畢

業(yè)

論

文

開

題

報

告

1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：

文

獻

綜

述

一、題目背景和研究意義

溫度是工業(yè)生產中最常見和最基本的參數(shù)之一，在生產過程中常需對溫度進行實時監(jiān)控。通常采用單片機完成對溫度信息的存儲、實時控制、檢測以及數(shù)字顯示。這對于提高企業(yè)生產效率、提升產品質量、節(jié)約能源等都有重要的作用。為此，本文設計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單片機作為主控制器[1]。

采用這種設計的溫度采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)溫度檢測、信息存儲、實時控制以及數(shù)字顯示，對于提高企業(yè)生產效率、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量的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1

溫度傳感器的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

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

常用的測溫傳感器有熱電偶，熱電阻，導體溫度傳感器等，由于科學技術的發(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以微處理器為內核擴展了外圍部件的計算機檢測系統(tǒng)。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著特點[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、零點誤差、正反行程誤并等)而且還可適省地補償隨機誤差、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)結構的某些不可靠因素，改善整個系統(tǒng)的抗干擾性能；同時它有自診斷、自?；春蛿?shù)據(jù)存儲功能(對于智能結構系統(tǒng)還有自適應功能)，具有良好的穩(wěn)定性。

3.提高了傳感器的性能價格比

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，性能價格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機后更為明顯。

4.促成了傳感器多功能化

智能式傳感器可以實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量，擴大測量與使用范圍;有一定的自適應能力，根據(jù)檢測對象或條件的改變，相應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，直接送入遠地計算機進行處理；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轉換后的模擬量輸出等)，適配各種應用系統(tǒng)。

2.2

溫度測量的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

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

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

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

測溫方法

溫度傳感器

測溫范圍（℃）

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

紅外測溫

-50~300

其它

示溫材料

-35~2000

<1

表1常用測溫方法和特點

三、課題的基本技術原理

1.基于MSP430的溫度采集系統(tǒng)的結構

本系統(tǒng)主要由DS18B20溫度傳感器及MSP430單片機兩部分組成，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示：

DS18B20溫度傳感器

MSP430單片機

報警模塊

按鍵輸入模塊

LCD顯示模塊

電源及復位模塊

圖1

溫度采集系統(tǒng)結構框圖

上述各個模塊的功能是：

傳感器：將被測非電量即溫度轉換成電信號。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：實現(xiàn)對從傳感器輸入的數(shù)字信號進行存儲、控制及顯示等功

能。

按鍵輸入模塊：應用軟件程序確定報警啟動的上限溫度及下限溫度。

電源及復位模塊：為整個系統(tǒng)提供電源及復位信號。

報警模塊：當所測溫度超過設定的上限溫度或下限溫度時啟動，蜂鳴器報警。

LCD顯示模塊：顯示當前所測得的溫度值。

2.溫度傳感器的選型

2.1

溫度傳感器的選型

本設計選用DS18B20溫度傳感器，作為一種數(shù)字化溫度傳感器，DS18B20測溫時無需任何外部元件，可直接輸出9~12位（含符號位）的被測溫度值，測溫范圍為-55ǜ~+125℃；在-10~+85℃范圍內測量精度為±0.5℃，輸出測量分辨率可謂，最高可達0.0625℃；支持“單線總線”技術，僅需要占用一個通用I/O端口即可完成與單片機的通信；現(xiàn)場溫度直接以“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，在實際應用中取得了良好的測溫效果[5]。

2.2

DS18B20的內部結構及管腳分布

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DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛多個DS18B20的目的。高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的EEPROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入[6]。

64位ROM

和單線端口

存儲器和邏輯控制

暫存器

8位CRC產生器

溫度傳感器

上限觸發(fā)TH

下限觸發(fā)TL

電源檢測

VDDD

DQ

圖2

DS18B20的內部結構

DS18B20數(shù)字溫度計以9位數(shù)字量形式反映器件的溫度值。DS18B20通過一個單線接口發(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）。用于讀寫和溫度轉換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。因為每個DS18B20都有一個獨特的片序列號，所以多只DS18B20可以同時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、探測建筑物、儀器或機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。對于單線操作：漏極開路

VDD：可選的VDD腳。

3.MSP430的簡介及功能特性

3.1

MSP430的簡介

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

功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器(Mixed

Signal

Processor)。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個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芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應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：主動模式：400微安在1MHz，2.2V也可

待機模式：2.5微安

關閉模式（RAM保持）：0.35微安

有5種省電模式，待機到喚醒不到6us

如表2

模式

狀態(tài)

低功耗模式0

LPM0

CPU關閉，ACLK和SMCLK信號活動，MCLK停止

低功耗模式1

LPM1

CPU關閉，ACLK和SMCLK信號活動,MCLK停止，若沒有被外圍模塊使用,DCO發(fā)生器關閉

低功耗模式2

LPM2

CPU關閉，MCLK和SMCLK停止，-ACLK保持活動，DCO發(fā)生器保持活動

低功耗模式3

LPM3

CPU關閉，MCLK和SMCLK停止，-DCO發(fā)生器停止，ACLK保持活動

低功耗模式4

LPM4

CPU關閉，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，擴展內存，125ns指令周期時間

三通道內部DMA

12位A/D轉換器具有內部參考，采樣保持和自動掃描功能

電源電壓監(jiān)控器可編程電平檢測

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

FALSH存儲模塊主要特點：

編程可使用位、字節(jié)和字操作

可以通過JTAG、BSL和ISP進行編程

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空間編程時間<5秒

保密熔絲燒斷后不可恢復，不能再對JTAG進行任何訪問

FALSH

編程/擦除時間由內部硬件控制，無需任何軟件干涉

參考文獻：

[1]王曉銀，基于MSP430F149單片機的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計[期刊論文]-微計算機信息，2006(22)

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

[3]金永賢，智能化電子產品的低功耗設計[J]，華東交通大學學報，200l，18(1)：15-16．

[4]葉湘濱、熊飛麗等.傳感器與測試技術[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)字溫度計構成的單線多點溫度測量系統(tǒng)，1996(2)

[8]祖靜，新概念動態(tài)測試.動態(tài)測試技術專題，2006

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

[10]TeaxslnstrumentIncMSP430x15x,MSP430x16x,MSP430x161xmixedsignalmicrocontroller

2007

[11]張文棟，存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用，2004

[12]沈建華、楊艷琴、翟驍曙，MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用，2008

[13]魏小龍，MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例，2002

[14]Teaxs

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MSP430F16X/161Xdeviceerrata

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2007

[15]胡大可，MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)，2003

[16]魏小龍，MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例，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：

如何設計一個溫度采集及顯示系統(tǒng)。1.設計MSP430單片機的最小工作系統(tǒng)及其外圍模塊電路；2.學習DS18B20溫度傳感器的單總線協(xié)議；

3.調試各個功能模塊的程序，使該系統(tǒng)能夠測量并顯示溫度值；4.檢測系統(tǒng)的功耗。

二．本課題擬采用的研究手段：

擬設計的研究方案框圖如圖3所示。

DS1B20傳感器

Msp430單片機

時鐘

復位系統(tǒng)

電源系統(tǒng)

LED顯示及報警

圖3

方案的總體設計框圖

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，該信號進入MSP430中，此過程需要系統(tǒng)內的定時器按照一定的頻率控制不斷循環(huán)運行，從而達到實時采集的目的，采集后的溫度值存儲于FLASH中。最后，經(jīng)LCD液晶顯示屏把溫度顯示出來，并在必要的時候報警。

三．相關軟件環(huán)境和開發(fā)平臺

軟件平臺：電路原理圖、PCB板圖制作軟件PROTEL

99SE；MSP430相關的軟件編程環(huán)境

IAR

硬件平臺：萬用表、示波器、計算機等

畢

業(yè)

論

文

開

題

報

告

指導教師意見：

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

本設計擬采用MSP430芯片完成對溫度的測量，同時涉及單片機最小系統(tǒng)及低功耗的設計。開題報告書寫條理清晰、思路明朗、結構緊湊、有著重點。

該方案合理可行，同意開題。

指導教師：

****年**月**日

所在系審查意見：

系主任：

****年**月**日