1、基于MSP430单片机的环境参数监测仪的设计制作毕业论文毕业设计（论文）题 目： 基于MSP430单片机的环境 参数监测仪的设计制作 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集
2、、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：
3、日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪
4、论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件
5、工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它毕业设计（论文）中文摘要温湿度和光照度等参数是标定环境不可缺少的参数，对其进行准确的测量具有重要意义。本文以室内外居住环境为背景，设计出一种以MSP430F5438A超低功耗单片机为控制核心的环境参数监测仪。论文对环境参数监测系统硬件和软件模块包括子系统模块进行了详细设计：通过相应的传感器芯片对包括温度、湿度、光强、红外辐射度和可燃气体浓度等环境参数进行检测和采集；通过微处理器MSP430F5438A将传感器芯片采集到的数据进行分析处理，并在液晶终端进行
6、参数的实时显示和监控。论文分别对温度传感器模块，单总线湿度传感器模块，光照度传感器模块，气敏传感器模块，红外热释电模块以及按键和液晶显示模块进行了单模块分别调试。在此基础上对这些子程序模块进行了整合调试及整机功能和功耗测试，最终完成整个监控系统及仪器的设计制作。实验显示，本环境参数监测仪具有体积小、携带方便、功耗低、可靠性高、免维护、成本低等优点，在室内外环境参数监测领域，具有很好的应用前景。关键词：MSP430单片机 环境参数监测 传感器 液晶显示毕业设计（论文）外文摘要Title： The Design and Production of Environmental Parameter M
7、onitor Based on MSP430 Abstract：Parameters such as temperature, humidity and illuminance are indispensable to the calibration environment, which has important significance for accurate measurement. The aim of this thesis is to design an environmental parameter monitor, which controlled by an ultra-l
8、ow power MSP430F5438A for indoor and outdoor living environment. The detailed design of hardware and software module including subsystem module in the environmental parameter monitor is proposed in this thesis. The corresponding sensor chip is used to detect and collect the environmental parameter s
9、uch as temperature, humidity, illuminance, the infrared radiation intensity and combustible gas concentration. The MSP430F5438A analyzes and processed the data which collected by sensor chips, and realized the real-time display and monitoring for parameters on LCD terminal. The thesis proceeds debug
10、ging on single module likes temperature sensor module, single bus humidity sensor module, illuminance sensor module, gas sensor module, pyroelectric infrared module and buttons and LCD module, respectively. On the basis of that, after debugging and test on the function and power for the integrated s
11、ubroutine modules, the design and production of the whole monitoring system and instrument is completed.Test results given show that the environmental parameter monitor has several advantages, such as small volume,portable,low power consumption,high reliability,maintenance-free,low cost and so on. I
12、t has a great application prospect in the field of indoor and outdoor environmental parameters monitoring.Key words: MSP430, Environmental Parameter Monitor, Sensor, LCD Display1 绪论1.1 课题背景为了使人类拥有舒适、健康的生活，很多情况下要监测周围的环境参数。如城市的空气质量，温室大棚中的温湿度光照度等参数的控制，沿海城市海水浴场水质，污染物的排放等。通过环境检测，提供代表环境质量现状的数据，判断环境质量是否符合国
13、家制定的环境质量标准，评价当前主要环境问题，环境参数与人们的生活息息相关，对于环境参数的监测十分必要。对于环境监测的参数中，温湿度和光照度是极其重要的参数。舒适的环境会让人感觉心情舒畅，人体感觉舒服，当室内温度在18 20 ,湿度为40%60%时，人的思维最敏捷，工作效率最高。但当室温超过28 ，湿度大于70%时，就会生闷热、出汗、烦燥、疲劳等反应，容易让人的情绪不稳定甚至无法正常工作。室内光照度测量也很必要，国家标准的自然光照度是150lux300lux ，人眼在看书感到正好时的光照度是200lux，当光线过强或过暗都会对眼睛有所损伤，而且更容易引起视疲劳，影响学习和工作效率。所以要营造一个
14、舒适适合人们生活与居住的环境就必须对温度、湿度、光照度参数进行监测。环境监测离不开数据采集，数据采集系统是在测量工程中，无需人工记录测量数据能自动进行采集，信号处理，并记录显示，如今无论是生产还是实验室中的测量都是要求精度高，速度快，这些人工测量无法完成，只能用自动测量系统才能完成的。环境参数的传统测量方法中，测量设备体积较大，实时性差，精度低，还需花费较大的人力，己不再适应现代经济的快速发展要求。随着单片机技术、传感器技术、通信技术、计算机等技术地快速发展，环境监测技术也日新月异。各种实时性好，精度高，且适应各种苛刻环境的测量系统己被开发出来，在社会各个领域得到了广泛应用。在对环境参数的采集
15、方面由于高集成度低功耗低电压的集成芯片的大量问世，使得仪表的功耗越来越低，功能越来越强大。1.2 论文的主要内容本文设计并制作了一款基于MSP430单片机的环境参数采集监测仪。该监测仪具有环境温度、湿度、光照度、可燃气体浓度、红外辐射度等参数监测功能。其主要内容包含课题背景、环境数据采集监测系统的总体设计方案、系统硬件设计、系统软件设计、监测系统调试分析等。首先，论文介绍了课题背景，阐述了环境监测及监测仪器的发展现状及发展趋势，由此提出了基于MSP430单片机的数据采集监测系统的总体设计方案，并针对需要监测的参数进行了器件选型及方案设计。其次，论文进行了详细的系统硬件设计，并搭建了相关硬件模块
16、电路，包含以下几个部分：单片机主控模块、数据采集模块、监控报警模块、键盘和液晶显示模块。主控模块采用MSP430F5438A作为控制核心，数据采集监控模块部分采用TPM275数字输出温度传感器检测环境温度，DHT11单总线湿度传感器检测环境湿度，BH1750FVI光照度传感器检测环境光照强度，MQ-2气敏传感器监测相关气体相对强度以及KP-500B红外热释电传感器监测红外辐射相对强度。整机系统通过按键和液晶显示模块实现人机交互及监测结果的显示输出。再次，论文对系统软件设计进行了主要说明，包括系统主程序以及相应的测温、测湿、测光照度等测量子程序，以及外围键盘与LCD显示接口模块程序等。最后，进行
17、了系统整机调试分析，在软硬件连接的基础上分别对温度传感器TPM275模块，单总线湿度传感器DHT11模块，光照度传感器BH1750FV模块，气敏传感器MQ-2模块，红外热释电KP-500B模块以及按键和液晶显示模块进行了单模块分别调试。在此基础上对这些子程序模块进行了整合调试及整机功耗测试，辅以外壳安装，最终完成整个监控系统及仪器的设计制作。2 数据监测系统的总体设计方案2.1 系统总体框图设计基于16位单片机MSP430 5438A的环境监测系统以MSP4305438A单片机作为主控芯片，采用温度、湿度、光照度传感器等进行数据采集，以及液晶显示模块与用户进行交流，通过软件编程协调各部分工作，
18、实现体积小、低功耗环境监测仪器的设计。系统总体框图如图2-2所示：图2-2系统设计总体框图MSP430单片机还有一个特点就是支持C语言编程，由于采用C语言开发可以大大的提高开发效率，缩短开发周期，并且采用C语言开发程序具有非常好的可读性和移植性，因此本设计的软件采用高效的MSP430系列的C语言编写，软件部分采用IAR公司提供的开发环境：IAR Embedded Workbench及调试器C-SPY。利用该软件可直接将程序通过单片机本身带有的JTAG接口下载到单片机的FLASH存储器中，再由该软件通过JTAG接口读取单片机内信息，实时监测单片机上运行的程序，实现在线仿真。为了方便程序调度和提高
19、可靠性，软件采用结构化、模块化设计方法，每个模块完成一个特定功能，在电路设计调试会对每一模块电路进行程序编写调试，之后完成整个系统程序的整合编写。整个系统主要由初始化程序、主程序、子程序等组成，通过软件编程实现系统的数据处理和显示。2.2单片机选型2.2.1 MSP430单片机概述MSP430单片机是TI公司推出的一款16位超低功耗的混合信号处理器。该系列单片机自1996年问世以来，以其卓越的性能成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。它有以下特点：（1）具备强大的处理能力，可编制出高效率的源程序。采用精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄
20、存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。（2）具备高效的运算速度和灵活的运算方法。MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期;16位的数据宽度以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法;中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。系统可以稳定可靠的工作。系统稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，使晶体振荡器有足够的起振及稳定时间;然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率;如果晶体振荡器在用做CPU时钟时发生故
21、障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作;如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。（4）丰富的片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。它们分别是看门狗、模拟比较器A、定时器A 、定时器B ,串口0、1 (USART0, 1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC, I2C总线、直接数据存取(DMA)、端口0 (P0)、端口1(P1)、基本定时器(Basic Timer)等一些外围模块的不同组合。(4)具备卓越的超低功耗特性。MSP430单片机在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，其电源电压采用的是1.8V到3.6V电压，在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的
22、电流在1到400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA;其次是独特的时钟系统设计，在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统（有的使用一个晶体振荡器，有的使用两个晶体振荡器）和锁频环时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。2.2.2 MSP430F5438A介绍本设计采用的MSP430F5438A单片机具有低工作功耗，在1.8V到3.6V 的工作电压范围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。MSP430F5438A主要参数： 1256K Flash，16K RAM;2P1，P2 16
23、个中断IO口；316位CRC 校验；416通道AD采用，200ksps，12路外部采样，同时内置一个温度传感器，可以采集芯片温度；5支持32位硬件乘法器；6RTC实时时钟；74个USCI，UCAx支持串口，IrDA/SPI，UCBx支持SPI/IIC；815个捕捉/比较定时器；9JTAG/SBW（4线/2线仿真下载）；10UCS统一时钟管理；11系统看门狗Watchdogs；12支持多种低功耗模式LPM；13支持欠压或低压自动复位；2.3 传感器的选型光强传感器选用的是BH1750FVI，这是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整液
24、晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。该传感器支持I2C通信，最小误差变动在20%，受红外线影响很小。温度传感器选用的是TMP275，是一个精度为0.5，两线制，串行输出温度传感器，采用SO-8的封装，检测温度-20至+100，能满足正常情况下的温度检测。湿度传感器选用的是DHT11，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优
25、点。 可以对TMP275检测到的温度进行修正。可燃气体传感器使用的是MQ-2，可燃气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在可燃可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。从而检测对应的可燃气体。红外传感器使用的是BISS0001，这是是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炙灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道
26、等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。优点是，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽，内置参考电压，工作电压范围2V6V。3 系统硬件设计3.1 主控芯片模块3.1.1 单片机最小系统模块本系统采用的主控芯片为MSP430F5438A单片机，有100个引脚，其芯片引脚如图3-1所示：图3-1 MSP430F5438A芯片引脚电路系统主时钟晶振如图3-2所示采用的是32768Hz的晶振，XIN接到单片机P7.0口，XOUT接到单片机P7.1口。图3-2 MSP430F5438A晶振电路系统复位电路如图3-3所示，单片机复位引脚P9.7上拉510K电阻接
27、VCC，通过电容接地，电容两端并联一个独立按键，用以完成单片机的系统复位。图3-3 MSP430F5438A复位电路3.1.2系统电源模块整个数据采集系统板的主控芯片模块和数据采集子模块（包括相关传感器）均采用3.3V系统电源供电。系统电源电路如图3-4所示，通过电容滤波、去耦后由TPS5430完成由12V到3.3V的转换。图3-4 MSP430F5438A电源电路3.2 子系统模块3.2.1光强采集模块1、BH1750FVI传感器介绍光强采集模块选取的是BH1750FVI。是一种16位数字输出型环境光强度传感器集成电路，用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据
28、采集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化（1lx65535lx）。引脚说明如图3-5和表3-1所示：图3-5 BH1750引脚图表3-1 BH1750引脚功能表管脚编号端口名称功能1VCC电源端口2ADDRI2C地址控制端，如果ADDR=“H”(ADDR0.7Vcc)，那么High Byte=“1011100”。如果ADDR=“L” (ADDR0.3Vcc)，那么Low Byte = 1001_0000。3GND接地端口4SDAI2C接口SDA端口5DVISDA,SCL端口参考电压，DVI端口为内部寄存器的异步重置端口6SCLI2C接口SC
29、L端口 2、光强采集模块电路设计在本设计中采用3.3V供电，ADDR地址段接地，电源和地线之间通过瓷片电容滤波。数据线SDA和时钟线SCL接一个10K的上拉电阻接VCC，DVI内部寄存器的异步重置端口上拉10K电阻接VCC，然后通过电容接地整体电路通过SDA与SCL线与单片机进行数据通讯。SDA线接单片机P9.1口，SCL线接单片机P9.2口。电路如图3-6 所示：图3-6光强传感器电路在数据采集的时候主要由I2C的数据线和时钟线来完成和单片机的数据交换。3.2.2 温度采集模块1、TMP275传感器介绍数字输出温度传感器TMP275，是一个精度为0.5、两线制、串行输出温度传感器，TMP27
30、5是与SMBUS兼容的，并支持在一条总线上使用多达八台器件。额定运行温度范围为40至+125。引脚说明如图3-7和表3-2所示：如图3-7 TMP275引脚图表3-2 TMP275引脚功能表管脚编号端口名称功能1SDAI2C接口SDA端口2SCLI2C接口SCL端口3ALERT通过高低电平配置寄存器4GND接地端口57A0A28个地址选择8V+电源端口2、温度采集模块电路设计本设计的温度采集模块电路采用数字芯片，与介绍设计的电路基本一致，除数据线SDA和时钟线SCL上拉10K电阻接VCC和在VCC和GND之间加一个旁路电容之外并无其他元器件。SDA线接单片机P9.1口，SCL线接单片机P9.2
31、口电路如图3-8 所示：图3-8 TMP275电路在数据采集的时候主要由I2C的数据线和时钟线来完成和单片机的数据交。3.2.3 湿度采集模块1、DHT11传感器介绍数字温湿度传感器DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。DHT11传感器采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，具有体积小、功耗低，信号传输距离长等优点，是各类苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装，连接方便，引脚说明如图3-9所示：图3-9 DHT11引脚图表3-3 DHT11引脚说明管脚编号端口名称功能1VDD供电35.5V DC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极2、湿度采集模块电路设计本设计中的DHT11为单总线型的数据传输，仅通过一根数据线（DATA）与单片机相连。接上拉电阻，在VCC和GND之间接入一个旁路电容。电路如图3-9 所
