畢

業(yè)

論

文

開

題

報(bào)

告

1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：

文

獻(xiàn)

綜

述

一、題目背景和研究意義

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常需對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通常采用單片機(jī)完成對(duì)溫度信息的存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)控制、檢測(cè)以及數(shù)字顯示。這對(duì)于提高企業(yè)生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用。為此，本文設(shè)計(jì)了一種溫度采集系統(tǒng)，選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和TI公司的MSP430FG4618單片機(jī)作為主控制器[1]。

采用這種設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)、信息存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)控制以及數(shù)字顯示，對(duì)于提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源及資源都有重要的作用，具有很大的發(fā)展前景[1]。

二、溫度傳感器及溫度測(cè)量的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1

溫度傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

溫度的測(cè)量方法通常分為兩大類即接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。接觸式測(cè)溫是基于熱平衡原理，測(cè)溫時(shí)，感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，獲得被測(cè)物體的溫度，例如，熱電偶，熱敏電阻，膨脹式溫度計(jì)等就屬于這一類；非接觸式測(cè)溫基于熱輻射原理或電磁原理，測(cè)溫時(shí)，感溫元件不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，通過輻射實(shí)現(xiàn)熱交換，達(dá)到測(cè)量的目的，例如，紅外測(cè)溫儀、光學(xué)高溫計(jì)等[2]。

常用的測(cè)溫傳感器有熱電偶，熱電阻，導(dǎo)體溫度傳感器等，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)多使用集成溫度傳感器，這里選用的是DS18B20。

集成溫度傳感器可以分為三類：模擬集成溫度傳感器、模擬集成溫度控制器、智能溫度傳感器。

智能式傳感器是一個(gè)以微處理器為內(nèi)核擴(kuò)展了外圍部件的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著特點(diǎn)[3]：

1.提高了傳感器的精度

智能式傳感器具有信息處理功能，通過軟件不僅可修正各種確定性系統(tǒng)誤差(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、服度誤差、零點(diǎn)誤差、正反行程誤并等)而且還可適省地補(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲，大大提高了傳感器精度。

2.提高了傳感器的可靠性

集成傳感器系統(tǒng)小型化，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些不可靠因素，改善整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能；同時(shí)它有自診斷、自?；春蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能(對(duì)于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能)，具有良好的穩(wěn)定性。

3.提高了傳感器的性能價(jià)格比

在相同精度的需求下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，性能價(jià)格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機(jī)后更為明顯。

4.促成了傳感器多功能化

智能式傳感器可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量，擴(kuò)大測(cè)量與使用范圍;有一定的自適應(yīng)能力，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象或條件的改變，相應(yīng)地改變量程反輸出數(shù)據(jù)的形式;具有數(shù)字通信接口功能，直接送入遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；具有多種數(shù)據(jù)輸出形式(如RS232串行輸批，PIO并行輸出，IEE-488總線輸出以及經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等)，適配各種應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2

溫度測(cè)量的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

雖然溫度測(cè)量方法多種多樣，但在很多情況下，對(duì)于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)或一些特殊條件下的溫度測(cè)量，比如對(duì)極限溫度、高溫腐蝕性介質(zhì)溫度、氣流溫度、表面溫度、固體內(nèi)部溫度分布、微尺寸目標(biāo)溫度、大空間溫度分布、生物體內(nèi)溫度、電磁干擾條件下溫度測(cè)量來講，要想得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果并非易事，需要非常熟悉各種測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)，結(jié)合被測(cè)對(duì)象要求選擇合適的測(cè)量方法才能完成。同時(shí)，還要不斷探索新的溫度測(cè)量方法，改進(jìn)原有測(cè)量技術(shù)，以滿足各種條件下的溫度測(cè)量需求[4]。

溫度是度量物體冷熱程度的一個(gè)物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過程均要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過一定的時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在著測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)中存在一定的使用局限。

目前，紅外溫度儀因具有使用方便，反應(yīng)速度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步地得以推廣應(yīng)用。表1列出了常用的測(cè)溫方法和特點(diǎn)，其中紅外測(cè)溫作為一種常用的測(cè)溫技術(shù)顯示出較明顯的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)溫方法

溫度傳感器

測(cè)溫范圍（℃）

精度%

接觸式

熱電偶

-200~1800

0.2~1.0

熱電偶

-50~300

0.1~0.5

非接觸式

紅外測(cè)溫

-50~300

其它

示溫材料

-35~2000

<1

表1常用測(cè)溫方法和特點(diǎn)

三、課題的基本技術(shù)原理

1.基于MSP430的溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由DS18B20溫度傳感器及MSP430單片機(jī)兩部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

DS18B20溫度傳感器

MSP430單片機(jī)

報(bào)警模塊

按鍵輸入模塊

LCD顯示模塊

電源及復(fù)位模塊

圖1

溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上述各個(gè)模塊的功能是：

傳感器：將被測(cè)非電量即溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。溫度傳感器的種類很多，有熱電偶、熱電阻和熱敏電阻等，這里選用的是DS18B20集成溫度傳感器。

MSP430微處理器：實(shí)現(xiàn)對(duì)從傳感器輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、控制及顯示等功

能。

按鍵輸入模塊：應(yīng)用軟件程序確定報(bào)警啟動(dòng)的上限溫度及下限溫度。

電源及復(fù)位模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供電源及復(fù)位信號(hào)。

報(bào)警模塊：當(dāng)所測(cè)溫度超過設(shè)定的上限溫度或下限溫度時(shí)啟動(dòng)，蜂鳴器報(bào)警。

LCD顯示模塊：顯示當(dāng)前所測(cè)得的溫度值。

2.溫度傳感器的選型

2.1

溫度傳感器的選型

本設(shè)計(jì)選用DS18B20溫度傳感器，作為一種數(shù)字化溫度傳感器，DS18B20測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件，可直接輸出9~12位（含符號(hào)位）的被測(cè)溫度值，測(cè)溫范圍為-55ǜ~+125℃；在-10~+85℃范圍內(nèi)測(cè)量精度為±0.5℃，輸出測(cè)量分辨率可謂，最高可達(dá)0.0625℃；支持“單線總線”技術(shù)，僅需要占用一個(gè)通用I/O端口即可完成與單片機(jī)的通信；現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“單線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果[5]。

2.2

DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳分布

DS18B20主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器，如圖2

所示。ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛多個(gè)DS18B20的目的。高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的EEPROM組成，使用一個(gè)存儲(chǔ)器功能命令可對(duì)TH、TL或配置寄存器寫入[6]。

64位ROM

和單線端口

存儲(chǔ)器和邏輯控制

暫存器

8位CRC產(chǎn)生器

溫度傳感器

上限觸發(fā)TH

下限觸發(fā)TL

電源檢測(cè)

VDDD

DQ

圖2

DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20數(shù)字溫度計(jì)以9位數(shù)字量形式反映器件的溫度值。DS18B20通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間僅需要一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。因?yàn)槊總€(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的片序列號(hào)，所以多只DS18B20可以同時(shí)連接在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。這一特性在HVAC環(huán)境控制、探測(cè)建筑物、儀器或機(jī)器的溫度以及過程監(jiān)控和控制等方面非常有用[7]。

GND：接地

DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。對(duì)于單線操作：漏極開路

VDD：可選的VDD腳。

3.MSP430的簡(jiǎn)介及功能特性

3.1

MSP430的簡(jiǎn)介

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低

功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器(Mixed

Signal

Processor)。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中[8]。

3.2

MSP430的功能特性[9-16]

低電源電壓范圍：1.8V至3.6V

超低功耗：主動(dòng)模式：400微安在1MHz，2.2V也可

待機(jī)模式：2.5微安

關(guān)閉模式（RAM保持）：0.35微安

有5種省電模式，待機(jī)到喚醒不到6us

如表2

模式

狀態(tài)

低功耗模式0

LPM0

CPU關(guān)閉，ACLK和SMCLK信號(hào)活動(dòng)，MCLK停止

低功耗模式1

LPM1

CPU關(guān)閉，ACLK和SMCLK信號(hào)活動(dòng),MCLK停止，若沒有被外圍模塊使用,DCO發(fā)生器關(guān)閉

低功耗模式2

LPM2

CPU關(guān)閉，MCLK和SMCLK停止，-ACLK保持活動(dòng)，DCO發(fā)生器保持活動(dòng)

低功耗模式3

LPM3

CPU關(guān)閉，MCLK和SMCLK停止，-DCO發(fā)生器停止，ACLK保持活動(dòng)

低功耗模式4

LPM4

CPU關(guān)閉，MCLK和SMCLK停止，-ACLK停止，DCO發(fā)生器停止，晶體振蕩器停

表2

MSP430的5種省電模式

16位RISC架構(gòu)，擴(kuò)展內(nèi)存，125ns指令周期時(shí)間

三通道內(nèi)部DMA

12位A/D轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部參考，采樣保持和自動(dòng)掃描功能

電源電壓監(jiān)控器可編程電平檢測(cè)

串行通信接口（USART1的），選擇異步UART或同步SPI的軟件三個(gè)可配置運(yùn)算放大器

FALSH存儲(chǔ)模塊主要特點(diǎn)：

編程可使用位、字節(jié)和字操作

可以通過JTAG、BSL和ISP進(jìn)行編程

1.8V~3.6V工作電壓，2.7~3.6V編程電壓

數(shù)據(jù)保持時(shí)間從10年到100年不等

可編程次數(shù)從100到

100,000次

60K空間編程時(shí)間<5秒

保密熔絲燒斷后不可恢復(fù)，不能再對(duì)JTAG進(jìn)行任何訪問

FALSH

編程/擦除時(shí)間由內(nèi)部硬件控制，無需任何軟件干涉

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉銀，基于MSP430F149單片機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[期刊論文]-微計(jì)算機(jī)信息，2006(22)

[2]姜忠良，陳秀云.溫度的測(cè)量與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005：26~27

[3]金永賢，智能化電子產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)[J]，華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，200l，18(1)：15-16．

[4]葉湘濱、熊飛麗等.傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：285~28

[5]陳躍東，DS18B20集成溫度傳感器原理及其應(yīng)用，2002(4)

[6]Teaxs

Instrument

Inc

MSP430xlxx

family

user＇s

guide

2007

[7]

周云波，由DS18B20單線數(shù)字溫度計(jì)構(gòu)成的單線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，1996(2)

[8]祖靜，新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試.動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)專題，2006

[9]秦龍，MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講，2007

[10]TeaxslnstrumentIncMSP430x15x,MSP430x16x,MSP430x161xmixedsignalmicrocontroller

2007

[11]張文棟，存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用，2004

[12]沈建華、楊艷琴、翟驍曙，MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用，2008

[13]魏小龍，MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，2002

[14]Teaxs

Instrument

Inc

MSP430F16X/161Xdeviceerrata

Sheet

2007

[15]胡大可，MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)，2003

[16]魏小龍，MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，2002

２．本課題要研究或解決的問題和采用的研究手段（途徑）：

一．本課題所要研究的問題：

如何設(shè)計(jì)一個(gè)溫度采集及顯示系統(tǒng)。1.設(shè)計(jì)MSP430單片機(jī)的最小工作系統(tǒng)及其外圍模塊電路；2.學(xué)習(xí)DS18B20溫度傳感器的單總線協(xié)議；

3.調(diào)試各個(gè)功能模塊的程序，使該系統(tǒng)能夠測(cè)量并顯示溫度值；4.檢測(cè)系統(tǒng)的功耗。

二．本課題擬采用的研究手段：

擬設(shè)計(jì)的研究方案框圖如圖3所示。

DS1B20傳感器

Msp430單片機(jī)

時(shí)鐘

復(fù)位系統(tǒng)

電源系統(tǒng)

LED顯示及報(bào)警

圖3

方案的總體設(shè)計(jì)框圖

該方案選用DS18B20作為溫度傳感器、MSP430為主控制器，并將溫度值顯示在LCD顯示屏上。傳感器根據(jù)溫度的變化輸出一定的模擬數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入MSP430中，此過程需要系統(tǒng)內(nèi)的定時(shí)器按照一定的頻率控制不斷循環(huán)運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)時(shí)采集的目的，采集后的溫度值存儲(chǔ)于FLASH中。最后，經(jīng)LCD液晶顯示屏把溫度顯示出來，并在必要的時(shí)候報(bào)警。

三．相關(guān)軟件環(huán)境和開發(fā)平臺(tái)

軟件平臺(tái)：電路原理圖、PCB板圖制作軟件PROTEL

99SE；MSP430相關(guān)的軟件編程環(huán)境

IAR

硬件平臺(tái)：萬用表、示波器、計(jì)算機(jī)等

畢

業(yè)

論

文

開

題

報(bào)

告

指導(dǎo)教師意見：

X同學(xué)通過檢索大量的溫度傳感器及溫度測(cè)量電路的相關(guān)論文資料，對(duì)本課題的研究背景、研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的相關(guān)理論都有了基本的了解。

本設(shè)計(jì)擬采用MSP430芯片完成對(duì)溫度的測(cè)量，同時(shí)涉及單片機(jī)最小系統(tǒng)及低功耗的設(shè)計(jì)。開題報(bào)告書寫條理清晰、思路明朗、結(jié)構(gòu)緊湊、有著重點(diǎn)。

該方案合理可行，同意開題。

指導(dǎo)教師：

****年**月**日

所在系審查意見：

系主任：

****年**月**日