2020年07月12日 | 基于MSP430单片机的温度控制系统设计与实现

1 项目要求

此系统的主要功能：

● 可以测量一定摄氏度内的温度；

● 用液晶显示温度，精确到小数点后两位；

● 利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度；

● 至少有高、低两路限温控制输出接口控制外部电路。

● 高、低两路限温控制点可在一定范围内独立设置，通过发光二极管模拟显示其控制状态输出。

● 当温度达到高、低限温控制点发光报警；

● 提高温度测量精度，使分辨率不低于0.10C；

● 可以通过按键设置高、低两路限温控制点。

2项目分析和系统设计

此数字温度控制系统硬件部分利用了MSP430G2553芯片内部的ADC10功能配置，结合DS18B20温度传感器来测量环境中的温度，将所测数值在LCD1602串行显示；软件部分利用CCS软件来进行编译，并且根据实际需要来完成各模块程序的编写，再进行复杂的调试。

3 硬件设计

该温度控制系统在MSP430G2553芯片的功能配置和协调下，与其他模块搭建来完成。由MSP430控制温度传感器DS18B20实时测量环境中的温度，然后在LCD5110显示出来，当该温度超过了设定的最大或者最小温度值时，LED开始报警。

                       输入输入

图3.1系统结构框图

3.1单片机选型模块

基于名为Launch Pad，MSP-EXP430G2低成本实验板是一款适用于TI最新MSP430G2XXX犀利产品的完整开发解决方案。基于USB的集成型仿真器可提供全系列MSP430G2XX器件开发应用所必备的所有软件、硬件。Lunch Pad具有集成的DIP目标插座，可支持多达20个引脚，从而使MSP430Value Line器件能够轻松插入LaunchPad实验板电路。

图3.2单片机选型模块图

3.2温度测量模块

温度测量传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器，测温范围为-55℃~125℃，可编程为9位~12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625℃，采用寄生电源工作方式，CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU口线少，可节省大量引线和逻辑电路。接口电路如图3.3所示。

图3.3 DS18B20测量电路图

3.3 LCD液晶显示模块

LCD液晶显示模块采用LCD1602型号，性价比高，LCD1602可以显示32个字符，口相对简单。1602共16个管脚，但是编程用到的主要管脚不过三个，分别为：RS(数据命令选择端),R/W（读写选择端）,E（使能信号）;以后编程便主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。

以下具体阐述这三个管脚：

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。

除此外，D0~D7分别为8位双向数据线。

其接线如图3.4所示

图3.4 LCD显示电路

3.4系统电源

整个电路采用USB电源，为所有的USB 外设提供了单一的易于使用的标准的连接类型，简化了USB 外设的设计。整个的USB 的系统只有一个端口和一个中断节省了系统资源。

本系统整体工作主要由单片机程序控制实现，其工作过程为：由MSP430控制温度传感器DS18B20实时测量环境中的温度，然后在LCD1602显示出来，当该温度超过了设定的最大或者最小温度值时，LED开始报警。

程序流程图如下：

图4.2 温度测量子程序图

5 系统调试5.1硬件调试

主要根据系统框图和硬件原理设计进行原理的绘制、各参数的设置、电路板的制作，以及元器件的焊接等。具体如下：

5.1.1 各单元电路，确认各单元电路链接无误，尤其是关键元器件，一定要接保护电阻。

（1）在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，电源连接是否正确测试LCD显示屏是否有输出，LCD显示屏上的温度的显示是否符合；

（2）运用MSP430单片机中简单的I/O口功能，优异在检查硬件是否正常工作时先检测单片机本身的I/O口设置，可以先不连接外部电路，使用单片机本身I/O口，测试程序是否正确，以免在软件调试中引起不必要的麻烦。

5.1.2 PCB设计注意事项：

在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并注意其要求。

（1）此系统采用的电阻和电容较多，注意在画PCB时注意各器件的封装，对照使用的实物选取封装，保证焊接硬件的正确性。

（2）此系统采用光敏电阻及较大的极性电容，介于成本的原因，采用的封装是是直插式的，在PCB设计时特别注意

（3）根据电路的模块布局，这样便于在出现问题时进行检查，尤其注意MSP430单片机系统中I/O口是否设置正确。

5.2程序调试

此程序设计中仅使用了MSP430单片机系统中I/O口资源，调试过程中，主要使用寄存器窗口，以及设置断点，观察系统程序主要实现对采集来的模拟信号进行模数转换，并对数字信号进行液晶显示，所以程序有采集模拟信号、DA转换和液晶显示三部分；在中断子程序设置断点，判断运行是否正确。在调试过程中，由局部到整体，判断程序可能出现的问题，认真分析逻辑，实现要求的功能，在简化程序。

5.2.1 CCSV5的打开步骤

• 右键Code Composer Studio v5快捷方式，左键打开。会出现如图5.2所示界面：
  

图5.1 Code Composer Studio v5软件加载界面

（2）加载完毕之后会有如图5.3所示界面出现：

图5.2 Code Composer Studio v5软件打开界面

（3）选择Project->Import Existing CCS Eclipse Project，导入程序文件夹中的工程；具体操作如图5.4：

图5.3 Code Composer Studio v5程序导入步骤图

5.2.2CCSV5的使用步骤               

  （1）CCS新建工程：

①首先打开CCS并确定工作区间，然后选择project-->New CCS Project

弹出图5.5对话框。，在简化程序。

图5.4创建新工程主界面

②在project name中输入新建工程名称turang。

③在Device部分中，Variant中选择MSP430G××× Family，芯片选择MSP430G2553，其余选择默认。

④选择空工程，然后单击Finish，完成新工程的创建。

⑤创建工程如图5.6所示：

图5.5ProjectExplorer界面

⑥然后选择File-->New-->Source File，新建一个C文件，并且命名为turang.C，并在工程名上右击选择Add Files，创建工程如图5.7：

图5.6 新建工程界面

(2）CCS调试：

①调试之前，先确定目标配置文件是否已经创建并且配置正确。

②首先进行工程编译：选择Project-->Build Project，编译目标工程。编译结果如图5.8所示，表示没有错误，可以进行下载调试，如果有错误，知道调试到没错误为止。

图5.7工程调试结果

③单击运行图标运行程序，可以观察显示的结果。在程序调试的过程中，也可通过设置断点来调试程序，选择需要设置断点的位置，右击鼠标选择Breakpoints-->Breakpoint，断点设置成功后显示图标可以通过双击该图标来取消该断点。程序运行的过程中还可以通过单步调试按钮进行调试。

5.3联合调试

整个系统的软硬件都完成后，需要进行联合调试，主要是针对系统设定的功能能否完成和完善进行调试。将电路线连接好，接入3V电源，LCD显示屏亮，且测得当前温度，如果当前温度超过给定的量程范围内LED等就会亮，此时就是发出警报，提示当前温度已超出给定温度范围。超出给定的温度（35°）LED灯就会亮，否则LED灯就会灭，如下图。

图5.8联合调试图

6项目演练

对于本设计，尚可以进一步进行如下设想：

使用按键控制设定的温度的高低，设计思路如下：

系统主要包括16位单片机MSP430、温度采集模块DS18B20、液晶显示模块LCD1602、键盘控制和执行机构等几个部分。设计思路如下：

系统总体方案设计框图如下：

                       输入输入

图6.1系统结构框图

此系统单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。430与51的最大区别在于430有很多的寄存器，较之51程序较为复杂。虽然与51单片机的组成都是差不多但还有很大的区别，就拿本次设计还说，虽说是之前是了解过还改用msp430设计还是有一点的难度，对于51单片机I/O口多，而现在我们用的msp430虽说是功能多，但编程起来还是很困难，可能是我知识的欠缺，之前所学的可能是最简单的，现在学习了这个16位的单片机还是有一点难度，不过我们还需多学习。

附录1电路设计原理图（参考）

1. 主程序：
   

2. void main()
   

3. {
   

4.                 WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;         //关闭看门狗
   

5.                 BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;          //BCSCTL1 Calibration Data for 1MHz
   

6.                 DCOCTL=CALDCO_1MHZ;           //DCOCTL  Calibration Data for 1MHz
   

7.                 BCSCTL2=SELM_1+DIVM_0;        //设置MCLK为1MHZ
   

8.               // __enable_interrupt();      // 中断控制开启
   

9. 
   

10.                 P1SEL&=0X00;            //设置P1口为I/O模式
    

11.                 P2SEL&=0X00;            //设置P2口为I/O模式
    

12.                 P1DIR|=0XFF;            //设置P1口为输出模式
    

13.                 P2DIR|= (BIT0+BIT1+BIT2+BIT4);            //设置P2口为输出模式
    

14. 
    

15.                 P1OUT&= 0X00;              //P1口清零
    

16.                 P2OUT&=~(BIT0+BIT1+BIT2);  //P2.0 2.1 2.2 清零
    

17.                 init();
    

18.                 DS18B20_Init();
    

19.                 //_EINT();
    

20. 
    

21.                 while(1)
    

22.                 {
    

23.                               DS18B20_ReadTemp();
    

24.                               xianshi();
    

25.                               baojing ();
    

26.                 }
    

27. }
    

28. 
    

29. 
    

30. 显示子程序：
    

31. void xianshi()
    

32. {
    

33.               float n;              unsigned long value;
    

34.               n=Temper*1000;
    

35.               value = (unsigned long int)n;
    

36. 
    

37.               temp_display[1] = digit[value/100000];          //100位
    

38.               value = value%100000;
    

39. 
    

40.               temp_display[2] = digit[value/10000];           //10位
    

41.               value = value%10000;
    

42. 
    

43.               temp_display[3] = digit[value/1000];            //1位
    

44.               value = value%1000;
    

45. 
    

46.               temp_display[5] = digit[value/100];             //0.1位
    

47.               value = value%100;
    

48. 
    

49.               temp_display[6] = digit[value/10];              //0.01位
    

50.               value = value%10;
    

51. 
    

52.               temp_display[7] = digit[value/1];               //0.001位
    

53. }
    

54. 
    

55. 
    

56. 报警子程序：
    

57. void baojing ()
    

58. {
    

59.               t=35;
    

60.               if(Temper>t)
    

61.               {
    

62. 
    

63.                             P2OUT|=BIT4;
    

64.                             DispStr(0,0,LCDBuf3);
    

65.                             DispStr(0,1,temp_display);
    

66.                             Disp1Char(8,1,0XDF);
    

67. 
    

68.               }
    

69.               else
    

70.                             {
    

71.                             P2OUT&=~BIT4;
    

72.                             DispStr(11,0,"     ");
    

73.                             DispStr(0,0,LCDBuf1);
    

74.                             DispStr(0,1,temp_display);
    

75.                             Disp1Char(8,1,0XDF);