基于MSP430單片機和DS18B20的數(shù)字溫度計

溫度測量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開始，常用的檢測方法有電阻式、熱電偶式、PN結(jié)型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。這些檢測方法都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢等)變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。
    這里提出一種基于MSP430單片機翻的小型測溫系統(tǒng)設(shè)計方案，主控制器采用MSP430單片機，數(shù)字溫度傳感器DS18B20通過單總線(1-wire)與單片機連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下澍量現(xiàn)場溫度，可應(yīng)用于倉庫測溫、樓宇空調(diào)控制和生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。

1 數(shù)字式溫度計的總體設(shè)計
    該系統(tǒng)以單片機為數(shù)字溫度計的主控制器，以集成數(shù)字溫度傳感器為溫度信息采集單元，液晶顯示器及其驅(qū)動元件為顯示單元。系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1所示。

2 硬件組成
    系統(tǒng)的主控制器選用了TI公司的單片機MSP430F1121A，沮度傳感器選用了DALLAS公司數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20，采用2位共陰極LED數(shù)碼管以及2個CD4511譯碼器實現(xiàn)溫度顯示。系統(tǒng)的整體設(shè)計電路如圖2所示。

2．1 主控制器
    MSP430F1121A具有獨特的超低功耗設(shè)計，具有5種低功耗模式，給低功耗儀表設(shè)計帶來了很大方便。MSP430F1121A型單片機為Flash型，可反復(fù)編程，且內(nèi)部集成了A／D轉(zhuǎn)換器，特別為智能式儀表、電池供電便攜設(shè)備而設(shè)計。MSP430F1121A特性如下：
    1)高效16位RISC內(nèi)核，16位精簡指令結(jié)構(gòu)，27條指令，125 ns指令周期時間，絕大多數(shù)指令可在1個時鐘周期內(nèi)完成；
    2)1．8～3．6 V低電壓供電，有多種省電模式，功耗特別低，一顆電池可工作10年；
    3)同其他微控制器相比，帶Flash的微控制器可以將功耗降低5倍，既縮小了線路板空間又降低了系統(tǒng)成本；
    4)6 μs的快速啟動時間可延長待機時間并使啟動更加迅速，降低了電池的功耗；
    5)內(nèi)含12位快速ADC／Slope ADC，只需外接1個電阻、1個電容即可實現(xiàn)高精度斜率A／D轉(zhuǎn)換；
    6)片內(nèi)資源豐富，有ADC，PWM，若干TIME，串行口，看門狗，比較器，模擬信號，強大的中斷功能；
    7)SP430系列產(chǎn)品可以提供多種存儲器選擇，從14位ADCs到LCD驅(qū)動電路的混合信號外設(shè)，簡化了各類應(yīng)用中MSP430的設(shè)計；
    8)ESD保護，抗干擾力特強。
2．2 譯碼驅(qū)動及顯示單元電路
    為了直觀地顯示出數(shù)字系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及工作數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的顯示模塊中采用LG5011AH共陰極LED數(shù)碼管，CD4511作為顯示譯碼電路，由CD4511把輸進來的二進制信號翻譯成十進制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來，如圖3所示。

    圖3中的D、C、B、A為BCD碼輸入端，分別與主控制器MSP430F1121A相應(yīng)的I／O端口連接，為消隱功能端，為燈測試端，LE為鎖存端。
    單片機MSP430F1121A對DS18B20測量后的數(shù)據(jù)進行控制處理，以8421BCD碼的形式傳送至CD4511，CD4511把BCD碼轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示。
2．3 溫度傳感器
    單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，每片DS18B20含有唯一的64位序列號，測溫范圍是-55～+125℃，完全符合系統(tǒng)要求。
    DS18B20數(shù)字溫度計提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，和MCU之間只需一條線連接，讀寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而無需外部電源。由于每個DS18B20有唯一的系列號(silicon serial number)，因此，多個DS18B20可存在于同一條單線總線上，此特性可以應(yīng)用于HVAC環(huán)境控制建筑物設(shè)備或機械內(nèi)的溫度檢測以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。
    數(shù)字溫度傳感器DS18B20有如下特性：
    1)獨特的單線接口只需1個接口引腳即可通信；
    2)多點(muhidrop)能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化；
    3)測量范圍從-55～+125℃增量值為0．5℃；
    4)以9位數(shù)字值方式讀出溫度；
    5)在1 s(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字。
    DS18B20采用3引腳PR-35封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 系統(tǒng)程序
    系統(tǒng)的程序主要包括主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序。
    程序的主要功能是實時顯示溫度、讀出并處理DS18B20的測量溫度值，溫度測量每1 s進行一次。其程序流程如圖5所示。

    DS18B20采用單總線方式傳輸數(shù)據(jù)，對時序的要求比較嚴格。MSP430單片機的控制操作不同于51系列，它的I／O口有方向控制及輸入輸出寄存器，讀寫操作要分別控制。以DS18B20為例，給出在MSP430系列單片機語言編譯環(huán)境Work-bench下部分程序代碼。

      
3．2 DS1SB20與單片機之間的通信命令和時序
    DS18B20工作過程中的協(xié)議如下：
    1)初始化；
    2)ROM操作命令；
    3)存儲器操作命令；
    4)時序。
    主機使用時間隙(time slots)讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位。
    由于DS18B20采用單總線協(xié)議方式，即在1根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對MSP430F1121A單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件方法模擬單總線的協(xié)議時序，完成對DS18B20的訪問。
    DS18B20在1根I／O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。
    該協(xié)議定義了初始化時序、讀時序、寫時序。
3．3 溫度數(shù)據(jù)的計算處理方法
    從DS18B20讀取出的二進制值必須先轉(zhuǎn)換成十進制值，才能用于字符的顯示。因為DS18B20的轉(zhuǎn)換精度為9～12位可選的，為了提高精度采用12位。在采用12位轉(zhuǎn)換精度時，溫度寄存器里的值是以0．062 5為步進的，即溫度值為寄存器里的二進制值乘以0．062 5，就是實際的十進制溫度值。一個十進制值和二進制值之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進制值化為十進制值后，就是溫度值的小數(shù)部分。小數(shù)部分因為是半個字節(jié)，所以二進制值范圍是0～F，轉(zhuǎn)換成了十進制小數(shù)值就是0．062 5的倍數(shù)(0～15倍)，這樣需要4位的數(shù)碼管來顯示小數(shù)部分，實際應(yīng)用可以采用1位數(shù)碼管來顯示小數(shù)，可以精確到0．1℃。

4 系統(tǒng)調(diào)試
4．1 硬件檢測和調(diào)試
    硬件調(diào)試比較簡單，在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，由于主控制器(MSP430F1121A單片機)部分是集成在利爾達單片機技術(shù)有限公司MSP430仿真器FET上的。因此主要是對DS18B20測溫模塊以及LED數(shù)字顯示模塊進行硬件檢測和調(diào)試。
4．2 軟件調(diào)試
    本程序采用單片機MSP430的語言編寫，用IAR system公司開發(fā)的IAR Embedded Workbench for MSP430 Kickstart編譯器編程調(diào)試。進入IAR Embedded Workbench集成環(huán)境，然后在該環(huán)境下建立一個項目，進入源程序編輯界面。在這里進行源程序的編輯，編譯結(jié)束后，源文件編譯通過之后，將生成目標(biāo)代碼。最后進入CSFY調(diào)試環(huán)境，如圖6所示。

    在CSPY環(huán)境中，分別進行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序、顯示數(shù)據(jù)刷新等子程序的編程及調(diào)試，通過觀察寄存器的窗口來判斷從DS18B20數(shù)字溫度計讀取的效據(jù)是否準(zhǔn)確。由于該數(shù)字溫度測試儀的時序要求比較嚴，把握讀寫時隙才能準(zhǔn)確地測量出溫度數(shù)值。因此在CSPY工作環(huán)境下，通過觀察程序運行的結(jié)果來斷定程序的正確以及準(zhǔn)確度。在出現(xiàn)錯誤時返回IAR Embedded Workb-ench工作界面，重新對程序進行編寫和修改。
4．3 整體調(diào)試
    通過硬件和軟件的調(diào)試后，連接各個模塊。由于主控制器模塊采用MSP430仿真調(diào)試器FET，其集成有MSP430F1121A單片機以及與其相關(guān)的外圍模塊，通過計算機串口連接并由計算機的串口供電(實際工作電壓為2．5 V)，進入相關(guān)的調(diào)試控制程序后對單片機進行管理和操作。
    溫度測量以及顯示模塊焊接在同一塊電路板上，由直流穩(wěn)壓電源提供3 V的電壓。通過數(shù)據(jù)線將3個主要模塊連接，DS18B20數(shù)字溫度計的數(shù)據(jù)端與MSP430F1121A單片機的散據(jù)端連接。為了保證溫度數(shù)據(jù)的正常讀取，必須將二者的接地端短接，以保證其電勢相等。接通電源后，由計算機進入MSP430調(diào)試環(huán)境，運行程序，這時LED數(shù)碼管開始顯示“00”(程序的開始復(fù)位信號)，然后顯示由DS18B20檢測的溫度數(shù)值。整體的調(diào)試過程必須一直調(diào)試到能正常的顯示溫度值，而且在有溫度變化時顯示溫度能改變就基本完成。

5 結(jié)論
    在基于MSP430單片機的溫度測試儀的設(shè)計中。在低功耗設(shè)計方面，首先是選擇低功耗元件，從單片機、傳感器和LED顯示器及其驅(qū)動電路，都盡量選擇市場上功耗最低的產(chǎn)品；其次在硬件電路設(shè)計方面，降低系統(tǒng)工作電壓；再次，是軟件設(shè)計融入低功耗思想，核心的方法就是在最短的時間內(nèi)把需要的工作完成，然后立即進入休息狀態(tài)，不論在工作還是休息狀態(tài)，立即關(guān)閉不必要的模塊，以最大限度地降低功耗，例如，采樣間歇狀態(tài)時，關(guān)閉單片機內(nèi)部除看門狗定時器之外的所有模塊，切斷傳感器和放大器的供電，將外部存儲器置于休眠狀態(tài)，只有顯示器處于活動狀態(tài)，最大限度地降低了功耗。這些低功耗的措施起到了良好的效果，成功地控制了MSP430單片機的溫度測試儀的功耗，使用MSP430為核心構(gòu)成的便攜式系統(tǒng)，MSP430單片機的溫度測試儀電池的使用壽命可以比基于一般CPU的系統(tǒng)延長3～5倍。在降低成本的措施方面，滿足性能的前提下，盡量選擇低成本元件，顯示部分采用了CD4511進行驅(qū)動顯示，溫度測量采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，在一根通信線上可以掛多個數(shù)字溫度測試儀，十分方便。相比其他的溫度傳感器，該系統(tǒng)設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、可調(diào)節(jié)的特點，且無需硬件同步時鐘控制。