基于MSP430單片機(jī)和DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)

張 軍，陳慧麗

（鄭州科技學(xué)院 河南 鄭州 450064）

溫度測(cè)量是從金屬（物質(zhì)）的熱脹冷縮開始，常用的檢測(cè)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(cè)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(shì)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[1]。

這里提出一種基于MSP430單片機(jī)[2]的小型測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主控制器采用MSP430單片機(jī)，數(shù)字溫度傳感器DS18B20通過單總線（1-wire）與單片機(jī)連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度，可應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)測(cè)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(jì)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以單片機(jī)為數(shù)字溫度計(jì)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(dòng)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

圖1 系統(tǒng)的基本組成框圖Fig.1 Basic composition block diagram of system

系統(tǒng)的主控制器選用了TI公司的單片機(jī)MSP430F1121A，溫度傳感器選用了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(gè)CD4511譯碼器實(shí)現(xiàn)溫度顯示[3-4]。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

2.1 主控制器

MSP430F1121A具有獨(dú)特的超低功耗設(shè)計(jì)，具有5種低功耗模式，給低功耗儀表設(shè)計(jì)帶來了很大方便。MSP430F1121A型單片機(jī)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(jì)。MSP430F1121A特性[5]如下：

1）高效16位RISC內(nèi)核，16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，27條指令，125 ns指令周期時(shí)間，絕大多數(shù)指令可在1個(gè)時(shí)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；

圖2 基于MSP430單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of digital thermometer based on MSP430 MCU

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）6μs的快速啟動(dòng)時(shí)間可延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間并使啟動(dòng)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(gè)電阻、1個(gè)電容即可實(shí)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(hào)，強(qiáng)大的中斷功能；

7）SP430系列產(chǎn)品可以提供多種存儲(chǔ)器選擇，從14位ADCs到LCD驅(qū)動(dòng)電路的混合信號(hào)外設(shè)，簡(jiǎn)化了各類應(yīng)用中MSP430的設(shè)計(jì)；

8）ESD保護(hù)，抗干擾力特強(qiáng)。

2.2 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路

為了直觀地顯示出數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)來的二進(jìn)制信號(hào)翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來，如圖3所示。

圖3 顯示系統(tǒng)Fig.3 Display system

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，BI為消隱功能端，LT為燈測(cè)試端，LE為鎖存端。

單片機(jī)MSP430F1121A對(duì)DS18B20測(cè)量后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示。

2.3 溫度傳感器[6-7]

單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20可以把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，每片DS18B20含有唯一的64位序列號(hào)，測(cè)溫范圍是-55～+125℃，完全符合系統(tǒng)要求。

DS18B20數(shù)字溫度計(jì)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(gè)DS18B20有唯一的系列號(hào)（silicon serial number），因此，多個(gè)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(jī)械內(nèi)的溫度檢測(cè)以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測(cè)。

數(shù)字溫度傳感器DS18B20有如下特性:

1）獨(dú)特的單線接口只需1個(gè)接口引腳即可通信；

2）多點(diǎn)（multidrop）能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化；

3）測(cè)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。

圖4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Internal structure diagram of DS18B20

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)時(shí)顯示溫度、讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值，溫度測(cè)量每1 s進(jìn)行一次。其程序流程如圖5所示。

圖5 DS18B20溫度計(jì)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of DS18B20 thermometer

DS18B20采用單總線方式傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)序的要求比較嚴(yán)格。MSP430單片機(jī)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(jī)語言編譯環(huán)境Work-bench下部分程序代碼。

3.2 DS18B20與單片機(jī)之間的通信命令和時(shí)序

DSl8B20工作過程中的協(xié)議如下：

1）初始化；

2）ROM 操作命令；

3）存儲(chǔ)器操作命令；

4）時(shí)序。

主機(jī)使用時(shí)間隙（time slots）讀寫 DSl820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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)MSP430F1121A單片機(jī)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(shí)序，完成對(duì)DS18B20的訪問。

DS18B20在1根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)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(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。

3.3 溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算處理方法

從DS18B20讀取出的二進(jìn)制值必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值，才能用于字符的顯示。因?yàn)镈S18B20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(shí)，溫度寄存器里的值是以0.062 5為步進(jìn)的，即溫度值為寄存器里的二進(jìn)制值乘以0.062 5，就是實(shí)際的十進(jìn)制溫度值。一個(gè)十進(jìn)制值和二進(jìn)制值之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進(jìn)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(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制值化為十進(jìn)制值后，就是溫度值的小數(shù)部分。小數(shù)部分因?yàn)槭前雮€(gè)字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍是0～F，轉(zhuǎn)換成了十進(jìn)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(shí)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(cè)和調(diào)試

硬件調(diào)試比較簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，由于主控制器（MSP430F1121A單片機(jī)）部分是集成在利爾達(dá)單片機(jī)技術(shù)有限公司MSP430仿真器FET上的。因此主要是對(duì)DS18B20測(cè)溫模塊以及LED數(shù)字顯示模塊進(jìn)行硬件檢測(cè)和調(diào)試。

4.2 軟件調(diào)試

本程序采用單片機(jī)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(jìn)入IAR Embedded Workbench集成環(huán)境，然后在該環(huán)境下建立一個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)入源程序編輯界面。在這里進(jìn)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(jìn)入CSPY調(diào)試環(huán)境，如圖6所示。

圖6 CSPY工作界面Fig.6 Working interface of CSPY

在CSPY環(huán)境中，分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)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(jì)讀取的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。由于該數(shù)字溫度測(cè)試儀的時(shí)序要求比較嚴(yán)，把握讀寫時(shí)隙才能準(zhǔn)確地測(cè)量出溫度數(shù)值。因此在CSPY工作環(huán)境下，通過觀察程序運(yùn)行的結(jié)果來斷定程序的正確以及準(zhǔn)確度。在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)返回IAR Embedded Workbench工作界面，重新對(duì)程序進(jìn)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(gè)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(jī)以及與其相關(guān)的外圍模塊，通過計(jì)算機(jī)串口連接并由計(jì)算機(jī)的串口供電（實(shí)際工作電壓為2.5 V），進(jìn)入相關(guān)的調(diào)試控制程序后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行管理和操作。

溫度測(cè)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(gè)主要模塊連接，DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的數(shù)據(jù)端與MSP430F1121A單片機(jī)的數(shù)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(shì)相等。接通電源后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)入MSP430調(diào)試環(huán)境，運(yùn)行程序，這時(shí)LED數(shù)碼管開始顯示“00”（程序的開始復(fù)位信號(hào)），然后顯示由DS18B20檢測(cè)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(shí)顯示溫度能改變就基本完成。

5 結(jié) 論

在基于MSP430單片機(jī)的溫度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，在低功耗設(shè)計(jì)方面，首先是選擇低功耗元件，從單片機(jī)、傳感器和LED顯示器及其驅(qū)動(dòng)電路，都盡量選擇市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品；其次在硬件電路設(shè)計(jì)方面，降低系統(tǒng)工作電壓；再次，是軟件設(shè)計(jì)融入低功耗思想，核心的方法就是在最短的時(shí)間內(nèi)把需要的工作完成，然后立即進(jìn)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(shí)，關(guān)閉單片機(jī)內(nèi)部除看門狗定時(shí)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(chǔ)器置于休眠狀態(tài)，只有顯示器處于活動(dòng)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(jī)的溫度測(cè)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(jī)的溫度測(cè)試儀電池的使用壽命可以比基于一般CPU的系統(tǒng)延長(zhǎng)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)顯示，溫度測(cè)量采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，在一根通信線上可以掛多個(gè)數(shù)字溫度測(cè)試儀，十分方便。相比其他的溫度傳感器，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，且無需硬件同步時(shí)鐘控制。

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