基于MSP430G2553的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要

目前，在自動控制領(lǐng)域利用溫度作為一種控制量對系統(tǒng)進(jìn)行自動控制已經(jīng)越來越普遍，在人們的生產(chǎn)生活中對溫度的測量和監(jiān)控已不可缺少。針對這種實際情況，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于MSP430G2553單片機(jī)的溫度檢測顯示系統(tǒng)，重點介紹了電源穩(wěn)壓電路，DS18B20溫度檢測電路，OLED顯示電路以及核心單片機(jī)的硬件電路設(shè)計，通過軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。最終實現(xiàn)了具有溫度檢測、顯示、報警功能的完整測溫系統(tǒng)，該設(shè)計可以直接方便的應(yīng)用于家庭測溫，工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】MSP430G2553 溫度檢測 OLED顯示

1 引言

當(dāng)前市面上常見的家用溫度產(chǎn)品均具有溫度顯示功能，但大多是用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示的，顯示內(nèi)容受到局限，主要原因是所使用的單片機(jī)一般不帶 AD 檢測功能，且LED 的控制較為簡單。本文的設(shè)計為了實現(xiàn)既定的功能，采用OLED進(jìn)行電源電壓值、溫度值及個人信息等相關(guān)內(nèi)容的顯示。同時，還要對溫度和電源電壓進(jìn)行測量，因此需要使用模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換芯片或帶AD功能的單片機(jī)。綜合考慮，本文設(shè)計的測溫系統(tǒng)最終選用帶有模數(shù)功能的16位通用單片機(jī)MSP430G2553作為核心處理器，以及DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測采集模塊，最后使用OLED對相關(guān)信息進(jìn)行顯示。最終實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能：傳感器測量溫度值，數(shù)據(jù)AD轉(zhuǎn)換后，通過設(shè)置溫度上下限設(shè)置報警溫度，在到達(dá)報警溫度后，系統(tǒng)會自動報警。溫度作為環(huán)境中最基本的參數(shù)，其與我們的日常生活息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)中同樣需要對實時溫度的測量，因此設(shè)計研發(fā)簡易實用的溫度測量監(jiān)控裝置具有十分重要的意義。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的核心電路是MSP430G2553單片機(jī)部分，再加上其余的三個子模塊構(gòu)成，分別是傳感器溫度采集模塊，電源供壓模塊，OLED顯示模塊。子模塊通過設(shè)置標(biāo)號管腳進(jìn)行模塊間的連接，再加上軟件程序的控制，實現(xiàn)對溫度及電池電壓的采集和顯示。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

基于上面的電路設(shè)計方案最終完成了具有如下功能的完整單片機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)功能流程圖如圖2所示：

（1）單片機(jī)AD采集電池電壓，并且在OLED顯示；

（2）溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，實時在OLED更新顯示；

（3）LED高溫報警循環(huán)閃爍。

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以 MSP430G2553 單片機(jī)為核心，使用工作電壓為 3.7V聚合物鋰電池對系統(tǒng)進(jìn)行供電，實現(xiàn)溫度和電壓檢測，OLED屏顯示，LED閃爍等功能。在AD（Altium Designer）電路板設(shè)計軟件上進(jìn)行系統(tǒng)硬件原理圖和PCB圖的繪制，最終手工焊接出實物。

下面將詳細(xì)介紹溫度檢測模塊，電源穩(wěn)壓模塊，OLED顯示模塊以及核心的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。最終完成的PCB電路板圖如圖3所示。

3.1 溫度檢測電路

溫度檢測模塊選用的是DS18B20數(shù)字溫度芯片進(jìn)行溫度的檢測和采集。所使用的溫度傳感器DS18B20感應(yīng)的溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃的測量的精度是±0.5℃，價格合理，測量精度較高，而且DS18B20可以直接從數(shù)據(jù)線上獲取供電而不需要再提供一個額外的外部電源。溫度檢測模塊的原理圖如圖4所示。

3.2 電源穩(wěn)壓電路

電源穩(wěn)壓模塊電路采用的是AMS1117穩(wěn)壓芯片。AMS1117芯片可保證設(shè)備在最大輸出電流時其最大壓差不超過1.3V，并且會隨負(fù)載電流的減少而逐漸降低。AMS1117的片上微調(diào)功能把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，且電流限制也得到了調(diào)整，盡量減少因穩(wěn)壓器或電源電路超載而造成的壓力，確保芯片和電源的穩(wěn)定性。該模塊電路原理圖如圖5所示。

3.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)核心處理器采用的是TI公司DIP20封裝的16位單片機(jī)MSP430G2553，其具有：處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，超低功耗，片內(nèi)資源豐富，開發(fā)環(huán)境高效等優(yōu)勢。該單片機(jī)供電范圍寬1.8V至3.6V，具有超低功耗及五種節(jié)能模式，具有16位精簡指令集（RISC）架構(gòu)和62.5ns指令周期時間，可在不到 1μs 的時間里快速地從待機(jī)模式喚醒。除此之外，它具有16KB的閃存和512B的RAM，帶有 8 通道的內(nèi)部基準(zhǔn)、采樣與保持以及自動掃描功能的10200ksps 模數(shù)（ A /D） 轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)對單片機(jī)電壓值的信號檢測，是一款性能優(yōu)異的經(jīng)典單片機(jī)。

該單片機(jī)具有28個管腳，具有多個通用I/O口，具有RST，TEST等功能端口，可十分方便的通過它控制其它子模塊，進(jìn)而實現(xiàn)規(guī)定的功能，其電路原理圖如圖6所示。

3.4 OLED顯示電路

信息顯示模塊采用OLED顯示屏，即有機(jī)發(fā)光二極管。OLED 具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快等特點，而LCD 都需要背光，因而OLED顯示效果要好一些。OLED及外圍電路的設(shè)計分為：芯片的設(shè)計，外圍電路的連接和轉(zhuǎn)為單排引腳分布便于電路的焊接。OLED功能的實現(xiàn)主要依靠其上的D0時鐘管腳、D1數(shù)據(jù)管腳、CS#片選管腳、RES#復(fù)位管腳、D/C#數(shù)據(jù)命令控制管腳等與核心MSP430G2553芯片連接通信。

通過數(shù)據(jù)手冊連接測試，該模塊的電路原理圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次設(shè)計使用C++編程語言在CCS（Code Composer Studio）單片機(jī)軟件開發(fā)平臺上對該系統(tǒng)的軟件進(jìn)行編程設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件模塊一一對應(yīng)硬件由三個小模塊組成，分別是實時溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、OLED驅(qū)動顯示模塊主城。圖8為本系統(tǒng)的軟件設(shè)計程序流程圖。

5 系統(tǒng)成果展示

最終整體系統(tǒng)的硬件PCB制作完成后的未焊接板如圖9，圖10所示。人工焊接電阻、電容、芯片、OLED屏等器件后的成品為圖11，12所示。

在實際運(yùn)行過程中，對該系統(tǒng)進(jìn)行不同環(huán)境下的溫度測試，在常溫下進(jìn)行長期溫度測試結(jié)果為圖13，可清楚看到顯示出正常的室溫，多次測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在一定誤差允許范圍內(nèi)，測得環(huán)境溫度均與實際數(shù)據(jù)相差不大，針對家庭使用環(huán)境情況，這種誤差可以忽略不計。通過手接觸加熱溫度傳感器的方式來模擬高溫環(huán)境，最終測試的結(jié)果圖為圖14，高于30度時可以看到觸發(fā)了高溫報警功能，兩個LED閃爍警報。

6 結(jié)論

本文利用低成本單片機(jī)MSP430G2553，并結(jié)合溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度檢測，實現(xiàn)預(yù)期的功能。并通過實際的使用測試，驗證了其實用性和穩(wěn)定性。最終完成的單片機(jī)測溫系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確監(jiān)測、顯示以及報警功能，具有較高的檢測精度，使用起來方便快捷，節(jié)省了人力監(jiān)控的資源。

隨著當(dāng)代各行各業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人們對生活中各種環(huán)境因素的要求也在提高，溫度作為重要的物理量人們迫切需要檢測與控制它：如室外大氣及空調(diào)房中溫度的高低，直接影響著人們的身體健康；蔬菜種植大棚中的溫度情況，影響著作物的生長和產(chǎn)量；在集成電路的生產(chǎn)中，若生產(chǎn)溫度不合適，會嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量性。實時測溫技術(shù)在產(chǎn)品的質(zhì)量控制和監(jiān)測中，在設(shè)備的故障診斷和生產(chǎn)安全保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。本文設(shè)計的單片機(jī)系統(tǒng)作為溫度監(jiān)測智能化的基礎(chǔ)硬件，方便了人們的日常生活，不論是在家庭生活，還是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都具有一定的應(yīng)用價值。

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作者簡介

耿浩然（2000-），男，山東省乳山市人。就讀于乳山市第二中學(xué)。主要研究方向為信號處理、人工智能等相關(guān)研究。

作者單位

乳山市第二中學(xué) 山東省威海市 264500endprint