摘要： 論述了一種以16 位單片機MSP430F149 為控制核心， 利用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度測量的智能溫度檢測系統(tǒng)。詳細論述了該系統(tǒng)的硬件組成和軟件設計， 給出了關鍵部分的電路圖及相應的MSP430F149單片機溫度測量程序。實驗結果表明， 該智能溫度檢測系統(tǒng)具有低成本、可靠性高、結構簡單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟實用等特點， 可根據(jù)不同需要應用于多種工農(nóng)業(yè)溫度檢測領域。

1 引言

隨著設備的電氣化和自動化程度不斷提高， 對設備和環(huán)境進行實時監(jiān)控顯得尤為重要。傳統(tǒng)的測溫器件熱敏電阻測出的一般是電壓， 需要再轉(zhuǎn)化為相應的溫度， 這就要有其它外部硬件的支持。因此硬件電路比較復雜， 設計成本也比較高。智能溫度檢測系統(tǒng)采用的是一種改進型智能溫度傳感器DS18B20, 數(shù)字溫度傳感器通過單總線與單片機連接， 系統(tǒng)結構簡單， 抗干擾能力強， 適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量， 也可應用于倉庫測溫、高層空調(diào)控制和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領域。

2 溫度檢測系統(tǒng)硬件構成

該溫度檢測系統(tǒng)由主控制器MSP430F149、存儲模塊CAT24WC64、液晶顯示模塊HTM1602A、語音報警模塊ISD1420、矩陣鍵盤和單總線接若干溫度傳感器DS18B20組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。由圖可見， 多點溫度測量電路只占用了MSP430F149 的一個普通IO口， 系統(tǒng)資源利用率較高。

圖1 系統(tǒng)硬件總體電路圖

2. 1 DS18B20

2. 1. 1 DS l8B20的內(nèi)部結構

DS18B20的內(nèi)部結構如圖2 所示， 主要由四部分組成： 光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器TH 和TL 配置寄存器。DS18B20 可以有多種封裝形式， 在TO - 92封裝中， 如圖2 （ a ）所示， GND 為接地引腳， DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，VDD為可選的外部電源供電引腳， 在寄生電源工作方式下接地。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的， 它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM 的排列是： 開始8位（ 28H ）是產(chǎn)品類型標號， 接著的48 位是該DS18B20自身的序列號， 最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼。

光刻ROM 的作用是使每一個DS18B20 都各不相同， 這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

圖2 DS18B20整體結構圖

2. 1. 2 DS18B20的工作過程

訪問DS18B20的工作順序通常為： 初始化， 發(fā)送ROM 操作命令， 發(fā)送RAM 操作命令。通過初始化復位工作使主設備知道傳感器DS18B20存在并準備工作。通過發(fā)送ROM 命令可以知道某個特定的DS18B20是否存在并且是否超過溫度警界值。

共有5種ROM操作命令， 分別是讀ROM （ 33H ）、匹配ROM （ 55H ）、搜索ROM （ FOH ）、跳過ROM（ CCH）、告警搜索命令（ ECH ）。通過發(fā)送RAM 操作命令， 可以設定電源供電方式， 啟動溫度轉(zhuǎn)化， 讀寫DS18B20的暫存區(qū)。共有6種功能命令， 分別是轉(zhuǎn)換溫度（ 44H ）、讀暫存區(qū)（ BEH ）、寫暫存區(qū)（ 4EH ）、復制暫存區(qū)（ 48H ）、重調(diào)EEPROM （ B8H ）、讀電源供電方式（ B4H ）。每條命令有不同代碼， 在總線上傳送時， 由器件根據(jù)接收的命令代碼完成相應的操作。因此DS18B20的單線通信功能是分時完成的， 它有嚴格的時序要求。

2. 2 MSP430F149

本設計的主控芯片采用美國德州儀器公司的16位帶FLASH 單片機MSP430F149。它具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點。其工作電壓為1. 8V ~ 3. 6V; CPU 運行正交的精簡指令集。片內(nèi)寄存器數(shù)量多。存儲器可實現(xiàn)多種運算。

MSP430F149中斷源較多并可任意嵌套， 系統(tǒng)處于省電狀態(tài)， 用中斷請求喚醒只需6 微秒。它還具有豐富的外圍器件。其16位定時器T imerA具有4種工作模式， 可同時進行多個捕獲/比較功能； 48個可獨立編程的I /O 口； 2 個串行通信接口微秒ART0與微秒ART1; FLASH 存儲器多達60KB, 擦寫次數(shù)可達10萬次。該款芯片的超低功耗和良好的性能價格比使其非常適合工業(yè)監(jiān)控領域。

2. 3 語音報警模塊

對于溫度的超限情況進行報警， 系統(tǒng)采用語音報警方式。語音報警由ISD1420 芯片控制， 它具有分段錄放功能， 每次錄放時間為20S。預先錄制好的溫度語音， 由MSP430單片機判斷被測溫度， 當測量值高出或低于標準值時放出各自相應的錄音， 從而實現(xiàn)溫度的報警功能。

2. 4 溫度顯示模塊

液晶顯示模塊HTM 1602A 是基于S6A0069 芯片構建的2行l(wèi)6列字符型的LCD 液晶顯示模塊， 其字符顯示的分辨率是5 ×8 （即每個字符是由一個5× 8的點矩陣構成）?；赟6A0069所編寫的控制程序亦可以很方便地應用于其它大部分字符型液晶顯示模塊。因此選用HTM 1602A 模塊顯示系統(tǒng)的測溫結果。

2. 5 數(shù)據(jù)存儲模塊

系統(tǒng)采用CAT24WC64 作為存儲芯片。

CAT24WC64是一個64k位串行CMOS EEPROM, 內(nèi)部含有8192個8位字節(jié)， 具有一個32 字節(jié)寫緩沖器， 該器件通過I2C 總線接口進行操作， 有專門的寫保護功能。測溫系統(tǒng)采用CAT24WC64用來集中記錄單總線上所有溫度傳感器的注冊信息， 即按地址順序存放DS18B20 的64位光刻ROM 序列碼。每個序列碼占用8字節(jié)空間， 系統(tǒng)管理程序會以8字節(jié)為基數(shù)計算傳感器注冊碼的地址序號， 并反饋給用戶作為傳感器的標識號。

2. 6 串口通信接口電路設計

將MSP430F149單片機采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C， 利用MSP430 單片機的通訊接口連接到RS232串行口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令， 但是單片機的TTL電平和RS232不兼容， 因此使用MAX232進行電平轉(zhuǎn)換， 其接口電路圖如圖3所示。

圖3 MSP430F149與PC機的串行接口電路

MSP430 有兩組通訊接口， UTXD0、URXD0 和UTXD1、URXD1, 這里用的是第一組。MSP430F149單片機3. 3V 的信號由UTXD0出來輸入到MAX232的T1 IN 腳， 轉(zhuǎn)換成±15V的信號由T1OUT 送到通訊標準接頭的2腳（ RXD） , ±15V 的信號由通訊標準接頭的3腳（ TXD ）出來輸入到MAX232 的R1 IN腳， 轉(zhuǎn)換成±15V 的信號由R10UT 送到單片機的URXDO。

3 溫度檢測系統(tǒng)軟件設計

MSP430系列是一種具有集成度高、功能豐富、功耗低等技術特點的16位單片機， 它采用c語言完成程序設計， 大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率； 同時用c語言所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解， 便于移植。

3. 1 下位機編程

系統(tǒng)程序設計包括主程序， 復位子程序， 報警和分辨率設置子程序， 溫度轉(zhuǎn)換子程序， 讀溫度子程序， 計算溫度和顯示溫度子程序等等。MSP430F149對DS18B20的訪問流程是： 先對DS18B20初始化，再進行ROM 操作命令， 最后才能對存儲器RAM 操作。程序流程圖如圖4 所示。下面就簡要介紹MSP430系列單片機C 語言的幾個主要子程序。

圖4 程序流程圖

3. 1. 1 復位子程序

該程序的主要功能是負責DS18B20的復位， 以方便進行以后的操作。復位要求主CPU 將數(shù)據(jù)線下拉500微秒， 然后釋放， DS18B20收到信號后等待16~ 60微秒左右， 后發(fā)出60 ~ 240微秒的存在低脈沖， 主CPU 收到此信號表示復位成功。

bit ResetDS18B20（ ）

{ unsigned char ;i

bit flag;

DS18B20= 0:

for（ i= 0; i< 200; i+ + ） ; / /保持低電平500微秒

DS18B20= 1:

for（ i= O; i< 30; i+ + ） ; / /等60微秒

flag= DS18B20; / /取DS18B20狀態(tài)

for（ i= 0; i< 100; i+ + ） ; / /等300微秒

return flag; / / flag= 0復位成功， flag= 1, 復位不成功

}

3. 1. 2 寫一個字節(jié)子程序：

CPU 將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平， 產(chǎn)生寫起始信號； 15 微秒之內(nèi)， 將所寫的位送到數(shù)據(jù)線上；DS18B20在之后15~ 60微秒接收位信息； 寫下一個位之前要有1秒以上的高電平恢復； 將以上過程重復8次， 即完成一個字節(jié)的寫操作。

vo idWRDS18B20（ unsigned char data0）

{ unsigned char ,i ;j

for（ j= 0; j< 8; j+ + ）

{

DS18B20= 0; / /高電平拉到低電平， 產(chǎn)生寫起始信號

for（ i= 0; i< 1; i+ + ） ;

DS18B20 = da ta0& 0x01; / /15微秒內(nèi)寫一位

for（ i= 0; i< 20; i+ + ） ; / /等60微秒， DS18B20完成采樣

DS18B20= 1; / /高電平恢復

data0= data0> > 1; / /右移， 為下一位準備}

}

3. 1. 3 讀一個字節(jié)子程序

CPU 將數(shù)據(jù)線從高電平拉到低電平1微秒以上， 再拉到高電平， 產(chǎn)生讀起始信號； 15微秒之內(nèi)，CPU 讀一位； 讀周期為60微秒， 讀下一個位之前要有1微秒以上的高電平恢復； 將以上過程重復8次，即完成一個字節(jié)的讀操作。

unsigned charRDDS18B20（ ）

{ unsigned char ,i ,j data0= 0;

bit temp;

for（ j= 0; j< 8; j+ + ）

{ DS18B20= 0; / /高電平拉到低電平1微秒以上

for（ i= 0; i< ;l i+ + ） ;

DS18B20= 1; / /再拉到高電平， 產(chǎn)生讀起始信號

for（ i= 0; i< 1; i+ + ）；

temp= DS18B20; / /15微秒之內(nèi)讀一位

for（ i= 0; i< 20; i+ + ）； / /等60微秒

data0= dataO > > 1; / /為下一位準備

if（ temp= = 1） data0= dataO |0x80;

else data0= data0& 0x7;f

DS18B20= 1; / /高電平恢復

for（ i= O; i< 1; i+ + ）； }

return data0; }

3. 2 上位機軟件編程

系統(tǒng)采用MSCOMM 控件實現(xiàn)VC ++ 與單片機之間的數(shù)據(jù)交換， 具有程序?qū)崿F(xiàn)簡便、程序模塊化、工作可靠等優(yōu)點， 并能滿足多數(shù)情況下的工控要求。

使用MSCOMM控件主要是通過事件來處理串行口的交互?？丶腗SCOMM 事件負責捕獲或處理這些通訊事件和通訊錯誤。

4 結束語

測溫系統(tǒng)采用了集成度高、功耗低的MSP430F149 為核心微處理器， 通過傳感器DS18B20實現(xiàn)對溫度測量， 并進行存儲和顯示。實驗表明： 當外界溫度試驗的范圍設定在0℃ ~ 50℃ ,可確保測量誤差不超過±0. 5℃ , 在試驗板上顯示溫度精確到0. 0625℃, AD轉(zhuǎn)換的時間是750ms, 傳輸?shù)木嚯x是40m。另外， 在該系統(tǒng)的基礎上也可以擴展其他信號， 如濕度， 壓力等。