畢業(yè)論文 -- 基于msp430單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)制作

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　作 者： 學(xué) 號： </p><p>　　系 部： 信息工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù)

2、 </p><p>　　題 目： 基于MSP430單片機(jī)的環(huán)境 </p><p>　　參數(shù)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)制作 </p><p>　　2014 年 4 月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要</p

3、><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 論文的主要內(nèi)容2</p><p>　　2 數(shù)據(jù)監(jiān)

4、測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2單片機(jī)選型3</p><p>　　2.2.1 MSP430單片機(jī)概述3</p><p>　　2.2.2 MSP430F5438A介紹4</p><p>　　2.3 傳感器的選型5</p><

5、p>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 主控芯片模塊7</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊7</p><p>　　3.1.2系統(tǒng)電源模塊8</p><p>　　3.2 子系統(tǒng)模塊8</p><p>　　3.2.1光強(qiáng)采集模塊8</p><p>　

6、　3.2.2 溫度采集模塊10</p><p>　　3.2.3 濕度采集模塊11</p><p>　　3.2.4 氣敏傳感器監(jiān)測模塊12</p><p>　　3.2.5 紅外采集模塊13</p><p>　　3.2.6液晶顯示和鍵盤模塊15</p><p>　　3.3 硬件電路板的焊接與制作17</p

7、><p>　　3.3.1 系統(tǒng)硬件電路原理圖17</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)硬件電路PCB圖18</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境及編程思想簡介20</p><p>　　4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.3 系統(tǒng)子

8、程序設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.3.1 按鍵設(shè)置程序21</p><p>　　4.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測程序22</p><p>　　4.3.3 主控芯片MSP430F5438A時(shí)鐘設(shè)定程序23</p><p>　　4.3.4 DHT11單總線數(shù)據(jù)讀取程序24</p><p>　　4.3.5 片內(nèi)ADC程序

9、26</p><p>　　4.3.6模擬I2C通信協(xié)議27</p><p>　　5 監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析32</p><p>　　5.1人機(jī)操作界面測試分析32</p><p>　　5.2 光強(qiáng)模塊測試分析33</p><p>　　5.3 溫度模塊測試分析34</p><p>　　5.4

10、濕度模塊測試分析34</p><p>　　5.5 氣敏傳感器監(jiān)測模塊測試分析35</p><p>　　5.6 紅外監(jiān)控模塊測試分析36</p><p>　　5.7整機(jī)裝配與調(diào)試37</p><p>　　5.7.1整機(jī)裝配調(diào)試37</p><p>　　5.7.2功耗測試38</p><p&

11、gt;<b>　　總結(jié)38</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)原理圖41</p><p>　　附錄B 系統(tǒng)PCB圖42</p><p>　

12、　附錄C 控制程序源代碼43</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　為了使人類擁有舒適、健康的生活，很多情況下要監(jiān)測周圍的環(huán)境參數(shù)。如城市的空氣質(zhì)量，溫室大棚中的溫濕度光照度等參數(shù)的控制，沿海城市海水浴場水質(zhì)，污染物的排放等。通過環(huán)境檢測，

13、提供代表環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，判斷環(huán)境質(zhì)量是否符合國家制定的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)當(dāng)前主要環(huán)境問題，環(huán)境參數(shù)與人們的生活息息相關(guān)，對于環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測十分必要。</p><p>　　對于環(huán)境監(jiān)測的參數(shù)中，溫濕度和光照度是極其重要的參數(shù)。舒適的環(huán)境會讓人感覺心情舒暢，人體感覺舒服，當(dāng)室內(nèi)溫度在18 ℃～20 ℃ ,濕度為40%～60%時(shí)，人的思維最敏捷，工作效率最高。但當(dāng)室溫超過28℃ ，濕度大于70%時(shí)，就會生悶熱、出汗

14、、煩燥、疲勞等反應(yīng)，容易讓人的情緒不穩(wěn)定甚至無法正常工作。室內(nèi)光照度測量也很必要，國家標(biāo)準(zhǔn)的自然光照度是150lux～300lux ，人眼在看書感到正好時(shí)的光照度是200lux，當(dāng)光線過強(qiáng)或過暗都會對眼睛有所損傷，而且更容易引起視疲勞，影響學(xué)習(xí)和工作效率。所以要營造一個(gè)舒適適合人們生活與居住的環(huán)境就必須對溫度、濕度、光照度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。</p><p>　　環(huán)境監(jiān)測離不開數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在測量工程中，無需

15、人工記錄測量數(shù)據(jù)能自動進(jìn)行采集，信號處理，并記錄顯示，如今無論是生產(chǎn)還是實(shí)驗(yàn)室中的測量都是要求精度高，速度快，這些人工測量無法完成，只能用自動測量系統(tǒng)才能完成的。</p><p>　　環(huán)境參數(shù)的傳統(tǒng)測量方法中，測量設(shè)備體積較大，實(shí)時(shí)性差，精度低，還需花費(fèi)較大的人力，己不再適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展要求。隨著單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)地快速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)也日新月異。各種實(shí)時(shí)性好，精度高，且適應(yīng)各

16、種苛刻環(huán)境的測量系統(tǒng)己被開發(fā)出來，在社會各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在對環(huán)境參數(shù)的采集方面由于高集成度低功耗低電壓的集成芯片的大量問世，使得儀表的功耗越來越低，功能越來越強(qiáng)大。</p><p>　　1.2 論文的主要內(nèi)容</p><p>　　本文設(shè)計(jì)并制作了一款基于MSP430單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)采集監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀具有環(huán)境溫度、濕度、光照度、可燃?xì)怏w濃度、紅外輻射度等參數(shù)監(jiān)測功能。其主要內(nèi)容包含

17、課題背景、環(huán)境數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析等。</p><p>　　首先，論文介紹了課題背景，闡述了環(huán)境監(jiān)測及監(jiān)測儀器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，由此提出了基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并針對需要監(jiān)測的參數(shù)進(jìn)行了器件選型及方案設(shè)計(jì)。</p><p>　　其次，論文進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并搭建了相關(guān)硬件模塊電路，包含以下

18、幾個(gè)部分：單片機(jī)主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)控報(bào)警模塊、鍵盤和液晶顯示模塊。主控模塊采用MSP430F5438A作為控制核心，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控模塊部分采用TPM275數(shù)字輸出溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，DHT11單總線濕度傳感器檢測環(huán)境濕度，BH1750FVI光照度傳感器檢測環(huán)境光照強(qiáng)度，MQ-2氣敏傳感器監(jiān)測相關(guān)氣體相對強(qiáng)度以及KP-500B紅外熱釋電傳感器監(jiān)測紅外輻射相對強(qiáng)度。整機(jī)系統(tǒng)通過按鍵和液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及監(jiān)測結(jié)果的顯示輸出。&

19、lt;/p><p>　　再次，論文對系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了主要說明，包括系統(tǒng)主程序以及相應(yīng)的測溫、測濕、測光照度等測量子程序，以及外圍鍵盤與LCD顯示接口模塊程序等。</p><p>　　最后，進(jìn)行了系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試分析，在軟硬件連接的基礎(chǔ)上分別對溫度傳感器TPM275模塊，單總線濕度傳感器DHT11模塊，光照度傳感器BH1750FV模塊，氣敏傳感器MQ-2模塊，紅外熱釋電KP-500B模塊以及按鍵和

20、液晶顯示模塊進(jìn)行了單模塊分別調(diào)試。在此基礎(chǔ)上對這些子程序模塊進(jìn)行了整合調(diào)試及整機(jī)功耗測試，輔以外殼安裝，最終完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)及儀器的設(shè)計(jì)制作。</p><p>　　2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　基于16位單片機(jī)MSP430 5438A的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以MSP4305438A單片機(jī)作為主控芯片，采用溫度

21、、濕度、光照度傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及液晶顯示模塊與用戶進(jìn)行交流，通過軟件編程協(xié)調(diào)各部分工作，實(shí)現(xiàn)體積小、低功耗環(huán)境監(jiān)測儀器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體框圖如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖</p><p>　　MSP430單片機(jī)還有一個(gè)特點(diǎn)就是支持C語言編程，由于采用C語言開發(fā)可以大大的提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，并且采用C語言開發(fā)程序具有非常好的可讀性和移植性，因此本

22、設(shè)計(jì)的軟件采用高效的MSP430系列的C語言編寫，軟件部分采用IAR公司提供的開發(fā)環(huán)境：IAR Embedded Workbench及調(diào)試器C-SPY。利用該軟件可直接將程序通過單片機(jī)本身帶有的JTAG接口下載到單片機(jī)的FLASH存儲器中，再由該軟件通過JTAG接口讀取單片機(jī)內(nèi)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測單片機(jī)上運(yùn)行的程序，實(shí)現(xiàn)在線仿真。</p><p>　　為了方便程序調(diào)度和提高可靠性，軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模

23、塊完成一個(gè)特定功能，在電路設(shè)計(jì)調(diào)試會對每一模塊電路進(jìn)行程序編寫調(diào)試，之后完成整個(gè)系統(tǒng)程序的整合編寫。整個(gè)系統(tǒng)主要由初始化程序、主程序、子程序等組成，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示。</p><p><b>　　2.2單片機(jī)選型</b></p><p>　　2.2.1 MSP430單片機(jī)概述</p><p>　　MSP430單片機(jī)是TI公司

24、推出的一款16位超低功耗的混合信號處理器。該系列單片機(jī)自1996年問世以來，以其卓越的性能成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。它有以下特點(diǎn)：（1）具備強(qiáng)大的處理能力，可編制出高效率的源程序。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算;還有高效的查表處理指令。（2）具備高效的運(yùn)算速度和靈活的運(yùn)算方法。MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動

25、下，實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期;16位的數(shù)據(jù)寬度以及多功能的硬件乘法器相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法;中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便，當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求將它喚醒只用6us。系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的工作。系統(tǒng)穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，使晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間;然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率;如果晶體振蕩器在用做CPU時(shí)

26、鐘時(shí)發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。（4）</p><p>　　2.2.2 MSP430F5438A介紹</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的MSP430F5438A單片機(jī)具有低工作功耗，在1.8V到3.6V 的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS。包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。</p><p>　　MSP430

27、F5438A主要參數(shù)：</p><p>　　256K Flash，16K RAM;</p><p>　　P1，P2 16個(gè)中斷IO口；</p><p>　　16位CRC 校驗(yàn)；</p><p>　　16通道AD采用，200ksps，12路外部采樣，同時(shí)內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，可以采集芯片溫度；</p><p>　　支持3

28、2位硬件乘法器；</p><p><b>　　RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘；</b></p><p>　　4個(gè)USCI，UCAx支持串口，IrDA/SPI，UCBx支持SPI/IIC；</p><p>　　15個(gè)捕捉/比較定時(shí)器；</p><p>　　JTAG/SBW（4線/2線仿真下載）；</p><p>　

29、　UCS統(tǒng)一時(shí)鐘管理；</p><p>　　系統(tǒng)看門狗Watchdogs；</p><p>　　支持多種低功耗模式LPM；</p><p>　　支持欠壓或低壓自動復(fù)位；</p><p>　　2.3 傳感器的選型</p><p>　　光強(qiáng)傳感器選用的是BH1750FVI，這是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器

30、集成電路。這種集成電路可以根據(jù)采集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化。該傳感器支持I2C通信，最小誤差變動在±20%，受紅外線影響很小。</p><p>　　溫度傳感器選用的是TMP275，是一個(gè)精度為0.5℃，兩線制，串行輸出溫度傳感器，采用SO-8的封裝，檢測溫度-20℃至+100℃，能滿足正常情況下的溫度檢測。</p><

31、p>　　濕度傳感器選用的是DHT11，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。 可以對TMP275檢測到的溫度進(jìn)行修正。</p><p>　　可燃?xì)怏w傳感器使用的是

32、MQ-2，可燃?xì)怏w傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。從而檢測對應(yīng)的可燃?xì)怏w。</p><p>　　紅外傳感器使用的是BISS0001，這是是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅

33、外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是，內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬，內(nèi)置參考電壓，工作電壓范圍2V～6V。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p

34、>　　3.1 主控芯片模塊</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊</p><p>　　本系統(tǒng)采用的主控芯片為MSP430F5438A單片機(jī)，有100個(gè)引腳，其芯片引腳如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 MSP430F5438A芯片引腳電路</p><p>　　系統(tǒng)主時(shí)鐘晶振如圖3-2所示采用的是32768Hz的

35、晶振，XIN接到單片機(jī)P7.0口，XOUT接到單片機(jī)P7.1口。</p><p>　　圖3-2 MSP430F5438A晶振電路</p><p>　　系統(tǒng)復(fù)位電路如圖3-3所示，單片機(jī)復(fù)位引腳P9.7上拉510K電阻接VCC，通過電容接地，電容兩端并聯(lián)一個(gè)獨(dú)立按鍵，用以完成單片機(jī)的系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　圖3-3 MSP430F5438A復(fù)位電路</p

36、><p>　　3.1.2系統(tǒng)電源模塊</p><p>　　整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板的主控芯片模塊和數(shù)據(jù)采集子模塊（包括相關(guān)傳感器）均采用3.3V系統(tǒng)電源供電。系統(tǒng)電源電路如圖3-4所示，通過電容濾波、去耦后由TPS5430完成由12V到3.3V的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖3-4 MSP430F5438A電源電路</p><p><b>　

37、　3.2 子系統(tǒng)模塊</b></p><p>　　3.2.1光強(qiáng)采集模塊</p><p>　　1、BH1750FVI傳感器介紹</p><p>　　光強(qiáng)采集模塊選取的是BH1750FVI。是一種16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路，用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)采集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度

38、。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化（1lx～65535lx）。引腳說明如圖3-5和表3-1所示：</p><p>　　圖3-5 BH1750引腳圖</p><p>　　表3-1 BH1750引腳功能表</p><p>　　2、光強(qiáng)采集模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中采用3.3V供電，ADDR地址段接地，電源和地線之間通

39、過瓷片電容濾波。數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL接一個(gè)10K的上拉電阻接VCC，DVI內(nèi)部寄存器的異步重置端口上拉10K電阻接VCC，然后通過電容接地整體電路通過SDA與SCL線與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。SDA線接單片機(jī)P9.1口，SCL線接單片機(jī)P9.2口。電路如圖3-6 所示：</p><p>　　圖3-6光強(qiáng)傳感器電路</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集的時(shí)候主要由I2C的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線來完成和單

40、片機(jī)的數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　3.2.2 溫度采集模塊</p><p>　　1、TMP275傳感器介紹</p><p>　　數(shù)字輸出溫度傳感器TMP275，是一個(gè)精度為0.5℃、兩線制、串行輸出溫度傳感器，TMP275是與SMBUS兼容的，并支持在一條總線上使用多達(dá)八臺器件。額定運(yùn)行溫度范圍為－40℃至+125℃。引腳說明如圖3-7和表3-2所示：</

41、p><p>　　如圖3-7 TMP275引腳圖</p><p>　　表3-2 TMP275引腳功能表</p><p>　　2、溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的溫度采集模塊電路采用數(shù)字芯片，與介紹設(shè)計(jì)的電路基本一致，除數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL上拉10K電阻接VCC和在VCC和GND之間加一個(gè)旁路電容之外并無其他元器件。SDA線接

42、單片機(jī)P9.1口，SCL線接單片機(jī)P9.2口電路如圖3-8 所示：</p><p>　　圖3-8 TMP275電路</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集的時(shí)候主要由I2C的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線來完成和單片機(jī)的數(shù)據(jù)交。</p><p>　　3.2.3 濕度采集模塊</p><p>　　1、DHT11傳感器介紹</p><p>　　數(shù)

43、字溫濕度傳感器DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。DHT11傳感器采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，具有體積小、功耗低，信號傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)，是各類苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便，引腳說明如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 DHT11引腳圖</p>

44、;<p>　　表3-3 DHT11引腳說明</p><p>　　2、濕度采集模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的DHT11為單總線型的數(shù)據(jù)傳輸，僅通過一根數(shù)據(jù)線（DATA）與單片機(jī)相連。接上拉電阻，在VCC和GND之間接入一個(gè)旁路電容。電路如圖3-9 所示：</p><p>　　圖3-9 DHT11電路</p><p>

45、　　3.2.4 氣敏傳感器監(jiān)測模塊</p><p><b>　　1、傳感器介紹</b></p><p>　　MQ-2 半導(dǎo)體煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度 的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 </p><

46、p><b>　　芯片優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃?xì)怏w有良好的靈敏度 </p><p>　　對液化氣、丙烷、氫氣 的靈敏度較高 </p><p><b>　　長壽命、低成本 </b></p><p><b>　　簡單的驅(qū)動電路即可<

47、;/b></p><p>　　2、可燃?xì)怏w采集模塊電路</p><p>　　可燃?xì)怏w采集模塊電路主要當(dāng)它所處環(huán)境中有可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中可燃?xì)怏w的濃度增大而增大，從而使輸出相應(yīng)的信號。在本設(shè)計(jì)中，對采樣所得的信號增加了一個(gè)比較電路,使采樣信號與設(shè)定電壓值比較判斷可燃?xì)怏w濃度是否到達(dá)臨界值，從而達(dá)到警報(bào)的效果。其電路如圖3-10所示：</p><p&

48、gt;　　圖3-10 氣敏傳感器電路圖</p><p>　　本系統(tǒng)氣敏傳感器電路特點(diǎn)：1、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL數(shù)字電平輸出）；2、DOUT端正常情況下輸出低電平（低于運(yùn)放同向端輸入的設(shè)定閾值，可直接接單片機(jī)IO口輸入判讀）；3、模擬量輸出(out端)0到3V電（調(diào)節(jié)滑動變阻器可以改變最大電壓，由于單片機(jī)內(nèi)部ADC參考電壓最大值為3.3V），濃度越高電壓越高；4、對液化氣、天然氣、CO等有害氣體具有較好

49、的檢測靈敏度；5、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；6、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。</p><p>　　3.2.5 紅外采集模塊</p><p><b>　　1、傳感器介紹</b></p><p>　　紅外熱釋電處理芯片BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動

50、快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。電子愛好者社區(qū)b/b Bxd</p><p>　　引腳說明如圖3-11和表3-4所示：</p><p>　　圖3-11 BIS001引腳圖</p><p>　　表3-4 BIS001引腳

51、功能表</p><p>　　2、電子愛好者社區(qū)/xah,z[8v紅外熱釋電采集模塊電路</p><p>　　如圖3-12中，R10為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R10的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。CON3是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)2與3端連通時(shí)，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)2與1端連通時(shí)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出

52、延遲時(shí)間Tx由外部的R11和C18的大小調(diào)整，值為Tx≈24576xR11C18；觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R15和C17的大小調(diào)整，值為Ti≈24xR15C17。圖中R12可以調(diào)節(jié)放大器增益的大小，原廠圖紙選10K，實(shí)際使用時(shí)可以用3K，可以提高電路增益改善電路性能。R11/R15可以用470歐姆，C6/C7可以選0.1U。因此當(dāng)環(huán)境較暗時(shí)，KP-500B監(jiān)測到紅外，BISS0001的V0端有高電平輸出，并保存10秒鐘。通過主控芯片MS

53、P430F5438A的I/O的采樣，環(huán)境較暗時(shí)有無紅外會顯示在12864液晶顯示屏上。</p><p>　　圖3-12紅外熱釋電電路</p><p>　　3.2.6液晶顯示和鍵盤模塊</p><p>　　1、液晶12864介紹</p><p>　　12864A-1漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16*16點(diǎn)

54、陣）、128個(gè)字符（8*16點(diǎn)陣）及64*256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。其引腳功能表如表3-5所示：</p><p>　　圖3-5 12864引腳功能表</p><p>　　2、液晶模塊電路原理圖</p><p>　　液晶12864電路圖如圖3-13所示，D0-D7接到單片機(jī)P8口。液晶RS 引腳接到單片機(jī)P3.0口，液晶RW引腳接到單片機(jī)P3.5口，液晶E引

55、腳接到單片機(jī)P3.4口。</p><p>　　圖3-13液晶12864電路圖</p><p>　　3、鍵盤模塊電路原理圖</p><p>　　鍵盤模塊電路圖如圖3-14所示，矩陣鍵盤的接口和單片機(jī)的P7口相連。</p><p>　　圖3-14鍵盤電路原理圖</p><p>　　3.3 硬件電路板的焊接與制作</p

56、><p>　　3.3.1 系統(tǒng)硬件電路原理圖</p><p>　　根據(jù)我們所需系統(tǒng)模塊硬件，畫出如圖3-15的原理圖，其中包含了電源電路、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)電路、與核心板通信接口電路等子模塊：</p><p>　　圖3-15系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)硬件電路PCB圖</p><p>　　在PCB設(shè)計(jì)中，布

57、線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，我們的PCB布線為雙面布線。為了避免輸入端與輸出端的邊線相鄰平行而產(chǎn)生反射干擾和兩相鄰布線層互相平行產(chǎn)生寄生耦合等干擾而影響線路的穩(wěn)定性，我們PCB在制版中考慮PCB尺寸大小、確定特殊組件的位置、布局方式、電源和接地線處理的基本原則、導(dǎo)線設(shè)計(jì)的基本原則完成PCB布線，如圖3-16所示。</p><p>　　圖3-16 系統(tǒng)PCB圖</p><p>　　經(jīng)過PCB

58、板打樣和元器件焊接，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)PCB電路板如圖3-17所示：</p><p>　　圖3-17數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路板</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境及編程思想簡介</p><p>　　MSP430微處理器開發(fā)環(huán)境采用IAR公司的集成調(diào)試環(huán)境Embedded W

59、orkbench。集成環(huán)境如圖所示。此編譯軟件可通過JTAG調(diào)試器((JTAG Debugger)直接將程序代碼下載到片內(nèi)FLASH中，即可脫機(jī)運(yùn)行，也可通過調(diào)試器在線調(diào)試。整個(gè)用戶界面友好，操作簡單。</p><p>　　圖4-1 Embedded Workbench調(diào)試環(huán)境</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的軟件編程思想分為兩種:模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。模塊化編程就是指將一個(gè)大的工程按功

60、能分割成一些小的模塊，各模塊相對獨(dú)立、功能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡單，從而減小了整個(gè)工程程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，縮短了開發(fā)周期，并且易于程序的維護(hù)和功能擴(kuò)充。結(jié)構(gòu)化編程中各子程序間使用結(jié)構(gòu)良好的轉(zhuǎn)移或調(diào)用，各個(gè)模塊有機(jī)的組合成一個(gè)整體。在這個(gè)過程中，要注意嚴(yán)格控制使用任意轉(zhuǎn)移語句。</p><p>　　為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，提高程序的可移植性和可維護(hù)性，我們在開發(fā)過程中采用模塊化編程。</p><p>

61、;　　4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)的主程序運(yùn)行時(shí)，首先應(yīng)該初始化系統(tǒng)的時(shí)鐘，然后調(diào)用系統(tǒng)初始化子函數(shù)，初始化系統(tǒng)寄存器，主要包括禁止看門狗、關(guān)閉不需要的外設(shè)以降低系統(tǒng)的功耗。再初始化中斷向量表和與系統(tǒng)功能相關(guān)的微處理器的外設(shè)，包括I/O端口、液晶、內(nèi)部ADC、定時(shí)器、I2C串口、允許中斷等。當(dāng)所有的初始化完成之后，最后系統(tǒng)便進(jìn)入到一個(gè)while(1)的無限循環(huán)之中，進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取溫度、光強(qiáng)值、濕度

62、值、可燃?xì)怏w濃度、當(dāng)環(huán)境較暗時(shí)有無紅外，同時(shí)等待定時(shí)中斷的到來，在子函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)存儲監(jiān)控顯示等功。系統(tǒng)主程序流程如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　首先系統(tǒng)上電復(fù)位，開始運(yùn)行程序。首先進(jìn)報(bào)警預(yù)設(shè)值，通矩陣鍵盤設(shè)定報(bào)警值，并通過液晶顯示，在用戶設(shè)置完成按下確定按鍵以后，開始整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，通過單片機(jī)在液晶界面實(shí)時(shí)顯示。<

63、/p><p>　　在主程序框架的設(shè)計(jì)過程中，有一些事項(xiàng)需特別注意:</p><p>　　1、中斷子程序中的代碼數(shù)量不宜過多，過多的代碼數(shù)量會使得中斷子程序運(yùn)行的時(shí)間變長，定時(shí)的效果變差。</p><p>　　2、在主程序的設(shè)計(jì)中，采用了軟件開啟看門狗的抗干擾措施，防止由于程序拋飛造成程序陷入無用的死循環(huán)中。</p><p>　　3、芯片使用時(shí)嚴(yán)格

64、按照時(shí)序，以及使用的環(huán)境溫度。</p><p>　　4.3 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1 按鍵設(shè)置程序</p><p>　　按鍵子程序主要用于設(shè)定閾值報(bào)警系統(tǒng)。所以必須滿足下列兩個(gè)條件：</p><p>　　開機(jī)時(shí)進(jìn)入設(shè)置界面預(yù)設(shè)初值。</p><p>　　在軟件運(yùn)行過程中，每當(dāng)用戶需要修改閾值時(shí)候可

65、以隨時(shí)修改。</p><p>　　開機(jī)時(shí)以及按下設(shè)定按鍵時(shí)，進(jìn)入設(shè)置子程序，開始修改閾值。按下“+鍵”或“-鍵”修改預(yù)設(shè)值，按下“確定鍵”來跳到下一個(gè)環(huán)境參數(shù)設(shè)定，最后一次按確定以后退出設(shè)置子程序。流程圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 按鍵設(shè)置流程圖</p><p>　　4.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測程序</p><p>　　數(shù)據(jù)交換是本設(shè)

66、計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán)，是其他程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。所有傳感器檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)與矩陣鍵盤設(shè)定閥值比較判斷，當(dāng)處理后的數(shù)據(jù)超過閥值時(shí)，蜂鳴器會報(bào)警。數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖如圖4-4所</p><p>　　圖4-4數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖</p><p>　　4.3.3 主控芯片MSP430F5438A時(shí)鐘設(shè)定程序</p><p>　　單片機(jī)工作離不開時(shí)鐘，在我們熟悉的51單片機(jī)里面

67、，就是外部那個(gè)11.0592M或12M的晶振給單片機(jī)的CPU和片上外設(shè)提供時(shí)鐘節(jié)拍。MSP430F5438A也是一樣，但是MSP430F5438A的時(shí)鐘系統(tǒng)比51要先進(jìn)和復(fù)雜很多。51的時(shí)鐘源只有一個(gè)來自外部晶振，直接提供給內(nèi)部工作；而MSP430的時(shí)鐘是一個(gè)專門的模塊，至少有3個(gè)可選時(shí)鐘源（MSP430F5438A有5個(gè)），這些基本的時(shí)鐘源不直接提供給CPU和外設(shè)使用，而是經(jīng)過一些數(shù)據(jù)選擇器和分頻器，得到3個(gè)有用的時(shí)鐘信號。MSP43

68、0的CPU和片上外設(shè)可以根據(jù)需要，選擇這3個(gè)時(shí)鐘信號中合適的時(shí)鐘。MSP430的低功耗跟它的時(shí)鐘系統(tǒng)有很大關(guān)系。MSP430F5438A中一共有5個(gè)時(shí)鐘源：XT1CLK、VLOCLK、REFOCLK、DCOCLK、XT2CLK。其中XT1CLK是一個(gè)低頻時(shí)鐘源，由外部提供，一般是外接32.768kHz的手表晶振，無需外加電容。VLOCLK是一個(gè)集成在片上時(shí)鐘源，低頻低功耗，頻率典型值是10kHz。REFOCLK也是一個(gè)片上時(shí)鐘源，頻率典

69、型值32.768kHz。DCOCLK是一個(gè)片上的DCO數(shù)控振蕩器，可以用</p><p>　　4.3.4 DHT11單總線數(shù)據(jù)讀取程序</p><p>　　數(shù)字溫濕度傳感器DHT11是一種單總線的溫濕度傳感器，接線簡單。所以需要，軟件部分來補(bǔ)償。根據(jù)DHT11的操作時(shí)序來編寫相印的程序，通訊過程如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 DHT11的操作時(shí)序圖&

70、lt;/p><p>　　總線空閑狀態(tài)為高電平,主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后,等待主機(jī)開始信號結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號.主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后,延時(shí)等待20-40us后,讀取DHT11的響應(yīng)信號,主機(jī)發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高。如圖4-6所示：</p&g

71、t;<p>　　圖4-6 讀取DHT11</p><p>　　總線為低電平,說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后,再把總線拉高80us,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開始,高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1.格式見下面圖示.如果讀取響應(yīng)信號為高電平,則DHT11沒有響應(yīng),請檢查線路是否連接正常.當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉

72、電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。</p><p>　　數(shù)字0信號表示方法如圖4-7所示：</p><p>　　圖4-7數(shù)字0信號表示方法</p><p>　　數(shù)字1信號表示方法如圖4-7所示：</p><p>　　圖4-7數(shù)字1信號表示方法</p><p>　　在本系統(tǒng)中，我們利用單個(gè)I/O對DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)讀和寫，將讀取到的

73、溫度剔除，只對讀取到的濕度進(jìn)行處理。</p><p>　　4.3.5 片內(nèi)ADC程序</p><p>　　MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部集成了ADC，這為工程師在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)提供了很大的方便。同時(shí)，不同的單片機(jī)中集成了不同類型的ADC，有精度高但速度慢的SD16，有適用于多通道采集的ADC12，也有適用于高速度采集的ADC10。在MSP430F5438A單片機(jī)內(nèi)部通常集成的是12位ADC。

74、ADC12 是MSP430單片機(jī)的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換位數(shù)為12比特，該模塊內(nèi)部是一個(gè)SAR型的AD內(nèi)核，可以在片內(nèi)產(chǎn)生參考電壓，并且具有數(shù)據(jù)傳輸控制器。數(shù)據(jù)傳輸控制器能夠在CPU 不參與的情況下，完成AD數(shù)據(jù)向內(nèi)存任意位置的傳輸。它具有如下特點(diǎn)： </p><p>　　1、最大轉(zhuǎn)化速度超過200-ksps；</p><p>　　2、無數(shù)據(jù)丟失的單調(diào)的12位轉(zhuǎn)化器；</p>

75、<p>　　3、采樣—保持由可編程的采樣周期控制；</p><p>　　4、利用軟件，Timer_A對采樣進(jìn)行初始化；</p><p>　　5、選擇芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器（1.5V或2.5V）；</p><p>　　6、軟件選擇外部或內(nèi)部基準(zhǔn)；</p><p>　　7、12路獨(dú)立可配置的外部輸入通道；內(nèi)部溫度傳感器轉(zhuǎn)化通道，參考

76、電壓為AVcc和外部基準(zhǔn)；</p><p>　　8、可選的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源；四種轉(zhuǎn)化模式：單通道模式，重復(fù)單通道模式，序列模式和重復(fù)序列模式；</p><p>　　9、ADC內(nèi)核和基準(zhǔn)電壓可以單獨(dú)掉電；用于自動存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸控制器；</p><p>　　在本系統(tǒng)中，我們先設(shè)置內(nèi)部ADC的I/O口為第二功能引腳，再配置的寄存器ADC12CTL0、ADC12CTL1、

77、ADC12IE、ADC12CTL0，然后在中斷中利用它對MQ-2的2號引腳進(jìn)行重復(fù)單通道模式采樣，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　4.3.6模擬I2C通信協(xié)議</p><p>　　TMP275、BH1750FVI都是用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型傳感器集成電路，所以我們就把它們劃在一起進(jìn)行軟件分析。在硬件電路的基礎(chǔ)之上，我們想對TMP275、BH1750FVI采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就需

78、要通過軟件模擬I2C的通信協(xié)議，根據(jù)傳感器的時(shí)序讀取傳感器寄存器的值。在I2C總線通信的過程中，參與通信的雙方互相之間所傳輸?shù)男畔⒎N類歸納如下。 主控器向被控器發(fā)送的信息種類有：啟動信號、停止信號、7位地址碼、讀／寫控制位、10位地址碼、數(shù)據(jù)字節(jié)、重啟動信號、應(yīng)答信號、時(shí)鐘脈沖。被控器向主控器發(fā)送的信息種類有：應(yīng)答信號、數(shù)據(jù)字節(jié)、時(shí)鐘低電平。下面對I2C總線通信過程中出現(xiàn)的幾種信號狀態(tài)和時(shí)序進(jìn)行分析。①總線空閑狀態(tài) I

79、2C總線總線的SDA和SCL兩條信號線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級場效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高。②啟動信號　　在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），定義為I2C總線總線的啟動信號，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。啟動信號是一種電平跳變時(shí)序信號，而不</p><p>　　圖4-8 I2C總線上的啟動信號和停止

80、信號</p><p>　?、弁Ｖ剐盘枴　≡跁r(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的停止信號，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。停止信號也是一種電平跳變時(shí)序信號，而不是一個(gè)電平信號，停止信號也是由主控器主動建立的，建立該信號之后，I2C總線將返回空閑狀態(tài)。④數(shù)據(jù)位傳送   　　在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對應(yīng)

81、（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當(dāng)使用獨(dú)立電源時(shí)），如圖4-9所示：</p><p>　　圖4-9 I2C總線上的數(shù)據(jù)位傳送</p>

82、;<p>　　⑤應(yīng)答信號　　I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號。應(yīng)答信號為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。對于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該

83、時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號P，如圖4-10所示：</p><p>　　圖4-10 I2C總線上的應(yīng)答時(shí)序</p><p>　?、薏迦氲却龝r(shí)間　　如果被控器需要延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳送的時(shí)間，則可以通過把時(shí)鐘線SCL電平拉低并且保持，使主控

84、器進(jìn)入等待狀態(tài)。一旦被控器釋放時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)傳輸就得以繼續(xù)下去，這樣就使得被控器得到足夠時(shí)間轉(zhuǎn)移已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，或者準(zhǔn)備好即將發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。帶有CPU的被控器在對收到的地址字節(jié)做出應(yīng)答之后，需要一定的時(shí)間去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，來分析或比較地址碼，其間就把SCL線鉗位在低電平上，直到處理妥當(dāng)后才釋放SCL線，進(jìn)而使主控器繼續(xù)后續(xù)數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送，如圖4-11所示：</p><p>　　圖4-11 I2C總線上的插

85、入等待時(shí)間</p><p>　　⑦重啟動信號　　在主控器控制總線期間完成了一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收）之后，如果想繼續(xù)占用總線再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收），而又不釋放總線，就需要利用重啟動Sr信號時(shí)序。重啟動信號Sr既作為前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，又作為后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。利用重啟動信號的優(yōu)點(diǎn)是，在前后兩次通信之間主控器不需要釋放總線，這樣就不會丟失總線的控制權(quán)，即不讓其他主器件節(jié)點(diǎn)搶占總線。</p>

86、;<p>　?、鄷r(shí)鐘同步　　如果在某一I2C總線系統(tǒng)中存在兩個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)，分別記為主器件1和主器件2，其時(shí)鐘輸出端分別為CLK1和CLK0，它們都有控制總線的能力。假設(shè)在某一期間兩者相繼向SCL線發(fā)出了波形不同的時(shí)鐘脈沖序列CLK1和CLK2（時(shí)鐘脈沖的高、低電平寬度都是依靠各自內(nèi)部專用計(jì)數(shù)器定時(shí)產(chǎn)生的），在總線控制權(quán)還沒有裁定之前這種現(xiàn)象是可能出現(xiàn)的。鑒于I2C總線的“線與”特性，使得時(shí)鐘線SCL上得到的時(shí)鐘信號波形，

87、既不像主器件1所期望的CLK1，也不像主器件2所期望的CLK2，而是兩者進(jìn)行邏輯與的結(jié)果。CLKI和CLK2的合成波形作為共同的同步時(shí)鐘信號，一旦總線控制權(quán)裁定給某一主器件，則總線時(shí)鐘信號將會只由該主器件產(chǎn)生，如圖4-12所示：</p><p>　　圖4-12 I2C總線上的時(shí)鐘同步</p><p>　?、峥偩€沖突和總線仲裁　　假如在某I2C總線系統(tǒng)中存在兩個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)，分別記為主器件1

88、和主器件2，其數(shù)據(jù)輸出端分別為DATA1和DATA2，它們都有控制總線的能力，這就存在著發(fā)生總線沖突（即寫沖突）的可能性。假設(shè)在某一瞬間兩者相繼向總線發(fā)出了啟動信號，鑒于：I2C總線的“線與”特性，使得在數(shù)據(jù)線SDA上得到的信號波形是DATA1和DATA2兩者相與的結(jié)果，該結(jié)果略微超前送出低電平的主器件1，其DATA1的下降沿被當(dāng)做SDA的下降沿。在總線被啟動后，主器件1企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“101”，主器件2企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“100101”。兩個(gè)

89、主器件在每次發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)位的同時(shí)都要對自己輸出端的信號電平進(jìn)行抽檢，只要抽檢的結(jié)果與它們自己預(yù)期的電平相符，就會繼續(xù)占用總線，總線控制權(quán)也就得不到裁定結(jié)果。主器件1的第3位期望發(fā)送“1”，也就是在第3個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)送出高電平。在該時(shí)鐘周期的高電平期間，主器件1進(jìn)行例行抽檢時(shí)，結(jié)果檢測到一個(gè)不相匹配的電平“0”，這時(shí)主器件1只好決定放棄總線控制杈；因此，主器件2就成了總線的惟一主宰者，總線控制權(quán)也就最終得出了裁定結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了總線仲裁的功

90、能?！　囊陨峡偩€仲裁的完成過程</p><p>　　圖4-13 I2C總線上的總線仲裁</p><p>　?、饪偩€封鎖狀態(tài)　　在特殊情況下，如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動，封鎖或關(guān)閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個(gè)器件將時(shí)鐘線SCL鎖定在低電平上即可。</p><p>　　通過模擬I2C時(shí)序，我們可以對TMP275、BH1750F

91、VI采樣到得數(shù)據(jù)進(jìn)行我們想要的操作，從而達(dá)到我們所需要的數(shù)據(jù)。</p><p>　　5 監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試分析</p><p>　　5.1人機(jī)操作界面測試分析</p><p>　　人機(jī)操作界面由以下三個(gè)界面組成：光強(qiáng)閾值設(shè)定界面、溫度閾值設(shè)定界面和濕度閾值設(shè)定界面。這三個(gè)界面被7個(gè)按鍵控制，7個(gè)按鍵分別是：1.設(shè)置鍵；2.左移鍵；3.右移鍵；4.“+”鍵；5.“-”鍵；6

92、.確定鍵；7.蜂鳴器解除鍵。剛把電源接通的時(shí)候(或者按下設(shè)置鍵)，第一個(gè)顯示的就是光強(qiáng)閾值設(shè)定界面，界面如圖5-1 所示：</p><p>　　圖 5-1 光強(qiáng)閾值設(shè)定界面</p><p>　　通過“左移鍵”、“右移鍵”、“+鍵”、“-鍵”對光強(qiáng)閾值進(jìn)行設(shè)定，對光強(qiáng)閾值進(jìn)行設(shè)定完成以后，按確定鍵就表示對第一個(gè)界面設(shè)置完成，并且進(jìn)入第二個(gè)界面，第二個(gè)界面就是溫度閾值設(shè)定界面，如圖5-2所示：

93、</p><p>　　圖 5-2 溫度閾值設(shè)定界面</p><p>　　這個(gè)界面被6個(gè)按鍵控制，6個(gè)按鍵分別是：2.左移鍵；3.右移鍵；4.“+鍵”；5.“-鍵”；6.確定鍵；7.蜂鳴器解除鍵。同樣通過“左移鍵”、“右移鍵”、“+鍵”、“-鍵”可以對溫度閾值進(jìn)行設(shè)定，對溫度閾值進(jìn)行設(shè)定完成以后，按確定鍵就表示對溫度閾值設(shè)置完成，并且進(jìn)入下一個(gè)界面，接下來就是濕度閾值設(shè)定界面，如圖5-3所示

94、：</p><p>　　圖5-3濕度閾值設(shè)定界面</p><p>　　該界面被6個(gè)按鍵控制，6個(gè)按鍵分別是：2.左移鍵；3.右移鍵；4.“+”鍵；5.“-”鍵；6.確定鍵；7.蜂鳴器解除鍵。同樣方法對濕度閾值設(shè)定完成后，按確定鍵進(jìn)入下一個(gè)界面，就是環(huán)境參數(shù)監(jiān)測實(shí)時(shí)顯示界面如圖 5-4 所示：</p><p>　　圖 5-4環(huán)境參數(shù)監(jiān)測實(shí)時(shí)顯示界面</p>

95、<p>　　當(dāng)光強(qiáng)、溫度和濕度都在閾值范圍內(nèi)，就說明當(dāng)前光強(qiáng)屬于正常要求，所以不會產(chǎn)生警報(bào)，但是當(dāng)光強(qiáng)、溫度和濕度三個(gè)參數(shù)有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)超過閾值范圍，就會聽到蜂鳴器警報(bào)響起，這時(shí)長按“蜂鳴器解除鍵”，就會關(guān)閉蜂鳴器?；蛘弋?dāng)光強(qiáng)、溫度和濕度三個(gè)參數(shù)都在閾值范圍之內(nèi)時(shí)，蜂鳴器會自動關(guān)閉。</p><p>　　5.2 光強(qiáng)模塊測試分析</p><p>　　在完成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀界面

96、顯示之后，為了進(jìn)一步了解和分析我們環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀的準(zhǔn)確度，我們進(jìn)行了模塊界面顯示以及模塊的測試。首先分析了光強(qiáng)模塊。光強(qiáng)傳感器BH1750FVI在太陽照射下顯示界面如圖5-5所示：</p><p>　　圖 5-4 光強(qiáng)模塊測試界面</p><p>　　為能更好的反映光強(qiáng)模塊的檢測效果，我們在同一地點(diǎn)不同時(shí)間進(jìn)行了多次測試，進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　5.3 溫度

97、模塊測試分析</p><p>　　在完成光強(qiáng)模塊測試界面顯示之后，我們對溫度模塊進(jìn)行了測試。溫度模塊測試界面如圖5-5所示：</p><p>　　圖 5-5 溫度顯示界面</p><p>　　在這時(shí)，我們就可以針對溫度傳感器TMP275進(jìn)行升溫或降溫操作，以使溫度達(dá)到所需要求，進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　5.4 濕度模塊測試分析</

98、p><p>　　在完成光強(qiáng)模塊測試界面顯示之后，我們對濕度模塊進(jìn)行了測試，濕度顯示界面如圖5-6所示：</p><p>　　圖 5-6 濕度顯示界面</p><p>　　在這中情況下，我們就可以針對濕度傳感器DHT11進(jìn)行加水或放風(fēng)操作，以使?jié)穸冗_(dá)到所需要求，進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　5.5 氣敏傳感器監(jiān)測模塊測試分析</p>

99、<p>　　氣敏傳感器監(jiān)測模塊測試界面，如圖 5-7所示：</p><p>　　圖 5-8氣敏傳感器監(jiān)測模塊測試界面</p><p>　　表5-1氣體濃度等級表</p><p>　　當(dāng)氣體濃度低于預(yù)設(shè)閾值(閾值在軟件中對內(nèi)部ADC采樣值已進(jìn)行設(shè)定，不能更改，見表5-1)，就說明當(dāng)前氣體濃度屬于正常要求，所以不會產(chǎn)生警報(bào)，但是當(dāng)氣體濃度超過預(yù)設(shè)閾值，就會聽

100、到蜂鳴器警報(bào)響起，這時(shí)長按“蜂鳴器解除鍵”，就會關(guān)閉蜂鳴器。或者當(dāng)氣體濃度再次低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，蜂鳴器會自動關(guān)閉。在這時(shí)，我們可以利用打火機(jī)在氣敏傳感監(jiān)測模塊四周放出丁烷，再用萬用表測量MQ-2的2號引腳，觀察萬用表測量到的電壓值，進(jìn)行驗(yàn)證。如圖5-9所示：</p><p>　　如圖5-9萬用表測試圖</p><p>　　5.6 紅外監(jiān)控模塊測試分析</p><p>

101、　　紅外監(jiān)控模塊測試界面，如圖5-10所示：</p><p>　　圖 5-10紅外監(jiān)控模塊測試界面</p><p>　　本系統(tǒng)的紅外監(jiān)控模塊只有在環(huán)境較暗時(shí)，才能監(jiān)測紅外監(jiān)控模塊附近有無紅外。當(dāng)環(huán)境較暗時(shí)，紅外監(jiān)控模塊附件有紅外，紅外監(jiān)控模塊測試界面會產(chǎn)生變化。如圖5-11所示：</p><p>　　圖5-11紅外監(jiān)控模塊測試界面</p><p&

102、gt;　　我們可以用物體擋住光敏電阻，然后用手觸碰KP-500B，再用萬用表測量BIS001的V0端，觀察萬用表測量到的電壓值以及記錄保持高電平的時(shí)間，進(jìn)行驗(yàn)證。如圖5-12所示：</p><p>　　如圖5-12 萬用表測試圖</p><p>　　5.7整機(jī)裝配與調(diào)試</p><p>　　5.7.1整機(jī)裝配調(diào)試</p><p>　　對上述所

103、有單元模塊進(jìn)調(diào)試，確保所有模塊都能正常工作后，接下來我們對整機(jī)包括電路板、MSP430F5438A核心板、數(shù)據(jù)采集板以及鋁合金外殼進(jìn)行了打孔裝配，如圖5-16所示。</p><p>　　圖5-16 整機(jī)裝配圖</p><p>　　整機(jī)的裝配完成之后，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試（如圖5-16所示）。將裝配好的系統(tǒng)上電，經(jīng)過按鍵設(shè)定（如圖4-3）相關(guān)報(bào)警閾值參數(shù)，系統(tǒng)順利的進(jìn)行了下一步的綜合監(jiān)測程序（如圖4

104、-4）。系統(tǒng)整機(jī)運(yùn)行正常，能正常監(jiān)測各個(gè)環(huán)境參數(shù)。</p><p><b>　　圖5-16整機(jī)調(diào)試</b></p><p><b>　　5.7.2功耗測試</b></p><p>　　經(jīng)測試，系統(tǒng)外接12V穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作電流65mA，功耗約為780mW。如果配以24A·h/12V的蓄電池，在放電深度為90

105、%的情況下，一次充電后系統(tǒng)可以正常不間斷工作24*0.9/0.065≈14天左右。該系統(tǒng)非常適合用在移動電源式的監(jiān)測場合。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文在廣泛的查閱國內(nèi)外相關(guān)的研究資料和技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深入調(diào)研，采用最新的硬件技術(shù)及軟件設(shè)計(jì)方法，研究設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的采集

106、、處理、顯示、存儲的功能。分別從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了基于MSP430F 5438A單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)過程。</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的模塊化設(shè)計(jì)，主要分為兩大部分，單片機(jī)核心板部分和的外圍監(jiān)測模塊部分。單片機(jī)核心板部分主要完成MSP430F 5438A的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，外圍監(jiān)測模塊部分主要以多種傳感器為核心，包含測溫、測濕、測光照度、測紅外光強(qiáng)、測可燃?xì)怏w濃度等多個(gè)環(huán)境參數(shù)檢測電

107、路。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過綜合集成后，完成了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　當(dāng)然，系統(tǒng)還有一些可以在功能上完善和改進(jìn)的地方。例如，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)還可再添加一些其他傳感器，例如壓力傳感器、聲強(qiáng)傳感器等，使之功能更加完備。此外，還可以在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入基于有線串口或無線通訊模塊，使得系統(tǒng)可以與上位機(jī)或遠(yuǎn)程PC機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄采集的數(shù)據(jù)。</p><p>　　總體來說，本文所

108、述基于MSP430單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計(jì)原理科學(xué)，成本低，體積小，功耗低，便于開發(fā)，使用靈活方便，測量準(zhǔn)確性較高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，使室內(nèi)外的環(huán)境監(jiān)測更加方便快捷，適用于各種室內(nèi)外場合，農(nóng)業(yè)、工業(yè)等均可，應(yīng)用前景廣闊。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　時(shí)間飛逝，三年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束了，在這里，我首先要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師，感謝

109、他們在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中給予我的關(guān)心、指導(dǎo)和幫助，在畢業(yè)論文的撰寫過程中，指導(dǎo)導(dǎo)師給予了我無私的幫助，我的所有成果都傾注了指導(dǎo)老師的心血！指導(dǎo)老師治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)、對科研工作認(rèn)真執(zhí)著，使我深受感染。在整個(gè)畢業(yè)論文撰寫過程中，從畢業(yè)論文的選題到研究思路的確定，以及到最后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程中都得到了兩位老師的指導(dǎo)和幫助。最后，再次向指導(dǎo)老師表達(dá)我最誠摯的謝意。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b&g

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