計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)試與控制――溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)溫度采集廣泛應(yīng)用于人們的生活和生產(chǎn)中，使用溫度計(jì)來(lái)采集溫度，這樣不但采集精度低，實(shí)時(shí)性差，而且操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大。本設(shè)計(jì)就是一中采用溫度傳感器MAX6613作為檢測(cè)元件，MSP430F149作為CPU 的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。1. 原理簡(jiǎn)介溫度采集系統(tǒng)主要通過(guò)溫度傳感器MAX6613采集得到溫度數(shù)據(jù)，MSP430F149作為CPU 從溫度傳感器瀆取數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷然后做相應(yīng)的處理，比如顯示或者報(bào)警。溫度傳感器通過(guò)某種關(guān)系的換算，就可以得到溫度與輸出電壓的關(guān)系，對(duì)于MAX6613來(lái)說(shuō)，其輸出的電壓與溫度的關(guān)系如下圖1所示。 圖1.

2、MAX6613傳感器輸出的電壓與溫度的關(guān)系單片機(jī)通過(guò)模擬口采集得到傳感器輸出的電壓，通過(guò)設(shè)置的參考電壓就可以得到傳感器的輸入電壓，再通過(guò)一定地計(jì)算公式就可以獲得溫度參數(shù)，將得到的溫度參數(shù)進(jìn)行分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如顯示或者報(bào)警。由于MSP430F149片內(nèi)集成了AD 轉(zhuǎn)換通道，這樣可以直接將單片機(jī)的AD 輸入通道與傳感器的模擬電壓輸出通道相連接。另外系統(tǒng)通過(guò)鍵盤(pán)輸入來(lái)完成對(duì)報(bào)管溫度的上限和下限的設(shè)置，通過(guò)顯示電路將得到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，當(dāng)溫度超過(guò)上：限和下限的時(shí)候系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警是通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面一部分將具體紹系統(tǒng)的構(gòu)成。2. 系統(tǒng)功能描述系統(tǒng)主要由鍍盤(pán)輸入模塊、傳感器采集模塊

3、、顯示模塊、報(bào)警模塊和CPU 處理模塊等組成，整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如下圖2所示。圖2系統(tǒng)的原理框圖由圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。傳感器模塊與單片機(jī)的A/D通道進(jìn)行連接，這樣可以簡(jiǎn)化模擬采集的設(shè)計(jì)，從而可以減小設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加系統(tǒng)的可靠性，也同時(shí)減小了PCB 的面積。鍵盤(pán)輸入模塊是通過(guò)單片機(jī)的Pl 口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于Pl 口具有中斷功能，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易，并且也非常適合軟件編程。電源及復(fù)位模塊主要是為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的電源，另外考慮到系統(tǒng)工作需要有復(fù)位功能，因此也為系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào)。報(bào)警模塊主要是單片機(jī)在檢測(cè)到報(bào)警條件時(shí)，給一個(gè)報(bào)警信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。顯示模塊主要是

4、為了將得到數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，這樣便于實(shí)時(shí)觀(guān)察。下面一節(jié)將詳細(xì)介紹各個(gè)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)通過(guò)上面的介紹，知道整個(gè)系統(tǒng)包括：鍵盤(pán)輸入模塊、傳感器采集模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、CPU 處理模塊和電源及復(fù)位模塊，下面就具體的電路進(jìn)行介紹。3.1電源電路整個(gè)系統(tǒng)采用3.3v 供電，考慮到硬件系統(tǒng)對(duì)電源要求具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的電源部分采用TI 公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好滿(mǎn)足該硬件系統(tǒng)的要求，另外該芯片具有很小的封裝，因此能有效節(jié)約PCB 板的面積。電源電路具體如圖3所示。為了使輸出電源的紋波小，在輸出部分用了一個(gè)

5、2.2F 和0.1F 的電容，另外在芯片的輸入端也放置一個(gè)0.1F 的濾波電容，減小輸入端受到的干擾。3.2復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)里，單片機(jī)需要復(fù)位電路，復(fù)位電路可以采用R C 復(fù)位電路，也可以采用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路，R C 復(fù)位電路具有經(jīng)濟(jì)性，但可靠性不高，用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路具有很高的可靠性，因此為了保證復(fù)位電路的可靠性，該系統(tǒng)采用復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路，該系統(tǒng)采用MAX809芯片。復(fù)位電路如圖4所示。為了減小電源的干擾，還需要在復(fù)位芯片的電源輸入腿加一個(gè)0.1F 的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波以減小輸入端受到的干擾。 圖3. 電源電路 圖4. 復(fù)位電路3.3鍵盤(pán)健人電路鍵盤(pán)電路主要是用來(lái)輸入數(shù)據(jù)

6、，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該系統(tǒng)的鍵盤(pán)設(shè)計(jì)是采用掃描方式 實(shí)現(xiàn)的矩陣鍵盤(pán)。鍵盤(pán)的電路圖如圖5所示。 圖5鍵盤(pán)輸入電路3.4顯示電路系統(tǒng)的顯示電路采用的是簡(jiǎn)單的LED 顯示方式，這樣的方式能滿(mǎn)足該系統(tǒng)的要求，也可以減低系統(tǒng)的成本。圖6為該系統(tǒng)的顯示電路。 圖6顯示電路3.5溫度采集電路該系統(tǒng)的溫度采集部分是采用MAX6613溫度傳感器來(lái)采集溫度數(shù)據(jù)，作為單片的溫度傳感器，該芯片具有以下特點(diǎn)： 寬電壓供電。該芯片的供電電壓為18v 一55v 。 較高的精度。該芯片的精度為13。 大的測(cè)量范圍。該芯片的溫度范圍為55一130。 較小的封裝。該芯片具有很小的封裝，采用的是SC70封裝。由于該系統(tǒng)采用的是MA

7、X6613作為溫度采集傳感器，這樣該系統(tǒng)的這部分電路將非常簡(jiǎn)單，圖8為該系統(tǒng)的溫度采集電路。 圖8溫度采集電路通過(guò)8圖可以看出，該采集電路具有簡(jiǎn)單、實(shí)用等特點(diǎn)。為了減少電源的輸入紋波對(duì)采集電路的影響，在電源的管腳增加一個(gè)0.1F 的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的于擾。3.6報(bào)警電路該部分電路主要是驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器，這樣只需要將蜂鳴器的一端接地，另外一端與單片機(jī)進(jìn)行相接就可以了，考慮到MSP430F149的驅(qū)動(dòng)能力，需要加一個(gè)放大電路。圖9為報(bào)警電路的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)圖9可以看出，該報(bào)警電路具有簡(jiǎn)單、實(shí)用等特點(diǎn)。為了減少電源的輸入紋波對(duì)放大電路的影響，在電源的管腳增加一個(gè)0.1F 的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，

8、以減小輸入端受到的干擾。圖 9 報(bào)警電路 圖 10 單片機(jī)電路 3.7 單片機(jī)電路 單片機(jī)電路作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分， 主要是完成與其他電路的接口， 從而獲得數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理，將處理的結(jié)果采用某種方式表示出來(lái)，比如顯示或者報(bào)警。圖 10 為單片機(jī)電 路。 通過(guò)圖 10 可以看出，單片機(jī)的接口電路非常簡(jiǎn)單，分別采用單片機(jī)的一般 IO 口實(shí)現(xiàn) 與其他電路的接口，在單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)上與其他單片機(jī)有一定的區(qū)別，MSP430F149 單片 機(jī)采用兩個(gè)時(shí)鐘輸入，個(gè) 32kHz 的時(shí)鐘信號(hào)，一個(gè) 8MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。該系統(tǒng)的時(shí)鐘部 分那是采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)的。 考慮到電源的輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響， 在電

9、源的管腳增加 一個(gè) 0.1F 的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。另外單片機(jī)還有模擬電源的輸 入端， 因此在這里需要考慮干擾問(wèn)題， 在該系統(tǒng)中的干擾比較小， 因此模擬地和數(shù)字地共地， 模擬電源輸入端增加一個(gè)濾波電容以減小干擾。 4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)前面對(duì)系統(tǒng)硬件的了解， 這一節(jié)介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的軟件主要包括采集模 塊、輸入模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和主處理模塊。下面就具體的各個(gè)模塊進(jìn)行介紹。 4.1 采集模塊 采集模塊重要是獲得 MAX6613 溫度傳感器的數(shù)據(jù)， 該部分主要是通過(guò) MSP430F149 片 內(nèi)的 AD 轉(zhuǎn)換來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)， 采集的模擬參考電

10、壓采用片內(nèi)的參考電壓。數(shù)據(jù)采集 的間隔時(shí)間通過(guò)定時(shí)器 A 來(lái)完成，就是在每次定時(shí)器 A 中斷到來(lái)時(shí)讀取 AD 轉(zhuǎn)換采集得到 的數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)之前先停止 AD 轉(zhuǎn)換，在讀取數(shù)據(jù)完畢后啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換，如果得到數(shù)據(jù)， 則設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位通知主程序， 告訴主程序已經(jīng)得到新的數(shù)據(jù)。 整個(gè)模塊采用的是中斷服務(wù) 程序的結(jié)構(gòu)完成。 4.2 輸人模塊 系統(tǒng)的輸入部分由為矩陣掃描鍵盤(pán)。 P1.0 和 P1.1 構(gòu)成了鍵盤(pán)的列線(xiàn)， P1.2、 P1.31 、 P1.4、 P1.5 和 P1.6 構(gòu)成了鍵盤(pán)的行線(xiàn)。該部分主要完成數(shù)據(jù)的輸入功能，鍵盤(pán)的工作原理是這樣 的，首先將 P1.3、P1.4、P1.5 和 P1.

11、6 設(shè)置為輸出，將 P1.0 和 P1.1 設(shè)置為輸入，并將 P1.0 和 P1.1 設(shè)置成低電平中斷觸發(fā)方式。將 P1.6 設(shè)置為低電平，如果該行上有按鍵按下的話(huà)， 則 P1.0 或者 P1.1 上為低電平，就會(huì)觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲得輸入的數(shù)據(jù)。如果 沒(méi)有鍵按下的話(huà)，則 P1.0 和 P1.1 均為高電平，不會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。依次將 P1.5、P1.4、 P1.3 和 P1.2 設(shè)置為低電乎來(lái)判斷該行是否有輸入，如果沒(méi)有輸入的話(huà)，P1.0 和 P1.1 均為高 電平，如果有輸入的話(huà)，P1.0 或者 P1.1 上為低電平，就會(huì)觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序， 獲得輸入的數(shù)據(jù)。為了防止鍵

12、盤(pán)的掃描而影響其他部分的處理，這里采用定時(shí)器 B 來(lái)檢察 是否有按鍵按下。 4.3 顯示模塊 該部分主要完成數(shù)據(jù)的顯示功能。在硬件設(shè)計(jì)中，顯示電路直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù) IO 口 進(jìn)行連接。P4.OP4.6 是用來(lái)顯示數(shù)據(jù)，P2.1 是用來(lái)控制小數(shù)點(diǎn)的顯示，P2.2、P2.3 和 P2.4 是用來(lái)控制數(shù)碼管的選通狀態(tài)，比如要在 DIS0 上顯示，需要在 P2.2 管腳上給出高電平選通 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。顯示模塊相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只是簡(jiǎn)單的將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。 4.4 報(bào)警模塊 報(bào)警處理模塊相當(dāng)簡(jiǎn)單，這里只是簡(jiǎn)單的在一個(gè) IO 口上送出數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)縫鳴器塊包括 初始化端口和數(shù)據(jù)產(chǎn)生兩個(gè)部分。 4.5 主處

13、理模塊 主處理模塊主要是將各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。 主處理模塊首先完成初始 化工作，初始化后進(jìn)入循環(huán)處理，在循環(huán)過(guò)程中主處理獲得采集模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理，根據(jù)處理后的結(jié)果來(lái)進(jìn)行顯示或者報(bào)警。由于報(bào)警的上限和下限需要設(shè)置，另外考慮 到對(duì)數(shù)據(jù)的保存，因此主程序先檢查門(mén)限是否在 FLASH 里面有，如果沒(méi)有則進(jìn)行等待設(shè)置 數(shù)據(jù)，設(shè)置完后才進(jìn)入下一步處理，也就是程序必須在有設(shè)置數(shù)據(jù)的情況下才能正常運(yùn)行。 下面給出主處理的流程圖，如圖 11 所示。 端 口 程序初始化 定時(shí)器 B 中斷到來(lái) 中 斷 服 務(wù) 計(jì)數(shù)器加 1 程 打開(kāi)中斷 序 設(shè)置行線(xiàn)輸出 讀 FLSH 有沒(méi)有？ 定時(shí)器 A 中斷到 AD 等待設(shè)置 讀 數(shù)據(jù) 啟動(dòng)定時(shí)器 啟動(dòng) AD 設(shè)置 數(shù)據(jù)處理 報(bào)警 數(shù)據(jù)正常 數(shù)據(jù)顯示 圖 11 主處理流程圖 該系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)集成的傳感器實(shí)現(xiàn)溫度采集報(bào)警系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。 通過(guò)軟件測(cè)試和硬件測(cè)試證明該系統(tǒng)能夠安全可靠地