基于MSP430單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

ID:361293 · 發(fā)表于 2018-6-28 20:03

實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程指導(dǎo)教程

——《單片機(jī)應(yīng)用實(shí)踐》

——《電子設(shè)計與應(yīng)用實(shí)踐》

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)

設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2015年9月

摘要

整個系統(tǒng)通過單片機(jī)MSP430G2553控制DS18B20讀取溫度，采用LCD1602顯示，溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗，且外圍的整合性高，DS18B20只需一個端口即可實(shí)現(xiàn)數(shù)信，連接方便。

1 項目要求

2項目分析和系統(tǒng)設(shè)計

3 硬件設(shè)計

3.1單片機(jī)選型模塊

3.2溫度測量模塊

3.3 LCD液晶顯示模塊

3.4系統(tǒng)電源

4 軟件設(shè)計

4.1主程序

4.2溫度測量子程序

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1硬件調(diào)試

5.2程序調(diào)試

5.3聯(lián)合調(diào)試

6項目演練

7項目總結(jié)

附錄1電路設(shè)計原理圖（參考）

附錄2 PCB設(shè)計原理圖（參考）

附錄3 關(guān)鍵程序（參考）

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1 項目要求

此系統(tǒng)的主要功能：

● 可以測量一定攝氏度內(nèi)的溫度；

● 用液晶顯示溫度，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；

● 利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點(diǎn)環(huán)境溫度；

● 至少有高、低兩路限溫控制輸出接口控制外部電路。

● 高、低兩路限溫控制點(diǎn)可在一定范圍內(nèi)獨(dú)立設(shè)置，通過發(fā)光二極管模擬顯示其控制狀態(tài)輸出。

● 當(dāng)溫度達(dá)到高、低限溫控制點(diǎn)發(fā)光報警；

● 提高溫度測量精度，使分辨率不低于0.10C；

● 可以通過按鍵設(shè)置高、低兩路限溫控制點(diǎn)。

2項目分析和系統(tǒng)設(shè)計

此數(shù)字溫度控制系統(tǒng)硬件部分利用了MSP430G2553芯片內(nèi)部的ADC10功能配置，結(jié)合DS18B20溫度傳感器來測量環(huán)境中的溫度，將所測數(shù)值在LCD1602串行顯示；軟件部分利用CCS軟件來進(jìn)行編譯，并且根據(jù)實(shí)際需要來完成各模塊程序的編寫，再進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試。

3 硬件設(shè)計

該溫度控制系統(tǒng)在MSP430G2553芯片的功能配置和協(xié)調(diào)下，與其他模塊搭建來完成。由MSP430控制溫度傳感器DS18B20實(shí)時測量環(huán)境中的溫度，然后在LCD5110顯示出來，當(dāng)該溫度超過了設(shè)定的最大或者最小溫度值時，LED開始報警。

輸入輸入

圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1單片機(jī)選型模塊

基于名為Launch Pad，MSP-EXP430G2低成本實(shí)驗板是一款適用于TI最新MSP430G2XXX犀利產(chǎn)品的完整開發(fā)解決方案。基于USB的集成型仿真器可提供全系列MSP430G2XX器件開發(fā)應(yīng)用所必備的所有軟件、硬件。Lunch Pad具有集成的DIP目標(biāo)插座，可支持多達(dá)20個引腳，從而使MSP430Value Line器件能夠輕松插入LaunchPad實(shí)驗板電路。

圖3.2單片機(jī)選型模塊圖

3.2溫度測量模塊

溫度測量傳感器采用DALLAS公司DS18B20的單總線數(shù)字化溫度傳感器，測溫范圍為-55℃~125℃，可編程為9位~12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率達(dá)到0.0625℃，采用寄生電源工作方式，CPU只需一根口線便能與DS18B20通信，占用CPU口線少，可節(jié)省大量引線和邏輯電路。接口電路如圖3.3所示。

圖3.3 DS18B20測量電路圖

3.3 LCD液晶顯示模塊

LCD液晶顯示模塊采用LCD1602型號，性價比高，LCD1602可以顯示32個字符，口相對簡單。1602共16個管腳，但是編程用到的主要管腳不過三個，分別為：RS(數(shù)據(jù)命令選擇端),R/W（讀寫選擇端）,E（使能信號）;以后編程便主要圍繞這三個管腳展開進(jìn)行初始化，寫命令，寫數(shù)據(jù)。

以下具體闡述這三個管腳：

RS為寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。

R/W為讀寫選擇，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作。

E端為使能端，后面和時序聯(lián)系在一起。

除此外，D0~D7分別為8位雙向數(shù)據(jù)線。

其接線如圖3.4所示

圖3.4 LCD顯示電路

3.4系統(tǒng)電源

整個電路采用USB電源，為所有的USB 外設(shè)提供了單一的易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型，簡化了USB 外設(shè)的設(shè)計。整個的USB 的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷節(jié)省了系統(tǒng)資源。

4 軟件設(shè)計4.1主程序

本系統(tǒng)整體工作主要由單片機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)，其工作過程為：由MSP430控制溫度傳感器DS18B20實(shí)時測量環(huán)境中的溫度，然后在LCD1602顯示出來，當(dāng)該溫度超過了設(shè)定的最大或者最小溫度值時，LED開始報警。

程序流程圖如下：

圖4.2 溫度測量子程序圖

5 系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試

主要根據(jù)系統(tǒng)框圖和硬件原理設(shè)計進(jìn)行原理的繪制、各參數(shù)的設(shè)置、電路板的制作，以及元器件的焊接等。具體如下：

5.1.1 各單元電路，確認(rèn)各單元電路鏈接無誤，尤其是關(guān)鍵元器件，一定要接保護(hù)電阻。

（1）在樣機(jī)加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，電源連接是否正確測試LCD顯示屏是否有輸出，LCD顯示屏上的溫度的顯示是否符合；

（2）運(yùn)用MSP430單片機(jī)中簡單的I/O口功能，優(yōu)異在檢查硬件是否正常工作時先檢測單片機(jī)本身的I/O口設(shè)置，可以先不連接外部電路，使用單片機(jī)本身I/O口，測試程序是否正確，以免在軟件調(diào)試中引起不必要的麻煩。

5.1.2 PCB設(shè)計注意事項：

在進(jìn)行PCB設(shè)計時，必須遵守PCB設(shè)計的一般原則，并注意其要求。

（1）此系統(tǒng)采用的電阻和電容較多，注意在畫PCB時注意各器件的封裝，對照使用的實(shí)物選取封裝，保證焊接硬件的正確性。

（2）此系統(tǒng)采用光敏電阻及較大的極性電容，介于成本的原因，采用的封裝是是直插式的，在PCB設(shè)計時特別注意

（3）根據(jù)電路的模塊布局，這樣便于在出現(xiàn)問題時進(jìn)行檢查，尤其注意MSP430單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口是否設(shè)置正確。

5.2程序調(diào)試

此程序設(shè)計中僅使用了MSP430單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口資源，調(diào)試過程中，主要使用寄存器窗口，以及設(shè)置斷點(diǎn)，觀察系統(tǒng)程序主要實(shí)現(xiàn)對采集來的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對數(shù)字信號進(jìn)行液晶顯示，所以程序有采集模擬信號、DA轉(zhuǎn)換和液晶顯示三部分；在中斷子程序設(shè)置斷點(diǎn)，判斷運(yùn)行是否正確。在調(diào)試過程中，由局部到整體，判斷程序可能出現(xiàn)的問題，認(rèn)真分析邏輯，實(shí)現(xiàn)要求的功能，在簡化程序。

5.2.1 CCSV5的打開步驟

右鍵Code Composer Studio v5快捷方式，左鍵打開。會出現(xiàn)如圖5.2所示界面：

圖5.1 Code Composer Studio v5軟件加載界面

（2）加載完畢之后會有如圖5.3所示界面出現(xiàn)：

圖5.2 Code Composer Studio v5軟件打開界面

（3）選擇Project->Import Existing CCS Eclipse Project，導(dǎo)入程序文件夾中的工程；具體操作如圖5.4：

圖5.3 Code Composer Studio v5程序?qū)氩襟E圖

5.2.2CCSV5的使用步驟

（1）CCS新建工程：

①首先打開CCS并確定工作區(qū)間，然后選擇project-->New CCS Project

彈出圖5.5對話框。，在簡化程序。

圖5.4創(chuàng)建新工程主界面

②在project name中輸入新建工程名稱turang。

③在Device部分中，Variant中選擇MSP430G××× Family，芯片選擇MSP430G2553，其余選擇默認(rèn)。

④選擇空工程，然后單擊Finish，完成新工程的創(chuàng)建。

⑤創(chuàng)建工程如圖5.6所示：

圖5.5ProjectExplorer界面

⑥然后選擇File-->New-->Source File，新建一個C文件，并且命名為turang.C，并在工程名上右擊選擇Add Files，創(chuàng)建工程如圖5.7：

圖5.6 新建工程界面

(2）CCS調(diào)試：

①調(diào)試之前，先確定目標(biāo)配置文件是否已經(jīng)創(chuàng)建并且配置正確。

②首先進(jìn)行工程編譯：選擇Project-->Build Project，編譯目標(biāo)工程。編譯結(jié)果如圖5.8所示，表示沒有錯誤，可以進(jìn)行下載調(diào)試，如果有錯誤，知道調(diào)試到?jīng)]錯誤為止。

圖5.7工程調(diào)試結(jié)果

③單擊運(yùn)行圖標(biāo)

運(yùn)行程序，可以觀察顯示的結(jié)果。在程序調(diào)試的過程中，也可通過設(shè)置斷點(diǎn)來調(diào)試程序，選擇需要設(shè)置斷點(diǎn)的位置，右擊鼠標(biāo)選擇Breakpoints-->Breakpoint，斷點(diǎn)設(shè)置成功后顯示圖標(biāo)可以通過雙擊該圖標(biāo)來取消該斷點(diǎn)。程序運(yùn)行的過程中還可以通過單步調(diào)試按鈕進(jìn)行調(diào)試。

5.3聯(lián)合調(diào)試

整個系統(tǒng)的軟硬件都完成后，需要進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，主要是針對系統(tǒng)設(shè)定的功能能否完成和完善進(jìn)行調(diào)試。將電路線連接好，接入3V電源，LCD顯示屏亮，且測得當(dāng)前溫度，如果當(dāng)前溫度超過給定的量程范圍內(nèi)LED等就會亮，此時就是發(fā)出警報，提示當(dāng)前溫度已超出給定溫度范圍。超出給定的溫度（35°）LED燈就會亮，否則LED燈就會滅，如下圖。

圖5.8聯(lián)合調(diào)試圖

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6項目演練

對于本設(shè)計，尚可以進(jìn)一步進(jìn)行如下設(shè)想：

使用按鍵控制設(shè)定的溫度的高低，設(shè)計思路如下：

系統(tǒng)主要包括16位單片機(jī)MSP430、溫度采集模塊DS18B20、液晶顯示模塊LCD1602、鍵盤控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾個部分。設(shè)計思路如下：

系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖如下：

輸入輸入

圖6.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

7項目總結(jié)

此系統(tǒng)單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。430與51的最大區(qū)別在于430有很多的寄存器，較之51程序較為復(fù)雜。雖然與51單片機(jī)的組成都是差不多但還有很大的區(qū)別，就拿本次設(shè)計還說，雖說是之前是了解過還改用msp430設(shè)計還是有一點(diǎn)的難度，對于51單片機(jī)I/O口多，而現(xiàn)在我們用的msp430雖說是功能多，但編程起來還是很困難，可能是我知識的欠缺，之前所學(xué)的可能是最簡單的，現(xiàn)在學(xué)習(xí)了這個16位的單片機(jī)還是有一點(diǎn)難度，不過我們還需多學(xué)習(xí)。

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附錄1電路設(shè)計原理圖（參考）