基于MSP430F149的水温低动控制系统的设计
摘要
本设计基于计算机控制技术、传感器技术、智能控制技术、单片机技术、机电一体化论文分析了自动定量水温控制器的硬件电路、主控系统、信息感知单元、驱动单元等模块的理论设计与调试过程，并结合实际调试过程的分析，详细阐述了基于德州仪器公司生产的MSP430F149单片机的自动定量水温控制器参数的规划与实现。本设计在特色部分论文分析了以MSP430F149芯片为主，基于概率分析检测单元的设计与实现，串行扫描方式实现的人机接口，数据传输，水位控制和温度控制等内容。
本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新点等对相关领域的设计与实现有一定的参考意义。
关键字：传感器，智能控制，单片机，机电一体化
Abstract
The design of computer-based control technology，Sensor technology，I ntelligent Control Technology，SCM technologyand Mechatronics Thesis of automatic quantitative analysis of the hardware circuit temperatur e controller,Control systems, information-aware unit, drive unit, suc h as the theory of modular design and debugging process, and in light of the actual debugging process analysis, detailed quantitative auto matic temperature controller parameters of the planning and implement ation. Part of the design characteristics of this thesis in an analys is of MSP430F149 made by the Texas Instruments chip to the main detec tion unit based on the probability analysis of the design and realiza tion of the realization of the serial scanning of man-machine interfa ce, data transmission, the water level control and temperature contro l and so on.
The theory of theoretic design , testing measures, testing data anal ysis methods and design features and innovation are meaningful to th e related fields such as design and implementation of a certain ref erence value.
Keywords:sensor,intelligent control technology,MCU, SCM technologyand Mechatronics Thesis of automatic
目录
前言——————————————————————————————第一章概述——————————————————————————
1水温自动控制系统设计的时代背景———————————————
第二章总体设计方案——————————————————————2.1设计要求及主要任务—————————————————————2.2总体设计方案————————————————————————第三章硬件设计————————————————————————3.1传感器的选择————————————————————————3.1.1温度传感器的选择—————————————————————3.1.2压力传感器的选择—————————————————————3.2单片机的选择————————————————————————3.2.1功能特性说明———————————————————————3.2.2引脚功能说明———————————————————————3.3A/D转换电路—————————————————————————3.4基准电压的设计———————————————————————第四章软件设计—————————————————————————第五章结论———————————————————————————附录一电路图——————————————————————————附录二程序代码—————————————————————————
前言
第一章绪论
1.1课题的目的和意义
众所周知，在我们日常生活中不可缺少电器之一是的电热水器，尤其是炎炎夏日，劳作了一天的人们总要冲个热水澡。而普通的电热水器的原理基本上都是靠电能把热水器储水箱中的水加热到某一温度后，让热水与冷水混合，靠人工调节流量阀中热水和冷水的混合比例来达到使用者自己觉得较为合适的温度。而在科技日益发达的今天，家用电器的智能化已经成为各大制造商提高自身竞争力的重要手段。
自1983年Honeywell推出智能仪表—Smart变送器之后，世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表，智能变送器便是其中之一。由于各个厂家的智能仪表都按照自己的通讯标准进行设计生产，不同厂家的设备之间兼容通用仍然存在问题。但现在随着信息技术的快速发展和广泛的应用，智能仪表仍在不断进步，并向着全数字化的方向发展。智能仪表的全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，而要求系统中的每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或其他设备可以方便地向现场发送指令，同时也能实时地得到现场设备各方面的情况。这种实时通讯大大提高了系统的可靠性和灵活性。但是目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段，另一方面传统的基于4～20mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此，马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，需要设计一种具有这两种功能的过渡性产品。
所以此次设计的水温自动控制系统就是属于这类过渡式的控制仪器，主要实现水温自动控制的数字化设计，它在工业环境控制领域应该有一定的应用空间。从这个角度上讲,本设计的构想具有一定的推广前景.
本文所考虑的设计任务就是在这种背景下产生的。通过使用超低功率的德州仪器公司生产的MSP430F149单片机为控制核心，辅以辅助电路，实现水温智能控制、显示功能。如果加以更深入的研发设计，最终可以实现通过无线遥控，自动调节水温的功能。
1.2 国内外现状与发展
目前国内外对水温自动控制系统的设计单位中比较突出的是西门子公司采用DS18B20的数字式检测及控制，然后通过无限传输系统将数据进行传输。以单片机为核心组成水温自动控制系统。现在就从这几方面天一谈国内外的发展状况。
1.2.1温度传感器
温度传感器有四种主要类型：热电偶式、热敏电阻式、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感去又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。
非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、
轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数：式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。
温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
1.2.2 液位检测传感器
按照常理，液体的液位高度检测多是采用开关控制或者专门的液位高度传感器，但是其价格一般都很昂贵。
1.3 主要内容
随着自动化水平的不断发展，温度和液位检测的产品也成出不穷。本文介绍的是基于单片机的水温自动控制系统的设计，利用温度传感器的检测，将检测的数据分析处理，实现温度的实时显示，直观的展现当前的水温，并能使混合后的水的温度可以自由控制。
设计要求：
1、水温误差：±0.5℃
2、
3、
4、
第二章总体设计方案
一、方案设计
2.1 方案的选择和论证
根据设计任务的要求，该系统主要由主控单元、温度检测单元、高度检测单元、电机驱动单元、显示单元、A/D转换单元、按键控制单元七大部分组成。控制单元由单片机组成。
2.1.1 单片机的选择和论证
这里单片机的选择主要依据以下几方面：
1、具有性能良好的开发工具。由于大部分单片机自身无开发和编程能力，必须借助开发工具来开发，因此具有某一种机型的开发工具是选择机型的重要条件。
2、单片机的体系结构为许多开发人员熟悉，以利于缩短研制周期。
3、市场货源成分，有非常多的厂家提供，有同类产品可供替换。
考虑到本设置中需要较多的IO口，而普通51系列单片机IO口较少，且功耗比较大，本次设计任务以德州仪器公司生产的MSP430F149单片机为核心，
主控芯片MSP430F149单片机具有以下主要特性：
1.8V～3.6V超宽供电电压
5种低功耗模式，从standby模式唤醒时间小于6μs
0.1uA RAM 保持
0.8uA 实时时钟模式
2K RAM，60KB+256B Flash Memory（支持IAP）
片内硬件乘法器支持四种乘法运算
两个具有PWM输出单元的16-Bit定时器（TimerA3，TimerB7）
两个UART接口，两个SPI接口（与UART复用）
一个8通道12-Bit模数转换器(ADC)，具有片内参考电压源
一个模拟比较器，看门狗电路等
2.1.2温度检测单元
方案一：
方案二：
2.1.3 液位传感器的选择
方案一：
方案二：使用高精度称重压力传感器。
2.1.4电机驱动单元
方案一：
方案二：
2.1.5 显示单元
发光二极管显示器LED是指发光二极管和发光二极管构成的LED数码管、LED 点阵显示器等。与LCD相比，LED成本低、操作简单、抗干扰能力强等特点，在工业仪表中有广泛的应用。LED显示器显示接口按驱动方式分成静态显示和动态显示两种显示方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成。按CPU 向显示器接口传送数据的方式则可分成并行传送接口和串行传送接口两种显示数据传送方式。
静态显示时，除变更显示数据期间外，各显示器均处于通电显示状态，每个显示器通电占空比约为100%。静态显示的优点是显示稳定，亮度高，系统在运行过称中仅仅在需要更新显示内容时CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了效率；缺点是占用的硬件电路（如I/O口、驱动器等）
多，功耗也相对较大。
动态显示时，N个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省硬件电路（如I/O口、驱动器等），功耗较小；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，与软件扫描相比，采用硬件扫描时将增加硬件成本。除此之外，动态显示位数较多时，显示器亮度将受到影响。
液晶显示器LCD由于体积小、重量轻、功耗低等优点使得液晶显示器件在仪表中得到了广泛的应用，与数码管相比，液晶可以更加方便的显示汉字、图形、甚至动画。
液晶显示器件从显示内容来分类，可以分为字符型和点阵型两种。其中字符型的显示方法与数码管相似。比较而言点阵型LCD相对复杂，需要特殊的显示控制芯片。
常用的液晶显示控制芯片是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器，一般内藏64×64=4096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮、暗状态；它们可直接与8位微处理器相连，对液晶屏行、列进行驱动。
为了方便使用者观察和研究，本次设计采用液晶显示器。
2.1.6 AD转换单元
2.1.7 键盘
键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。一个安全可靠的控制系统通常具有方便的交互功能，操作人员可以通过外设键盘灵活地输人各种参数以调节系统的运行，掌握系统的工作状态。在一些复杂的应用系统中，为准确判断系统的运行状态和故障定位，设计人员往往会在程序中加入一些用于系统定位的代码。一种简便的做法便是额外设置几个按键，通过按键的组合以及显示状态的不同来判定系统的工作状况，以便及时了解系统内部运行状态，一旦出现故障，可以在最短的时间内找出故障原因，及时恢复。所以可以这样认为:键盘是单片机系统中实现人机对话的纽带和桥梁。
键盘的种类:
1.独立式键盘
独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但是每个按键必须占用一根
I/O口线，在按键较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键电路。
2.行列式键盘
行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如用2*2的行列结构可构成4个键的键盘，4*4的行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。
3.8279键盘、显示接口芯片
上面是采用软件方法实现对键盘和显示器的扫描，不但程序比较复杂，而且实时性差。若要简化键盘编码所需要的软件和减少占用CPU的时间，可以选用键盘编码用的LSI接口电路来构成编码式键盘。电路矩阵发现有键按下后，提供相应的消除抖动和串键措施，以正确识别按下键，同时提供一个内部ROM查阅表，用以产生与按下的键相应的代码。
本设计采用4*4行列式键盘。
2.2 总体设计方案
为了实现上述设计构思，这里我考虑了两种设计方案。
方案一：先通过温度传感器将温度的物理信息转变为电形式的模拟信号。然后通过10位的A/D转换芯片将两个模拟信号转换成数字信号同时，处理后的数据再通过并行口将处理后的送到10位的D/A转换芯片，并实现实时显示。
方案二：首先是通过传感器进行信号采集，其中温度采集采用数字传感器，在传感器内部直接将温度数据转为数字量，可以直接连接单片机进行数据传送；湿度传感器采集到湿度信号后，利用由单片机构成的A/D转换器将模拟信号变为数字量直接存储在单片机的存储器中。通过软件设计，在单片机中用计算程序提高温度值分辨率、对湿度进行温度补偿等数据处理。最后将处理后的数据，D/A转换器将处理过的数字信号还原到模拟信号后，再经过放大、保持、V/I转换等模拟电路实现4～20mA以及1～5V的信号输出。
经过仔细比较之后，我采取了第二种方案，因为考虑到实际使用时设备需要长时间连续通电而且可能需要多个I/O接口，我采用的是德州仪器公司的超低功耗的MSP430F149单片机。变送器的总体设计结构图如图1所示，
初始化I/O 口初始化液晶初始化5532 初始化18B20 输出PWM波
控制电机
开始
检测温度和高度
与C杯温度
相同
显示C杯温度
结束与C杯高度相同
显示C杯高度
自动定量水温控制器流程图
第三章硬件设计
3.1温度传感器的选择
传感器：能够把非电量转换为电量的器件称为传感器，传感器实质上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。随着技术的不断进步，传感器也有了飞速的发展，体积变得越来越小，精度越来越高，功能也越来越强大。
3.1.1温度传感器DS18B20的简介
图1.2 温度传感器DS18B20
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发
的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:
DQ为数字信号输入/输出端；
GND为电源地；
VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
注意ds18b20的中间的接线端口为数据输入端
以单总线温度传感器DS18B20为核心，以MSP430F149芯片控制器制作的结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器，它的体积更小、适用电压更宽、功耗极低、更经济，它的测量温度范围为－55～＋125℃，在－10～＋85℃范围内，精度为±0.5℃，DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。见图1.2.
图1.3 温度检测单元
A杯热水，B杯冷水，C杯混合水
每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl820内部的ROM(只读存贮器)中。开始8位是产品类型编码(DSl820编码均为10H)，接着的48位是每个器件唯一的序号，最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。DSl820中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负 (℃)，则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB(最低位)的“1”表示0.5℃。将存贮器中的二进制数求补，再转换成十进制数，并除以2就得到被测温度值(-55℃～125℃)。测温范围符合本次设计的要求。DSl820的引脚如图1.2所示。
每只DS1820都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长。采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。所以我采用第二种方式与单片机进行接线，如图1.4所示。单片机对温度的读取将通过软件来实现。
、
图1.4 DS18B20与单片机的连接方式示意图
在正常情况下，DS1820的测温分辨率为0.5℃，这样的分辨率对于温度测量精度略显不足。在对DS1820测温原理进行仔细分析的基础上，可以采取读取DS1820内部暂存寄存器，再进行数据处理的方法，这样可以将DS1820的测温分辨率由0.5℃提高到0.1℃甚至更高。
DS1820的存储器如表4所示，它由9个字节组成。头两个字节包含测得的温度信息，高字节为所测温度符号位，若是正温度则该字节为全0，若是负温度则该字节为全1，低字节为所测温度数值的补码。它们可由主机通过发存贮器命
令而读出，这是通常读取DS1820温度数据的方法，其分辨率为0.5℃。
表4：DS1820存储器地址表
第三、四字节包含温度上下限报警值，第五、六字节保留未用，最后一字节包含CRC校验代码。第七字节为计数器对给定温度的计数剩余值。第八字节为给定温度处每一个摄氏度的计数个数，即温度每升高一度，计数器必须经历的计数个数，不同温度处计数个数不同，它由，斜率累加器产生。我们可以利用第七、八字节通过以下步骤实现温度高分辨率数据的获取:
(1)首先通过存储器读命令读取DS1820存储器9个字节数据。
(2)第一、二字节数据截去0.5℃位，即最后一位，得到的是温度值的整数部分，将这个值记为Temp。
(3)将第七、八字节数据分别记为Count_remain、Count_per_c。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度T可用下式计算得到
c Count_per_in
Count_rema
-c
Count_per_
0.25)
-
T emp
(
T+
= (20) 因变送器设计温度范围为0～70℃，在进行汇编语言编程时，故在计算时采用无符号数，数据用双字节保存，高字节作为整数，低字节作为小数。最后的算出的温度数据还要转换为10位数据，送到D/A转换器进行处理，其中高7位为整数，低3位为小数。而双字节结果则通过串行通信方式发送到上位机。
整个获取温度数据的程序流程图如图20所示。
图20：获取温度程序流程图
3.1.2高度检测单元
压力传感器原理：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境；本设计使用CS5532A/D转换芯片，将压力传感器采集的压力信号转换为数字信号，通过液晶实时显示水位高度。通过测量杯中水的重量,从而由水的体积公式间接推导出液面高度(该过程通过软件部分实现，推到过程见后文的算法部分).
WTP803 悬臂梁式称重(测力)传感器
产品特点及结构：采用合金钢材质，焊接密封。主要适用电子台秤、汽车衡量等
接线方法输入(电源) + ：红色；输入(电源) - ：黑色；输出(信号) + ：绿色；输出(信号) - ：白色
1.3高度检测单元
3.1.3 电机驱动单元
电机的选择，驱动电路的选择
水箱采用双电机分离驱动方式。直流电动机体积小，效率高，出力大，起动转矩大，过载能力强，动态特性好，控制方便。电机型号选择时在体积，功率和转速基本条件满足的前提下主要还考虑伺服性能；综上几点要求我们选用了L 171 955 651型微型直流电机。
水箱加水过程中要求被控电机能够调速控制，一种能在高频工作的低功率
ＣＭＯＳ驱动电路包括一ＣＭＯＳ输出驱动电路和用于驱动ＣＭＯＳ输出驱动电路的一对ＣＭＯＳ预驱动电路。
基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计，以N沟道增强型场效应管为核心，设计了一种直流电机调速驱动控制电路，满足大功率直流电机驱动控制。实验表明该驱动控制电路具有结构简单、驱动能力强、功耗低的特点。
整个电机控制电路由下图所示的闭合环路构成，PWM输出脉冲信号控制电机的运转速度，从而控制流量。
图1.4电机驱动单元
3.1.4液晶显示单元
图1.5液晶模块
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集
3.1.5 A/D转换单元
CS5532 是高集成度的ΔΣ模数转换器，
由于运用了电荷平衡技术，其性能可以达到
24 位。CS5532是双通道的A／D转换器，其封装形式有
20脚双列直插式和20线贴片式，本设计选用20脚双列直插式。
3.1.6按键控制单元
设置几个按键用来优化硬件系统的功能，用来设定系统的开始、运行、水温、水位高度等；同时又设置了一个温度传感器，用来检测管中的水温，传回相关的信息给主控制板，从而使检测系统增加了闭环控制，减少系统的滞后时间常数，可以使整个装置更加易于操作和控制，从而使整个硬件电路变得更加简单，便于检查电路装置。