数字温度计的制作

基于msp430单片机的数字温度计的制作概述这是一个实现比较简单任务的项目方案，通过此产品的制作，我们需要做到以下几点：1、了解美国德州TI公司的16位单片机msp430硬件内部结构，同时可以与我们现学的51单片机做个对比。2、了解测温传感器热敏电阻（NTC）的基本特性3、了解和掌握此方案的硬件电路设计、测温方案及软件流程4、练习一下贴片元器件的焊接，掌握贴片元器件的焊接方法5、了解msp430的开发环境，自己动手用仿真器调试数字温度计硬件，并单步运行一下内部程序（单片机C语言程序），观察一下C语言的一些相关变量。下面从项目开发流程介绍开始讲述：大致开发流程框图：方案论证和确定选择主要器件绘制电路sch图绘制pcb图、做扳子画出软件流程图编程序挑选、购买器件焊接电路板调试电路板整机安装完成1、方案论证和确定：主要是根据项目要求，提出可行性方案，通过讨论并确定下来，在我们的项目中，由于是电池供电（低容量）、低成本、数字显示等特性，那么我们就需要选择一个低功耗和低成本方案来实现这种功能，所有器件都需要低功耗。先找能实现我们要求的主cpu，选择单片机首先要知道它的直流特性，如电流、电压、各个模块的功耗等，大致了解它的主要功能(等到编程序时再去详细了解寄存器及寄存器配置，(选择单片机首先要知道它的直流特性，如电流、电压、各个模块的功耗等)因此我们选择带有液晶驱动超低功耗的主cpu来自实现（430单片机）和低成本的温度传感器（热敏电阻），因为430单片机：超低功耗、液晶驱动、斜边ad等，这些都能满足我们的要求。2、选择主要器件：msp430f413、热敏电阻、液晶片、纽扣电池（230ma），上网查询下载相关资料技术手册。3、挑选、购买器件：主要是购买主要器件，联系可靠厂家，我们这主要是cpu、热敏电阻。4、绘制电路sch图：用制图工具(protel99或pads等工具)画出电路图5、绘制pcb图、做扳子：根据原理图画pcb图，pcb文件发到制板厂家制作，（大概需要7天）6、画出软件流程图：跟据实现功能，写出流程图7、编程序：跟据流程图，编制程序。8、焊接电路板：一般的小项目（像我们这个）在7天的做板周期内，6、7步都已完成，领取元器件焊接电路板，一般是制板，我们都做二块，以确定电路和软件的稳定性。9、调试电路板：这一步最重要，也是时间最长的一步，在这一步中要调试软件，修改软件中的错误，还要调试硬件，修改电路错误。项目越复杂所需时间越长，又叫单板调测，。10、整机安装完成：在软件和硬件调试都完成的成况下，把它装起来，在测试一遍，没问题就完成了。在这个项目中，我们的大部分工作都由主控器件单片机来实现的，所以我们需要很详细的了解和掌握这一块单片机硬件结构，下面我们就介绍一下这一款单片机。430单片机性能概述•美国德州仪器（TI)公司MSP430系列单片机是一款超低功耗类型的16位单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备中。同时，该产品将大量的外围模块整合到片内，也适合于设计片上系统；有丰富的不同型号的器件可供选择，让设计者根据自己的产品选择单片机所带的内部模块以最求最大的性价比，这样就给设计者带来很大的灵活性，合理利用片上的资源，现在在三表（家中智能电表、气表、水表（包括冷水表和热水表）））上用得最多（90%），这是因为它具有最低功耗，可以让电池用上四、五年以上，后面将会介绍到。•MSP430单片机是一个16位精简指令构架(RSIC),有大量的工作寄存器和数据存储器,其RAM单元也可以实现运算，在运算速度方面，MSP430能在8MHZ的晶体驱动下实现125ns的指令周期（一条指令大部分是一个机器周期（单指令周期），时钟周期（振荡周期）是最小单元，机器周期》=时钟周期，像标准51是机器周期=12时钟周期）。16位数据宽度、以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法，对比51我们知道，51是8位的单片机，同时一个指令周期等于12个时钟周期，有很多是双指令周期乃至四指令周期，所以运算速度就慢了很多。•自MSP430系列单片机99年进入中国市场以来，以其超低功耗，高性能深得广大工程师青睐。加之业界最小的开发工具EZ430（体积很小的一个盒子，也可以做在并口线中）的推出，采用JTAG口下载和仿真程序，其使得MSP430单片机在开发和应用当中更快速（我们在2003年接触这款单片机，用来开发热量表（暖气），他的硬件开发工具是300元，软件开发环境是5000元，但是他有4k代码限制和30天限制的二种版本，所以当初我们在开发时，用的是30天的，结果每到30天需要重新卸载（注册表修改），安装，非常麻烦，而现在我们有了破译版，就方便好用多了，现在的仿真器市场价50元左右，还可以自己制作，更加便易，其实也就是一个并口线和一个74hc244（8位三态缓冲器起隔离电平和驱动作用），就可以了。我也做了二个，你们调试的时候可以看一下我们做的，有兴趣的同学用我们提供的图自己做做，而51的仿真器又大又贵。同时430单片机安全方面采用了BSL编程，还可通过熔丝熔断技术使定型的程序代码保护，无法读出破解。•低电压、超低功耗：电压：1.8V~3.6V1）0.1uA的RAM保持模式2）0.8uA的实时时钟模式3）250uA的工作模式（默认时钟800khz）•强大的处理能力：MSP430单片机具有丰富的寻址方式,但只需简洁的27条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多运算；有效的查表处理方法。这些特点保证了可以编出高效的程序。MSP单片机的中断源较多，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需6us。•系统工作稳定：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，保证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控制位来确定最后的时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，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。•丰富的片上外围模块：MSP430的各个成员集成了较多的片上外围资源。外围模块有：1）10/12/16位ADC2）精密模拟比较器(实现SLOPEAD)3）电源电压监控（SVS)4）UART/SPI异步/同步串行通讯接口（可以用定时器软件模拟串行通讯接口）5）硬件乘法器6）直接存取控制器（DMA，通过它可直接与I/O设备之间传送数据而不通过CPU）7）看门狗定/计时器（WDC)8)温度传感器（热敏二极管）9）12位DAC10）LCD驱动器11）运算放大器12）I2C总线13）红外线控制器（IRDA)14)16/8位计数器15）多达80个I/O口•方便高效的开发方式：MSP430单片机具有FLASH存储器，这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的JTAG接口或片内的BOOTROM，可以在一台PC及一个结构小巧的JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的调试，开发语言有C语言和汇编语言。•多种存储器形式：MSP430的各个型号有性能相同而存储器不同的ROM型（掩膜）、OTP型（一次）、EPROM型（紫外线擦除）、FLASH型（在线反复编程），程序空间有大小不等，以适应产品在设计、开发、生产的各个不同阶段的需要。•适应工业级运行环境：MSP430的运行环境温度范围为-40~+85度，所设计的产品适合运行于工业环境下。我们在这个方案中用到的是msp430f413，它是msp430f41X系列的在这个系列中外围封装饰一样的，但一些内部硬件结构略有不同，下面的的型号硬件（包括程序存储空间和数据存储空间）有所增加，因此可以兼容上面的型号，下面就介绍一下单片机（msp430f413）的主要硬件结构：MSPF430F413系列的主要硬件结构第四章主要硬件结构介绍一、基础时钟模块与低功耗：MSP430的由低速晶体、高速晶体、数字控制振荡器DCO、锁相环FLL以及锁相环增强板FLL+等部件构成，时钟模块输出3种不同频率时钟ACLK(辅助时钟)、MCLK（主系统时钟）、SMCLK（子系统时钟），送给不同需求的模块，如图：正是由于有3种不同频率的时钟输出给不同的模块，才使得整个系统超低功耗成为可能。系统的功耗与系统工作的频率成正比。ACLK（铺助时钟）:是由低频时钟信号经1，2，4，8分频后得到的。分频系数可选，由控制寄存器控制参数位控制。ACLK可由软件选做各个外围模块的时钟信号。此信号最稳定常用作定时器的时钟，由于有了低频时钟，所以这款单片机还可以做数字时钟，再通过软件做万年历，非常准确和时钟芯片（时钟芯片接的晶体和它是一样的，32.768khz）一样的，所以用它可以取代增加需要时钟系统的时钟芯片。MCLK（系统主时钟）：由软件选择低频时钟信号、高频时钟信号、DCO时钟信号之一经1，2，4，8分频后得到的。分频系数可选，由控制寄存器控制参数位控制。主要用于CPU和系统。SMCLK（子系统时钟）：由软件选择低频时钟信号、高频时钟信号、DCO时钟信号之一经1，2，4，8分频后得到的。分频系数可选，由控制寄存器控制参数位控制。主要用于各外围模块。MSP430的每个系列系统的时钟都不太一样，MSP430F41X系列的时钟模块，主要是利用FLL+（锁相环增强型的模块）技术，把DCO与晶体组合使用，使系统更稳定、更快速，所以它只有ACLK（铺助时钟），高频是通过倍频技术来达到的，最大能到8Mhz，而有的系列可以接双时钟。时钟具体如何配置参考它的技术手册二、各种工作模式、时钟活动状态（主时钟为1M，电压为3V，25度，flash型）1）活动模式（AM）：CPU、MCLK、SMCLK、ACLK活动,电流300~350uA:功耗（电流）：1）与主频关系（电压、温度一定）：I(AM)=I(AM)[1MHZ]×f(System)[MHZ]）;与频率是成倍增长，再看看51内核：飞利浦p87c51最低：I(AM)=0.9×f(System)+1.1mA。2）与电压（主频、温度一定）：I(AM)=I(AM)[3V]+140(uA/V)*(VCC-3V),关系相对不是很大。2）低功耗模式0（LPM0）：CPU、MCLK禁止；SMCLK、ACLK活动,电流55~70uA3）低功耗模式1（LPM1）：CPU（如果DCO未用作MCLK或SMCLK，则直流发生器禁止，否则保持活动）、MCLK禁止；SMCLK、ACLK活动,电流92~100uA4）低功耗模式2（LPM2）：DCO、CPU、MCLK、SMCLK禁止；ACLK活动,电流17~22uA5）低功耗模式3（LPM3）：DCO、直流发生器、禁止CPU、MCLK、SMCLK禁止；ACLK活动,电流0.9~1.5uA6）低功耗模式4（LPM3）：DCO、直流发生器、禁止CPU、MCLK、SMCLK禁止、ACLK禁止；电流0.1~0.5uA下面主要介绍它的硬件结构：关于它如何用寄存器去实现的（这个很难在几个小时讲清楚的，因为他有很多寄存器，而一个寄存器又有8位，每位是干啥的，只有在编程时才仔细去看），可以去看一下他的技术手册，我们就不介绍了，我们只介绍一下它的主要硬件，我们都知道单片机所必需的硬件：实现逻辑电平的i/o口、定时器、运算器、时钟模块，中断，这四个是单片机必须有的，也称内核，这样单片机才能够工作。其它的外围模块就是不同的单片机和同一单片机不同的系列都是不一样的。下面就介绍一下我们用的单片机的硬件结构。三、I/O口41X系列有P1~P6共6个8位端口，都能用作输入和输出并可以通过软件设置，可以驱动电流达到6ma，其中P1,P2的位端口同时有中断能力，每个信号都可作为中断源。说到i/o口的结构，大家要一般知道二点1、开漏、内部上拉，2、拉电流，灌电流，1、如果是开漏的话，内部的集电极是悬空的，所以在设置电路，必需加上外部拉电阻（如果不加，在作为输入时，口线不稳定导致电流不稳定，功耗大），如果有内部上拉，一般也是弱上拉，也可以加上外部上拉电阻。2、拉电流，灌电流：我们用反向器为例，用图来说明