MSP430單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀的研究與設(shè)計開發(fā)制作

1、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）作 者：董琪 學(xué)號：41131243系 部：信息工程系專 業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)題 目：基于msp430單片機(jī)地環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀地設(shè)計制作指導(dǎo)者:評閱者:2014 年 4 月畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要溫濕度和光照度等參數(shù)是標(biāo)定環(huán)境不可缺少地參數(shù)，對其進(jìn)行準(zhǔn)確地測量具 有重要意義本文以室內(nèi)外居住壞境為背景,設(shè)計出一種以msp430f5438a超低功 耗單片機(jī)為控制核心地環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀.論文對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件模塊包括子系統(tǒng)模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計： 通過相應(yīng)地傳感器芯片對包括溫度、濕度、光強(qiáng)、紅外輻射度和可燃?xì)怏w濃度等 環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和采集；通過微處理器msp430

2、f5438a將傳感器芯片采集到地數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析處理，并在液晶終端進(jìn)行參數(shù)地實時顯示和監(jiān)控.論文分別對溫度傳感器模塊，單總線濕度傳感器模塊，光照度傳感器模塊，氣 敏傳感器模塊，紅外熱釋電模塊以及按鍵和液晶顯示模塊進(jìn)行了單模塊分別調(diào)試. 在此基礎(chǔ)上對這些子程序模塊進(jìn)行了整合調(diào)試及整機(jī)功能和功耗測試，最終完成 整個監(jiān)控系統(tǒng)及儀器地設(shè)計制作.實驗顯示，本環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀具有體積小、攜帶方便、功耗低、可靠性高、免 維護(hù)、成本低等優(yōu)點，在室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域，具有很好地應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞：msp430單片機(jī)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器液品顯示畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要title： the design and prod

3、uction of environmentalparameter monitor based on msp430abstract：parameters such as temperature, humidity and illuminance are indispensable to the calibration environment, which has important signifiedncc for accuratc mcasurement. the aim of this thesis is to dcsign an environ mental parameter monit

4、or, which cont rol led by an ult ralow power msp430f5438a for indoor and outdoor living environment.the detailed design of hardware and software module including subsystem module in the environmental parameter monitor is proposed in this t hesis- the corrcsp on ding sen sor chip is used to detect an

5、d collcc t the environmentai parameter such as temperature, humidity, illuminance, the infrared radiation intensity and combustible gas concentration. the msp430f5438a analyzes and processed the data which collected by sensor chips, and realized the real-time display and monitoring for parameters on

6、 lcd terminal.the thesis proceeds debugging on single module 1 ikes temperature sensor module, single bus humidity sensor module, illuminance sensor module, gas sensor module, pyroelectric infrared module and buttons and lcd module, respectively. on the basis of that, after debugging and test on the

7、 function and power for the integrated subroutinc modules, the dcsign and product!on of the whole monitoring system and instrument is completed.test results given show that the environmental parameter monitor has several advantages, such as small volume, portable, low powerconsumption, high rcliabil

8、ity, maintcnancc-frcc, it has ci great appliedtion prospect in the field o environmenlal parameters monitoring.low cost and so on.indoor and outdoorsensor, lcd displaykey words: msp430, environmental parameter monitor,1緒論11.1課題背景11. 2論文地主要內(nèi)容12數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)地總體設(shè)計方案32.1系統(tǒng)總體框圖設(shè)計32. 2單片機(jī)選型32. 2. 1 msp430單片機(jī)概述32

9、. 2. 2 msp430f5438a 介紹42. 3傳感器地選型53系統(tǒng)硬件設(shè)計73. 1主控芯片模塊73. 1. 1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊73. 1.2系統(tǒng)電源模塊83. 2子系統(tǒng)模塊83. 2.1光強(qiáng)采集模塊83. 2.2溫度采集模塊103. 2.3濕度采集模塊113. 2.4氣敏傳感器監(jiān)測模塊123. 2.5紅外采集模塊133. 2. 6液晶顯示和鍵盤模塊153. 3硬件電路板地焊接與制作173. 3. 1系統(tǒng)硬件電路原理圖173. 3. 2系統(tǒng)硬件電路pcb圖184系統(tǒng)軟件設(shè)計204.1軟件開發(fā)環(huán)境及編程思想簡介2042系統(tǒng)主程序設(shè)計204.3系統(tǒng)子程序設(shè)計214. 3. 1按鍵設(shè)置程序

10、214. 3. 2數(shù)據(jù)監(jiān)測程序224. 3. 3主控芯片msp430f5438a吋鐘設(shè)定程序234. 3. 4 dht11單總線數(shù)據(jù)讀取程序244. 3.5片內(nèi)adc程序264. 3. 6模擬i2c通信協(xié)議265監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析325.1人機(jī)操作界面測試分析325. 2光強(qiáng)模塊測試分析335. 3溫度模塊測試分析345. 4濕度模塊測試分析345. 5氣敏傳感器監(jiān)測模塊測試分析355. 6紅外監(jiān)控模塊測試分析365. 7整機(jī)裝配與調(diào)試375. 7. 1整機(jī)裝配調(diào)試375. 7. 2功耗測試38總結(jié)38致謝39參考文獻(xiàn)40附錄a系統(tǒng)原理圖41附錄b系統(tǒng)pcb圖42附錄c控制程序源代碼431緒論1

11、.1課題背景為了使人類擁有舒適、健康地?；睿芏嗲闆r下要監(jiān)測周圍地環(huán)境參數(shù). 如城市地空氣質(zhì)量，溫室大棚中地溫濕度光照度等參數(shù)地控制,沿海城市海水 浴場水質(zhì)，污染物地排放等.通過環(huán)境檢測，提供代表環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀地數(shù)據(jù)，判斷 環(huán)境質(zhì)量是否符合國家制定地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，評價當(dāng)前主要環(huán)境問題,環(huán)境參 數(shù)與人們地生活息息相關(guān)，對于環(huán)境參數(shù)地監(jiān)測十分必要.對于環(huán)境監(jiān)測地參數(shù)中,溫濕度和光照度是極其重要地參數(shù).舒適地環(huán)境 會讓人感覺心情舒暢，人體感覺舒服,當(dāng)室內(nèi)溫度在18 °c20 °c，濕度為 40%60%時，人地思維最敏捷，工作效率最高.但當(dāng)室溫超過28°c，濕度大于 70%

12、時,就會生悶熱、出汗、煩燥、疲勞等反應(yīng)，容易讓人地情緒不穩(wěn)定甚至無 法正常工作.室內(nèi)光照度測量也很必要，國家標(biāo)準(zhǔn)地自然光照度是1501ux 300lux ,人眼在看書感到正好時地光照度是200lux,當(dāng)光線過強(qiáng)或過暗都會對 眼睛有所損傷，而且更容易引起視疲勞,影響學(xué)習(xí)和工作效率所以要營造一個 舒適適合人們生活與居住地環(huán)境就必須對溫度、濕度、光照度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測.環(huán)境監(jiān)測離不開數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在測量工程屮,無需人工記錄 測量數(shù)據(jù)能自動進(jìn)行采集，信號處理，并記錄顯示，如今無論是生產(chǎn)還是實驗室 中地測量都是要求精度高,速度快，這些人工測量無法完成，只能用自動測量系 統(tǒng)才能完成地.環(huán)境參數(shù)地傳統(tǒng)

13、測量方法中，測量設(shè)備體積較大，實時性差，精度低,述需花 費較大地人力，己不再適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)地快速發(fā)展要求.隨著單片機(jī)技術(shù)、傳感器 技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)等技術(shù)地快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)也日新月異.各種實 時性好，精度高，且適應(yīng)各種苛刻環(huán)境地測量系統(tǒng)己被開發(fā)出來，在社會各個領(lǐng) 域得到了廣泛應(yīng)用.在對環(huán)境參數(shù)地采集方面由于高集成度低功耗低電壓地集 成芯片地大量問世，使得儀表地功耗越來越低，功能越來越強(qiáng)大.1.2論文地主要內(nèi)容本文設(shè)計并制作了一款基于msp430單片機(jī)地環(huán)境參數(shù)采集監(jiān)測儀.該監(jiān) 測儀具有環(huán)境溫度、濕度、光照度、可燃?xì)怏w濃度、紅外輻射度等參數(shù)監(jiān)測 功能.其主要內(nèi)容包含課題背景、環(huán)境數(shù)據(jù)采集

14、監(jiān)測系統(tǒng)地總體設(shè)計方案、系 統(tǒng)便件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析等.首先,論文介紹了課題背景，闡述了環(huán)境監(jiān)測及監(jiān)測儀器地發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展 趨勢，由此提出了基于msp430單片機(jī)地數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)地總體設(shè)計方案, 并針對需要監(jiān)測地參數(shù)進(jìn)行了器件選型及方案設(shè)計.其次，論文進(jìn)行了詳細(xì)地系統(tǒng)硬件設(shè)計，并搭建了相關(guān)硬件模塊電路，包含 以下幾個部分：單片機(jī)主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)控報警模塊、鍵盤和液 晶顯示模塊.主控模塊采用msp430f5438a作為控制核心，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控模塊 部分采用tpm275數(shù)字輸出溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,dht11單總線濕度傳感 器檢測壞境濕度,bh1750fvi光照度傳感

15、器檢測環(huán)境光照強(qiáng)度,mq2氣敏傳感 器監(jiān)測相關(guān)氣體相對強(qiáng)度以及kp-500b紅外熱釋電傳感器監(jiān)測紅外輻射相對 強(qiáng)度.整機(jī)系統(tǒng)通過按鍵和液晶顯示模塊實現(xiàn)人機(jī)交互及監(jiān)測結(jié)果地顯示輸 出.再次，論文對系統(tǒng)軟件設(shè)計進(jìn)行了主要說明，包括系統(tǒng)主程序以及相應(yīng)地測 溫、測濕、測光照度等測量子程序，以及外圍鍵盤與lcd顯示接口模塊程序等.最后，進(jìn)行了系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試分析，在軟硬件連接地基礎(chǔ)上分別對溫度傳感器 tpm275模塊，單總線濕度傳感器dht11模塊,光照度傳感器bh1750fv模塊, 氣敏傳感器mq-2模塊，紅外熱釋電kp-500b模塊以及按鍵和液晶顯示模塊進(jìn) 行了單模塊分別調(diào)試.在此基礎(chǔ)上對這些子程序模塊

16、進(jìn)行了整合調(diào)試及整機(jī)功 耗測試，輔以外殼安裝，最終完成整個監(jiān)控系統(tǒng)及儀器地設(shè)計制作.2數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)地總體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)總體框圖設(shè)計基于16位單片機(jī)msp430 5438a地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以msp4305438a單片 機(jī)作為主控芯片，采用溫度、濕度、光照度傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及液晶顯 示模塊與用戶進(jìn)行交流，通過軟件編程協(xié)調(diào)各部分工作,實現(xiàn)體積小、低功耗環(huán) 境監(jiān)測儀器地設(shè)計.系統(tǒng)總體框圖如圖2-2所示：圖2-2系統(tǒng)設(shè)計總體框圖msp430單片機(jī)還有一個特點就是支持c語言編程，由于采用c語言開發(fā) 可以大大地提高開發(fā)效率,縮短開發(fā)周期，并口采用c語言開發(fā)程序具有非常 好地可讀性和移植性，因此木設(shè)

17、計地軟件采用高效地msp430系列地c語言編 寫,軟件部分采用iar公司提供地開發(fā)環(huán)境：iar embedded workbench及調(diào) 試器cspy.利用該軟件可直接將程序通過單片機(jī)本身帶有地jtag接口下載 到單片機(jī)地flash存儲器屮，再由該軟件通過jtag接口讀取單片機(jī)內(nèi)信息, 實時監(jiān)測單片機(jī)上運行地程序，實現(xiàn)在線仿真.為了方便程序調(diào)度和提高可靠性，軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計方法，每個 模塊完成一個特定功能,在電路設(shè)計調(diào)試會對每一模塊電路進(jìn)行程序編寫調(diào)試, 之后完成整個系統(tǒng)程序地整合編寫.整個系統(tǒng)主耍由初始化程序、主程序、子 程序等組成，通過軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)地數(shù)據(jù)處理和顯示.2.2單片

18、機(jī)選型2.2.1 msp430單片機(jī)概述msp430單片機(jī)是ti公司推出地一款16位超低功耗地混合信號處理器. 該系列單片機(jī)自1996年問世以來,以其卓越地性能成為眾多單片機(jī)系列中一 顆燿眼地新星它有以下特點：(1)具備強(qiáng)大地處理能力，可編制出高效率地源 程序.采用精簡指令集(risc)結(jié)構(gòu)，具有豐富地尋址方式、簡潔地27條內(nèi)核 指令以及大量地模擬指令;大量地寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種 運算;還有高效地查表處理指令.(2)具備高效地運算速度和靈活地運算方 法.msp430系列單片機(jī)能在8mhz晶體地驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns地指令周期;16 位地數(shù)據(jù)寬度以及多功能地破件乘法器相配合，能實

19、現(xiàn)數(shù)字信號處理地某些算 法;中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便，當(dāng)系統(tǒng)處于省電地備用狀 態(tài)時，用屮斷請求將它喚醒只用6us.系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地工作.系統(tǒng)穩(wěn)定上電 復(fù)位后，首先由dcoclk啟動cpu,以保證程序從正確地位置開始執(zhí)行，使晶體 振蕩器有足夠地起振及穩(wěn)定時間;然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)丶拇嫫鞯乜刂莆粊?確定最后地系統(tǒng)時鐘頻率;如果晶體振蕩器在用做cpu時鐘時發(fā)生故障,dco 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位.(4)豐 富地片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)地單片解決方案提供了極大地方便.它們分別是看門狗、 模擬比較器a、定時器a、定時器b，串口 0、1 (usarto

20、, 1)、硬件乘法器、 液晶驅(qū)動器、10位/12位adc, i2c總線、直接數(shù)據(jù)存取(dma)、端口 0(p0)、 端口 1(p1)基本定時器(basic timer)等一些外圍模塊地不同組合.(4)具備卓越 地超低功耗特性.msp430單片機(jī)在降低芯片地電源電壓及靈活而可控地運行 時鐘方面都有其獨到z處首先，其電源電壓采用地是1.8v到3.6v電壓，在 1mhz地吋鐘條件下運行吋，芯片地電流在1到400ua左右，時鐘關(guān)斷模式地最 低功耗只有o.lua淇次是獨特地時鐘系統(tǒng)設(shè)計，在msp430系列中有兩個不同 地系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)(有地使用一個晶體振蕩器，有地使用兩個晶 體振蕩器)和鎖頻

21、環(huán)時鐘系統(tǒng)或dco數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)這些時鐘可以在 指令地控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗地控制.2.2.2 msp430f5438a 介紹木設(shè)計采用地msp430f5438a單片機(jī)具有低工作功耗，在1.8v到3.6v地 工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25mips.包含一個用于優(yōu)化功耗地創(chuàng)新電源管理模 塊.msp430f5438a 主要參數(shù)：1 256k flash, 16k ram;2. p1,p2 16 個中斷 10 口；3. 16位crc校驗；4. 16通道ad采用,200ksps,12路外部采樣，同時內(nèi)置一個溫度傳感器，可 以采集芯片溫度；5. 支持32位硬件乘法器；6rtc實時時鐘；7

22、. 4 個 usci,ucax 支持串口 jrda/spi,ucbx 支持 spi/iic；8. 15個捕捉/比較定時器；9jtag/sbw （4線/2線仿真下載）；10. ucs統(tǒng)一時鐘管理;11系統(tǒng)看門狗watchdogs；12. 支持多種低功耗模式lpm；13. 支持欠壓或低壓自動復(fù)位；2.3傳感器地選型光強(qiáng)傳感器選用地是bh1750fvi,這是一種用于兩線式吊行總線接口地 數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路.這種集成電路可以根據(jù)采集地光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來 調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈地亮度.利用它地高分辨率可以探測較大范圍地光強(qiáng) 度變化.該傳感器支持i2c通信，最小誤差變動在±20%,受紅外線影

23、響很小.溫度傳感器選用地是tmp275,是一個精度為0.5°c,兩線制，串行輸出溫度 傳感器，采用so-8地封裝，檢測溫度20°c至+10（tc,能滿足正常情況下地溫度 檢測.濕度傳感器選用地是dhtu,是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸岀地溫濕度 復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用地數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具 有極高地可靠性和卓越地長期穩(wěn)定性.傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 ntc測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接.因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、 超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點.可以對tmp275檢測到地溫 度進(jìn)行修正.可燃?xì)怏w傳感器使用地是mq2,可燃?xì)怏w傳

24、感器所使用地氣敏材料是在 清潔空氣中電導(dǎo)率較低地二氧化錫.當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃可燃?xì)怏w時, 傳感器地電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度地增加而增大.使用簡單地電路即可將 電導(dǎo)率地變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)地輸出信號.從而檢測對應(yīng)地可燃?xì)?體.紅外傳感器使用地是biss0001,這是是一款具有較高性能地傳感信號處 理集成電路.它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式地?zé)後岆?紅外開關(guān).它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、 烘干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭地過 道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域地白動燈光、照明和報警系統(tǒng).優(yōu)點是，內(nèi)設(shè)延遲

25、吋間定吋器和封鎖吋間定吋器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬，內(nèi)置參考電壓, 工作電壓范圍2v6v.3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1主控芯片模塊3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊本系統(tǒng)釆用地主控芯片為msp430f5438a單片機(jī)，有100個引腳，其芯片引腳如圖31所示： ai.o巴j 卜2：ji-tai.2zt"心卜匕心h.zmo j4i - zl 7“< ik 6* gxdjl2-s1moj9jksdmi40flash.< s41jhsi mo42ktbthoo4jjgtblki44兒i bd.z45x11 ho j461 b0 447k>1 bo 54(ho 649a,t50rs

26、v up2.i/taixi；p22ta1.1$p2jta12f24 rtcclk訂p23p2a ac lkp2.? adc ixlk dmafco p3xi lc hostlucaollk p3lc hosimoucbosda p3j lc honomi i t hos< l fs3 lc blx lk t c aoslfc dv»3dv0c3p3.4 lcautxd ucaos1mo p3jlcaarxdl<a0m>mir i( h ii i ( 5；l ik p3.7 lc h1simd i < b1sdap4.0tb0.o p4.itb0.1p4jtb0

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29、ipi02kix hsc i.pio1lc bsimo ia bisdafi ll(kl< basttllcajclkm9ja2-a2mmjai-ai打jao-ao9695thl94ims93m2idohittst"9089xu100 jaj-a5mx (ad<7勒 bp ittvihi 圧只心lopvk.in i op sumi77 l4>t-simo八二- /r:j/' -:yy-一tjt二>二¥二-:二47*2i*<二9j0j7-z4j5二j二9 二 二4/>to*<£xx 47二-<<j

30、3;£-*-一-a1 -一*(>圖3-1 msp430f5438a芯片引腳電路系統(tǒng)主吋鐘晶振如圖3-2所示采用地是32768hz地晶振,xin接到單片機(jī)p7.0 口 ,xout 接到單片機(jī) p7.1 口.xin圖3-2 msp430f5438a晶振電路系統(tǒng)復(fù)位電路如圖3-3所示，單片機(jī)復(fù)位引腳p9.7上拉510k電阻接vcc, 通過電容接地，電容兩端并聯(lián)一個獨立按鍵，用以完成單片機(jī)地系統(tǒng)復(fù)位.圖3-3 msp430f5438a復(fù)位電路3.1.2系統(tǒng)電源模塊整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板地主控芯片模塊和數(shù)據(jù)采集子模塊（包括相關(guān)傳感器）均采用3.3v系統(tǒng)電源供電.系統(tǒng)電源電路如圖3-4所示，通

31、過電容濾波、去耦后由tps5430完成由12v到3.3v地轉(zhuǎn)換.圖3-4 msp430f5438a電源電路3.2子系統(tǒng)模塊3.2.1光強(qiáng)采集模塊1、bh1750fvi傳感器介紹光強(qiáng)采集模塊選取地是bh1750fvi.是-種16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強(qiáng)度 傳感器集成電路，用于兩線式串行總線接口地數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路. 這種集成電路可以根據(jù)采集地光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈地亮 度利用它地高分辨率可以探測較大范圍地光強(qiáng)度變化（llx655351x）.引腳說明如圖35和表31所示:u31vccascl625addkl/vl3a4uinubh1750fvi圖3-5 bh1750引腳圖表3j

32、bh1750引腳功能表管腳編號端口名稱功能1vcc電源端口2addri2c 地址控制端，如果 addr=<<hn(addr>0.7vcc), 那么 high byte=u1011100m.如果addr=“l(fā)” (addr<0.3vcc),那么low byte = t001 0000”.3gnd接地端口4sdafc 接口 sda 端口5dvisda,scl端口參考電壓,dvi端口為內(nèi)部寄存器地異 步重置端口6sclfc 接口 scl 端 口2、光強(qiáng)采集模塊電路設(shè)計在本設(shè)計中釆用3.3v供電,addr地址段接地，電源和地線之間通過瓷片 電容濾波.數(shù)據(jù)線sda和時鐘線scl接

33、一個10k地上拉電阻接vccqvi內(nèi) 部寄存器地異步重置端口上拉10k電阻接vcc,然后通過電容接地整體電路 通過sda與scl線與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊.sda線接單片機(jī)p9.1 口,scl線 接單片機(jī)p9.2 口電路如圖36所示：+3.3v光強(qiáng)傳感器bh1750fviaddr=o,從器地址0100011圖36光強(qiáng)傳感器電路在數(shù)據(jù)采集地時候主要由i2c地數(shù)據(jù)線和時鐘線來完成和單片機(jī)地數(shù)據(jù) 交換.3.2.2溫度采集模塊1、tmp275傳感器介紹數(shù)字輸出溫度傳感器tmp275,是一個精度為0.5°c、兩線制、串行輸出溫 度傳感器,tmp275是與smbus兼容地，并支持在一條總線上使用多達(dá)

34、八臺器 件.額定運行溫度范圍為一40°c至+125°c.引腳說明如圖3-7和表3-2所示：u41sdav+827scla036alertal45gnda2tmp275a1dr如圖3-7 tmp275引腳圖表32 tmp275引腳功能表管腳編號端口名稱功能1sdafc 接口 sda 端口2sclfc 接口 scl 端口3alert通過高低電平配置寄存器4gnd接地端口57a0 a28個地址選擇8v+電源端口2、溫度采集模塊電路設(shè)計本設(shè)計地溫度采集模塊電路采用數(shù)字芯片，與介紹設(shè)計地電路基本-致， 除數(shù)據(jù)線sda和時鐘線scl上拉10k電阻接vcc和在vcc和gnd之間 加一個旁

35、路電容之外并無其他元器件sda線接單片機(jī)p9口,scl線接單片 機(jī)p9.2 口電路如圖3-8所示：數(shù)字輸出溫度傳感器tmp275 a2a1a0二000,從器件地址 1001000圖3-8 tmp275電路在數(shù)據(jù)采集地時候主要由i2c地數(shù)據(jù)線和時鐘線來完成和單片機(jī)地數(shù)據(jù) 交.3.2.3濕度采集模塊1、dht11傳感器介紹數(shù)字溫濕度傳感器dht11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出地溫濕度傳 感器.它應(yīng)用專用地數(shù)字模塊釆集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高 地可靠性與卓越地長期穩(wěn)定性.dht11傳感器采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集 成變得簡易快捷，具有體積小、功耗低，信號傳輸距離長等優(yōu)點，是各類苛刻地

36、應(yīng) 用場合地最佳選則.產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便,引腳說明如圖39所 示：寸 nou圖3-9 dhtu引腳圖表33 dht11引腳說明管腳編號端口名稱功能1vdd供電35.5vdc2data串行數(shù)據(jù),單總線3nc空腳,請懸空4gnd接地，電源負(fù)極2、濕度采集模塊電路設(shè)計木設(shè)計中地dht11為單總線型地數(shù)據(jù)傳輸，僅通過一根數(shù)據(jù)線（data）與單片機(jī)相連.接上拉電阻，在vcc和gnd之間接入一個旁路電容.電路如圖3-9所示：+3.3v+3.3v10k t1data113a14con4r8 +3.3vu8ce1con16.5-tc2c104溫濕度傳感器dht11圖3-9 dht11電路3.2.

37、4氣敏傳感器監(jiān)測模塊1、傳感器介紹mq-2半導(dǎo)體煙霧傳感器所使用地氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低 地二氧錫.當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時,傳感器地電導(dǎo)率隨空氣中可 燃?xì)怏w濃度地增加而增大.使用簡單地電路即可將電導(dǎo)率地變化傳換為與該 氣體濃度相對應(yīng)地輸出信號.芯片優(yōu)點：1. 在較寬地濃度范圍內(nèi)對可燃?xì)怏w有良好地靈敏度2. 對液化氣、丙烷、氫氣 地靈敏度較高3. 長壽命、低成本4. 簡單地驅(qū)動電路即可2、可燃?xì)怏w采集模塊電路可燃?xì)怏w采集模塊電路主要當(dāng)它所處環(huán)境中有可燃?xì)怏w時,傳感器地電導(dǎo) 率隨著空氣中可燃?xì)怏w地濃度增大而增大，從而使輸岀相應(yīng)地信號.在本設(shè)計 中，對采樣所得地信號增加了一個比較

38、電路，使采樣信號與設(shè)定電壓值比較判 斷可燃?xì)怏w濃度是否到達(dá)臨界值,從而達(dá)到警報地效果其電路如圖310所示:氣敏傳感器mq-2圖310氣敏傳感器電路圖本系統(tǒng)氣敏傳感器電路特點：1、雙路信號輸出（模擬量輸出及ttl數(shù) 字電平輸出）；2、dout端正常情況下輸出低電平（低于運放同向端輸入地 設(shè)定閾值何直接接單片機(jī)10 口輸入判讀）；3、模擬量輸出（out端）0到3v電 （調(diào)節(jié)滑動變阻器可以改變最大電壓，由于單片機(jī)內(nèi)部adc參考電壓最大值 為3.3v），濃度越高電壓越高；4、對液化氣、天然氣、co等有害氣體具有較 好地檢測靈敏度；5、具有長期地使用壽命和可靠地穩(wěn)定性；6、快速地響應(yīng) 恢復(fù)特性.3.2.

39、5紅外采集模塊1、傳感器介紹紅外熱釋電處理芯片biss0001是一款具有較高性能地傳感信號處理集 成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式地?zé)後岆娂t外 開關(guān).它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘 干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭地過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域地自動燈光、照明和報警系統(tǒng).引腳說明如圖311和表34所示：9toft vcvref -ibvssvddrr220utrc22in-rc11in+rr1 1in-v0 10uta 、14156ic187654327b1ss0001sop 16圖3-11 bis0

40、01引腳圖表3-4 bis001引腳功能表管腳編號端口名稱功能1a可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端.當(dāng)a為“1” 時，允許重復(fù)觸發(fā)；反z,不可重復(fù)觸發(fā)2vo控制信號輸出端由vs地上跳前沿觸發(fā)，使vo輸 出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā).在輸 岀延遲時間tx之外和無vs地上跳變時,vo保持 低電平.3rr1輸出延遲吋間tx地調(diào)節(jié)端4rc1輸出延遲吋間tx地調(diào)節(jié)端5rc2觸發(fā)封鎖時間ti地調(diào)節(jié)端6rr2觸發(fā)封鎖時間ti地調(diào)節(jié)端7vss工作電源負(fù)端8vrf參考電壓及復(fù)位輸入端通常接vdd,當(dāng)接“(f時可使定吋器復(fù)位9vc觸發(fā)禁止端.當(dāng)vc<vr時禁止觸發(fā)；當(dāng)vc>vr時允許觸發(fā).vr-

41、0.2vdd10ib運算放大器偏置電流設(shè)置端11vdd工作電源正端122out第二級運算放大器地輸出端132in第二級運算放大器地反相輸入端141in+第一級運算放大器地同相輸入端151in第一級運算放大器地反相輸入端2、紅外熱釋電采集模塊電路如圖3-12中,r10為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度.當(dāng)作為照明控制時，若環(huán) 境較明亮,r10地電阻值會降低，使9腳地輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信 號vs.c0n3是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)2與3端連通吋，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工 作方式；當(dāng)2與1端連通時，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式.輸出延遲時間 tx由外部地r11和c18地大小調(diào)整，值為tx24576x

42、rllc18；觸發(fā)封鎖時間 ti由外部地r15和c17地大小調(diào)整，值為ti=24xr15c17.圖中r12可以調(diào)節(jié)放 大器增益地大小，原廠圖紙選10k,實際使用時可以用3k,可以提高電路增益改 善電路性能.r11/r15可以用470歐姆,c6/c7可以選0.1u.因此當(dāng)環(huán)境較暗 時,kp500b監(jiān)測到紅外,biss0001地v0端有高電平輸出,并保存10秒鐘.通過 主控芯片msp430f5438a地i/o地采樣，環(huán)境較暗時有無紅外會顯示在12864 液晶顯示屏上.”v*5v圖312紅外熱釋電電路3.2.6液晶顯示和鍵i 模塊1、液晶12864介紹12864a-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示

43、漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16*16點陣）、128個字符（8*16點陣）及64*256點陣顯示ram（gdram）.其引腳功能表如表35所示：圖35 12864引腳功能表管腳編號端口名稱功能1vss模塊地電源地2vdd模塊地電源正端455.5v3v0lcd驅(qū)動電壓輸入端4rs(cs)并行地指令/數(shù)據(jù)選擇信號；串行地片選信號5r/w(sid)并行地讀寫選擇信號；串行地數(shù)據(jù)口6e(clk)并行地使能信號；串行地同步時鐘7dbo數(shù)據(jù)08db1數(shù)據(jù)19db2數(shù)據(jù)210db3數(shù)據(jù)311db4數(shù)據(jù)412db5數(shù)據(jù)513db6數(shù)據(jù)614db7數(shù)據(jù)715psb數(shù)據(jù)816nc空腳17/ret并/串行接

44、口選擇：h并行；l串行18nc空腳19led_a背光源正極（led+5v）20led_k背光源負(fù)極（ledov）2、液晶模塊電路原理圖液晶12864電路圖如圖313所示,d0-d7接到單片機(jī)p8 口液晶rs引腳接到單片機(jī)p3.0 口，液晶rw引腳接到單片機(jī)p3.5 口，液晶e引腳接到單片機(jī)p3.4 口.圖313液晶12864電路圖38-3、鍵盤模塊電路原理圖鍵盤模塊電路圖如圖3-14所示,矩陣鍵盤地接口和單片機(jī)地p7 口相連.圖314鍵盤電路原理圖3.3硬件電路板地焊接與制作3.3.1系統(tǒng)硬件電路原理圖根據(jù)我們所需系統(tǒng)模塊破件，畫岀如圖3-15地原理圖，其中包含了電源電 路、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)電路

45、、與核心板通信接口電路等子模塊：bapc5 capacitor pol3 3vu4sda v sci ao alert algnd a2tmp275aidr匕coolvfcoxi3jvc20p1*5v半cio1<mu6ru co <=客4。c17 imshp-500b-vc ib vdd 20ut 2in. un* 1in- 10vtc<2 coni咎 out:cis104|l卜con3圖315系統(tǒng)原理圖3.3.2系統(tǒng)硬件電路pcb圖在pcb設(shè)計中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計地重要步驟，我們地pcb布線為雙面布線.為了避免輸入端與輸出端地邊線相鄰平行而產(chǎn)生反射干擾和兩相鄰布線層互相平

46、行產(chǎn)生寄生耦合等干擾而影響線路地穩(wěn)定性，我們pcb在制版中考慮pcb尺寸大小、確定特殊組件地位置、布局方式、電源和接地線處理地基本原則、導(dǎo)線設(shè)計地基本原則完成pcb布線，如圖3j6所圖3-16系統(tǒng)pcb圖經(jīng)過pcb板打樣和元器件焊接，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)pcb電路板如圖317所圖3-17數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路板4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件開發(fā)環(huán)境及編程思想簡介msp430微處理器開發(fā)環(huán)境采用iar公司地集成調(diào)試環(huán)境embeddedworkbench.集成環(huán)境如圖所示此編譯軟件可通過jtag調(diào)試器（jtagdebugger）直接將程序代碼下載到片內(nèi)flash中，即可脫機(jī)運行,也可通過調(diào)試器在線調(diào)試.整個用戶界面

47、友好，操作簡單.mt acw projecttoohmdpo wo a二廠a m*uq463prxdat = ucb1rxbuf;/ move rxco address pjudd “fii.i兀464»else曰 o surymqtinan httdaylrtmc hbbohth.co b mom e-qoutdb<wdcrctyimodht11> dim»h q irtipftor. p心 hq m»p4m toouipui465466467 46®469470471472473474475476477470479460481 82483

48、484485486 4ft?c-ts«(prxgtd « ucb1rxbuf； ucb1ctl1 |* uctx8tp/ _(50);timdatao (rxbuff«r(0);te»2da*al s (rxbufferli);/lsd (kxburfl) i kx>uff«rfo7； rxby“c" » 2； lag 0;/ movo finl rx das to prxdom / i2c stop condition/ victor lotif (txbytectr)ucb1txbuf ptxdata；/txbyt

49、ctr；r««d_flag 1;1“/ucb1ctl1 l uctxstp；firm t rr:人口 *.!>rnctrrx：/tx byf counter/ lgd tx butfr/ decreicene tx byte counter / xe«d/ t2c stop condition /r rrxrr ml txune| mdjmuoteo圖 4-1 embedded workbench 調(diào)試環(huán)境嵌入式系統(tǒng)地軟件編程思想分為兩種:模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程.模塊化 編程就是指將一個大地工程按功能分割成一些小地模塊，各模塊相對獨立、功 能單一、結(jié)構(gòu)清晰、

50、接口簡單，從而減小了整個工程程序設(shè)計地復(fù)雜性，縮短了 開發(fā)周期，并且易于程序地維護(hù)和功能擴(kuò)充.結(jié)構(gòu)化編程屮各子程序間使用結(jié) 構(gòu)良好地轉(zhuǎn)移或調(diào)用，各個模塊有機(jī)地組合成一個整體.在這個過程中,要注意 嚴(yán)格控制使用任意轉(zhuǎn)移語句.為了節(jié)省開發(fā)時間，提高程序地可移植性和可維護(hù)性，我們在開發(fā)過程中 采用模塊化編程.4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計系統(tǒng)地主程序運行時，首先應(yīng)該初始化系統(tǒng)地時鐘,然后調(diào)用系統(tǒng)初始化 子函數(shù)，初始化系統(tǒng)寄存器，主耍包括禁止看門狗、關(guān)閉不需要地外設(shè)以降低系 統(tǒng)地功耗.再初始化中斷向量表和與系統(tǒng)功能相關(guān)地微處理器地外設(shè)，包括i/o 端口、液晶、內(nèi)部adc、定時器、i2c串口、允許屮斷等.當(dāng)所有地

51、初始化完 成之后，最后系統(tǒng)便進(jìn)入到一個while（l）地?zé)o限循環(huán)之中，進(jìn)行實吋讀取溫度、 光強(qiáng)值、濕度值、可燃?xì)怏w濃度、當(dāng)環(huán)境較暗時有無紅外，同時等待定時中斷 地到來，在子函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)地采集、數(shù)據(jù)存儲監(jiān)控顯示等功.系統(tǒng)主程序流程 如圖42所示：圖42系統(tǒng)主程序流程圖首先系統(tǒng)上電復(fù)位,開始運行程序.首先進(jìn)報警預(yù)設(shè)值，通矩陣鍵盤設(shè)定報 警值，并通過液晶顯示,在用戶設(shè)置完成按下確定按鍵以后，開始整個系統(tǒng)地數(shù) 據(jù)采集，通過單片機(jī)在液晶界面實吋顯示.在主程序框架地設(shè)計過程中，有一些事項需特別注意：1、中斷子程序中地代碼數(shù)量不宜過多，過多地代碼數(shù)量會使得中斷子程序 運行地時間變長，定時地效果變差.2、在

52、主程序地設(shè)計屮，采用了軟件開啟看門狗地抗干擾措施，防止由于程序 拋飛造成程序陷入無用地死循環(huán)中.3、芯片使用時嚴(yán)格按照時序，以及使用地環(huán)境溫度.4.3系統(tǒng)子程序設(shè)計4.3.1按鍵設(shè)置程序按鍵子程序主要用于設(shè)定閾值報警系統(tǒng).所以必須滿足下列兩個條件：（1）開機(jī)時進(jìn)入設(shè)置界面預(yù)設(shè)初值.（2）在軟件運行過程中，每當(dāng)用戶需要修改閾值時候可以隨時修改.開機(jī)時以及按下設(shè)定按鍵時，進(jìn)入設(shè)置子程序,開始修改閾值.按下“+鍵”或 “鍵”修改預(yù)設(shè)值,按下“確定鍵'，來跳到下一個環(huán)境參數(shù)設(shè)定，最后一次按確定 以后退出設(shè)置子程序.流程圖4-3所示：（開始j設(shè)置光強(qiáng)閾值設(shè)置溫度閾值設(shè)置濕度閾值結(jié)束圖43按鍵設(shè)置

53、流程圖4.3.2數(shù)據(jù)監(jiān)測程序數(shù)據(jù)交換是木設(shè)計中最關(guān)鍵地一環(huán)，是其他程序設(shè)計地基礎(chǔ).所有傳感器檢測到地數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后地數(shù)據(jù)與矩陣鍵盤設(shè)定閥值比較判斷，當(dāng)處理后地數(shù)據(jù)超過閥值時，蜂鳴器會報警.數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖如圖44所圖44數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖4.3.3主控芯片msp430f5438a時鐘設(shè)定程序單片機(jī)工作離不開時鐘,在我們熟悉地51單片機(jī)里面,就是外部那個 11.0592m或12m地晶振給單片機(jī)地cpu和片上外設(shè)提供時鐘節(jié) 拍.msp430f5438a也是一樣，但是msp430f5438a地時鐘系統(tǒng)比51要先進(jìn)和 復(fù)雜很多.51地吋鐘源只有一個來自外部晶振，直接提供給內(nèi)部工作；而 msp430地時鐘是一個專門地模塊,至少有3個可選時鐘源（msp430f5438a 有5個），這些基本地時鐘源不直接提供給cpu和外設(shè)使用，而是經(jīng)過一些數(shù) 據(jù)選擇器和分頻器，得到3個有用地時鐘信號.msp430地cpu和片上外設(shè)可以 根據(jù)需要,選擇這3個時鐘信號中合適地時鐘.msp430地低功耗跟它地時鐘系 統(tǒng)有很大關(guān)系.msp430f5438a中一共有5個吋鐘源：xt1clk