行标度变换的方法计算出温度，不仅运算快、占用单片机内部资源少，而且可以一定程度上对Pt100进行线性化校正，从而达到非常精确的测温效果。图4.2插值算法示意图要查表首先要在单片机的ROM区建立一个电阻—温度分度表，在检测值的范围内均匀选择若干个标定点，标定的点数越多则表格越大，对系统的描述也越精确。Pt100的铂电阻温度分度表，（见附录A）可以向Pt100的厂商索要，考虑到单片机的程序存储空间资源和实际的测量精度要求，并不需要每隔一摄氏度就取一个标定点，根据精度要求选择适当的温度间隔。例如在-50～500℃范围内每隔5℃标定一个Pt100的电阻值，即共111个标定点，分别记作R[i]，对应的温度记作T[i]，i取0～110。如图10所示，采用线性插值算法进行标度变换时，将检测值Rx通过顺序查表，与标定点R[i]比较，确定区间R[i]<Rx<R[i+1]，然后进行线性插值算法求得温度值Tx：因为是每隔5℃标定一个电阻值，所以T[i+1]-T[i]=5，即：4.3软件调试根据流程图编写好程序后，导入单片机，进而进行优化完善。4.3.1软件电路故障及解决方法设计软件部分出现这种错误的现象：1．当以断点或连续方式运行时，目标系统没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，这是由于程序转移到意外之处或在某处死循环所造成的。解决方法：这类错误的原因是程序中转移地址计算错误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等。在采用实时多任务操作系统时，错误可能在操作系统中，没有完成正确的任务调度操作，也可能在高优先级任务程序中，该任务不释放处理器，使CPU在该任务中死循环。通过对错误程序的修改使其实现预期的功能。2．不响应中断CPU不响应中断或不响应某一个中断这种错误的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。错误的原因有：中断控制寄存器的初值设置不正确，使CPU没有开放中断或不许某个中断源请求；或者对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器和扩展的I/O口编程有错误，造成中断没有被激活；或者某一中断服务程序不是以RETI指令作为返回主程序的指令，CPU虽已返回到主程序但内部中断状态寄存器没有被清除，从而不响应中断；或由于外部中断源的硬件故障使外部中断请求无效。解决方法：修改中断控制寄存器的初值设置。3．结果不正确目标系统基本上已能正常操作，但控制有误动作或者输出的结果不正确。这类错误大多是由于计算程序中的错误引起的。4.3.2软件调试方法软件调试所使用的方法有：计算程序的调试方法、I/O处理程序的调试法、综合调试法等。1．计算程序的调试方法计算程序的错误是一种静态的固定的错误，因此主要用单拍或断点运行方式来调试。根据计算程序的功能，事先准备好一组测试数据。调试时，用防真器的写命令，将数据写入计算程序的参数缓冲单元，然后从计算程序开始运行到结束，运行的结果和正确数据比较，如果对有的测试数据进行测试，都没有发生错误，则该计算程序调试成功；如果发现结果不正确，改用单步运行方式，即可检查出错误所在。计算程序的修改视错误性质而定。若是算法错误，那是根本性错误，应重新设计该程序；若是局部的指令有错，修改即可。如果用于测试的数据没有全部覆盖实际计算的原始数据的类型，调试没有发现错误可能在系统运行过程中暴露出来。2．I/O处理程序的调试对于A/D转换一类的I/O处理程序是实时处理程序，因此一般用全速断点运行方式或连续运行方式进行调试。3．综合调试在完成了各个模块程序（或各个任务程序）的调试工作以后，便可进行系统的综合调试。综合调试一般采用全速断点运行方式，这个阶段的主要工作社排除系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。在综合调试的最后阶段，应在目标系统的晶振频率工作，使系统全速运行目标程序，实现了预定功能技术指标后，便可将软件固化，然后在运行固化的目标程序，成功后目标系统便可脱机运行。一般情况下，这样一个应用系统就算研制成功了。4.4结论分析通过对系统的调试，进一步理解了便携式测温仪的控制系统原理，同时也发现了问题，原设计电路缺乏对环境温度的实时控制，因此后加入调节执行单元，采用实时控制的方法，在主机MSP430F435的P2.7口输入温度控制信号，从而实现温度的实时控制。本方案充分利用单片机的数据处理及实时检测能力，采用Pt100标准热电阻温度传感器的三线制接法，对导线电阻进行补偿，通过单片机对信号进行采样、数字滤波，使用插值算法对传感器进行非线性校正处理，使得此测温方案具有量程宽、稳定性好、性能可靠等特点。但同时也存在不足，例如采用电流源通过PT100时，传感器自身会产生一量的焦耳热，此热量一定程度上影响了传感器对外界温度的感知，由于电流较小，热量也很少，对于精度要求不高的场合可以忽略不计。

5总结5.1结论本设计研究了一种基于MSP430F435单片机和PTl00的低功耗便携式温度测量仪，本设计的主要工作有：(1)完成了低功耗智能便携式测温仪的设计，该测温仪测温范围宽，精度高，稳定度好，而且功耗低；(2)利用高集成混合芯片，使得硬件的设计变得十分简便的同时，降低成本。(3)利用CPU内核集成电路，使得仪表智能变得更为强大，可以轻易实现传感器全量程范围内测量。(4)液晶显示：能够对温度进行实时显示，方便读数；(5)采用电阻等分方法，很好的解决了铂电阻非线性问题。(6)采用电压源测量电阻方法，用软件解决其电阻和电压之间的非线性问题。5.2展望低功耗是现代便携式电子设备的重要指标之一，低功耗设计的关键技术包拒各类低功耗器件的选用，低工作电压，对各部分器件和电路进行电源管理等。可以借助软硬件优化，在保证性能的条件下，将低功耗便携式温度测量仪的功耗做得更低，达到节能环保目的。对于本系统调试中出现AD采样结果无效码偏多，须进一步进行原因分析和调试，或者换用其他低功耗芯片，或者换用其它采样线路，进一步提高其精度。软件须进一步优化，使得程序运行的更快。编制更好的算法，使得本算法能够适用更多的传感器，以便在传感器变更时，不需要重新编写程序。通过适当的改变软硬件，可以改进为多点测量。5.3结束语近四个月的毕业设计即将结束，这意味着我们的大学生活也要结束了，但我们的学习没有结束，在本次设计中，我们所学过的理论知识接受了实践的检验，增强我的综合运用所学知识的能力及动手能力，为以后的学习和工作打下了良好的基础。本文以MSP430系列单片机为核心，用MSP430F435单片机作为控制器件，温度信号通过热敏、电阻和放大器转换成电信号，再转换成为数字信号，测温电路采用桥式电路，温度设定采用按键移位式设定方法。软件算法采用设定值和测量值相比较的算法。在单片机应用的基础上，实现了一种用带有E²PROM的MSP430F435单片机控制的便携式测温仪。通过几个月的设计，我也有很深的感触：当今社会在飞速发展，科学技术发展的速度更是迅猛无比，尤其是单片机技术在未来社会发展中一定会起着十分重要的作用，而通过本次设计无论是从硬件实现还是到整个程序的完成，无不是对我个人专业能力的一次提高和体现。而本次设计主要是完成两方面工作，软件程序设计和硬件电路板设计。软件设计包括用单片机设计语言设计控制系统。硬件设计包括绘制电路原理图，再做硬件测试。通过这些都使我对采用单片机设计方法有了更深的理解和掌握，同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中，充分的做到了理论与实践相结合。无论从专业知识、动手能力，还是毅志品质，都使我受益非浅。当然，这与老师和同学的热心帮助也是分不开的。大学生活虽然结束了，但我们的学习还没有结束，只有不断学习，用知识充实自己的头脑，才能在未来社会有一席之地，才能为社会的发展做出应有的贡献，一句话：学无止境。

附录APT100铂电阻分度表℃0123456789-20018.49-19022.822.3721.9421.5121.0820.6520.2219.7919.3618.93-18027.0826.6526.2325.825.3724.9424.5224.0923.6623.23-17031.3230.930.4730.0529.6329.228.7828.3527.9327.5-16035.5335.1134.6934.2733.8533.4333.0132.5932.1631.74-15039.7139.338.8838.4638.0437.6337.2136.7936.3735.95-14043.8743.4543.0442.6342.2141.7941.3840.9640.5540.13-1304847.5947.1846.7646.3545.9445.5245.1144.744.28-12052.1151.751.2950.8850.475049.6449.2348.8248.41-11056.1955.7855.3854.9754.5654.1553.7453.3352.9252.52-10060.2559.8559.4459.0458.6358.2257.8257.415756.6-9064.363.963.4963.0962.6862.2861.8761.4761.0660.66-8068.3367.9267.5267.1266.7266.3165.9165.5165.1164.7-7072.3371.9371.5371.1370.7370.63369.9369.5369.1368.73-6076.3375.9375.5375.1374.7374.3373.9373.5373.1372.73-5080.3179.9179.5179.1178.7278.3277.9277.5277.1376.73-4084.2783.8883.4883.0882.6982.2981.8981.581.180.7-3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.67-2092.1691.7791.3790.9890.5990.1989.889.489.0188.62-1096.0995.6995.394.9194.5294.1293.7393.3492.9592.55010099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.480100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.13103.5110103.9104.29104.68105.07105.46105.85106.24107.63107.02107.4920107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.2830111.67112.06112.45112.83113.22113.61113.99114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.7117.08117.47117.85118.24118.62119.0150119.4119.78120.16120.55120.93121.32121.7122.09122.47122.8660123.24123.62124.01124.39124.77125.16125.54125.92126.31126.6970127.07127.45127.84128.22128.6128.98129.37129.75130.13130.5180130.89131.27131.66132.04132.42132.8133.18133.56133.94134.3290134.7135.08135.46135.84136.22136.6136.98137.36137.74138.12100138.5138.88139.26139.64140.02140.39140.77141.15141.53141.91110142.29142.66143.04143.42143.8144.17144.55144.93145.31145.68120146.06146.44146.81147.19147.57147.94148.32148.7149.07149.45130149.82150.2150.57150.95151.33151.7152.08152.45152.83153.2140153.58153.95154.32154.7155.07155.45155.82156.19156.57156.94150157.31157.69158.06158.43158.81159.18159.55159.93160.3160.67160161.04161.42161.79162.16162.53162.9163.27163.65164.02164.39170164.76165.13165.5165.87166.24166.61166.98167.35167.72168.09180168.46168.83169.2169.57169.94170.31170.68171.05171.42171.79190172.16172.53172.9173.26173.62174174.37174.74175.1175.47

续Pt100铂电阻分度表℃0123456789200175.84176.21176.57176.94177.31177.68178.04178.41178.78179.14210179.51179.88180.24180.6118.97181.34181.71182.07182.44182.8220183.17183.53183.9184.26184.63184.99185.36185.72186.09186.45230186.82187.18187.54187.91188.27188.63189189.36189.72190.09240190.45190.81191.18191.54191.9192.26192.63192.99193.35193.71250194.07194.44194.8195.16195.52195.88196.24196.6196.96197.33260197.69198.05198.41198.77199.13199.49199.85200.21200.57200.93270201.29201.65202.01202.36202.72203.08203.44203.8204.16204.52280204.88205.23205.59205.95206.31206.37207.02207.38207.74280.1290208.45208.81209.17209.52209.88210.24210.59210.98211.31211.66300212.02212.37212.73213.09213.44213.8214.15214.51214.86215.22310215.57215.93216.28216.64216.99217.35217.7218.05218.41218.76320219.12219.47219.82220.18220.53220.88221.24221.59221.94222.29330222.65223223.35223.7224.06224.41224.76225.11225.46225.81340226.17226.52226.87227.22227.57227.92228.27228.62228.97229.32350229.67230.02230.37230.72231.07231.42231.77232.12232.47232.82360233.17233.52233.87234.22234.56234.91235.26235.61235.96236.31370236.65237237.35237.7238.04238.39238.74239.09239.43239.78380240.13240.47240.82241.17241.51241.86242.2242.55242.9243.24390243.59243.93244.28244.62244.97245.31245.66246246.35246.69400247.04247.38247.73248.07248.41248.76249.1249.45249.79250.13410250.48250.82251.16251.5251.85252.19252.53252.88253.22253.56420253.9254.24254.59254.93255.27255.61255.95256.29256.64256.98430257.32257.66258258.34258.68259.02259.36259.7260.04260.38440260.72261.06261.46261.74262.08262.42262.76263.1263.43263.77450264.11264.45264.79265.13265.47265.8266.14266.48266.82267.15460267.49267.83268.17268.5268.84269.18269.51269.85270.19270.52470270.86271.2271.53271.87272.2272.54272.88273.21273.55273.88480274.22274.55274.89275.22275.56275.89276.23276.56276.89177.23490277.56277.9278.23278.56278.9279.23279.56279.9280.23280.56500280.9281.23281.56281.89282.23282.56282.89283.22283.55283.89510284.22284.55284.88285.21285.54285.87286.21286.54286.87287.24520287.53287.86288.19288.52288.85289.18289.51289.84290.17290.59530290.83291.16291.49291.81292.14292.47292.8293.13293.46293.79540294.11294.44294.77295.1295.43295.75296.08296.41296.74297.66550297.39297.72298.04298.37293.7299.02299.35299.68300300.33560300.65300.98301.31301.63301.96302.28302.61302.93303.26303.58570303.91304.23304.56304.88305.2305.53305.85306.18306.5306.82580307.15307.47307.79308.12308.44308.76309.09309.41309.73310.05590310.38310.7311.02311.34311.67311.99312.31312.63312.95313.27

续Pt100铂电阻分度表℃0123456789600313.59313.92314.24314.56314.88315.2315.52315.84316.16316.48610316.8317.12317.44317.76318.08318.46318.72319.04319.36319.68620319.99320.31320.63320.95321.27321.59321.91322.22322.54322.86630323.18323.49323.81324.13324.45324.76325.08325.4325.72326.03640326.35326.66326.98327.3327.61327.93328.25328.56328.88329.19650329.51329.82330.14330.45330.77331.03331.4331.71332.03332.34660332.66332.97333.28333.6333.91334.23334.54334.85335.17335.48670335.79336.11336.42336.73337.04337.36337.67337.98338.29338.61680338.92339.23339.54339.85340.16340.48340.79341.1341.