1、基于 MSP430 单片机多通道温度测试系统的设计摘要多路温度检测系统以 MSP430 单片机系统为核心，能对多点的温度进行实时控制巡检。各检测单元（从机）能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集，测量结果不仅能在本地储存，显示，而且可以利用单片机串行口，通过总线及通信协议将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析存档，处理和研究。主控机负责控制指令发送，控制从机进行温度采集，收集测温数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理，显示和打印。主控机与从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一，和谐的控制效果。关键词：多路温度检测系统，MSP430 单片机Desig
2、n of Multi-channel TemperatureMeasuring Device Based on MSP430AbstractThe Multi-channel Temperature examination system used with a MSP430 microcontroller systems as a host, controls the temperature measurement of several points with some examination units circularly. Each examination unit(the slave)
3、 performs respective function independently. It can collect the temperature in a time according to the instruction of major controlling machine. The measurement result can be stored and demonstrated in local place. Moreover, it can use the mouth of the microcomputer to transfer the data gathered to
4、the major controlling machine through the main line and the correspondence agreement. Then we can have the further analysis and the archive and processing and the research.The major controlling machine is responsible for transmissing the command, controlling the temperature gathering of the other ma
5、chines. It can collect the surveying data. It can also reorganize and demonstration and then print the measurement result(including historical data). The major controlling machine can relate with other machine and coordinate with other machine. Thus it has achieved the harmonious effect of the whole
6、 system.Keywords: Multi-channel Temperature Measuring Device,MSP430中北大学 2010 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页目 录1 绪论 .11.1 选题的背景和意义 .11.2 课题的主要研究内容 .21.3 温度测试 .21.3.1 温度测试技术理论 .21.3.2 温度测试国内外研究现状 .42 系统方案设计 .52.1 温度测试系统的功能 .52.2 温度测试仪的主要性能指标 .52.3 系统工作原理 .52.4 系统方案设计框图 .62.5 温度测试系统的状态设计 .82.6 MCU 的选择 .102.7 采样策
7、略的设计 .122.8 系统低功耗的设计 .122.9 数据存储的设计 .143 系统硬件设计 .163.1 传感器的选择 .163.2 模拟适配电路 .173.3 单片机硬件设计 .183.4 电源管理模块 .203.5 外部高频晶振 .204 系统软件设计 .224.1 MSP430 存储空间结构 .224.2 程序结构设计 .234.3 主单片机的软件结构 .234.3.1 全局复位中断 .234.3.2 上电中断 .24中北大学 2010 届毕业设计说明书第 II 页 共 II 页4.3.3 定时器 TB 和 SPI0 接收中断 .254.3.4 读数中断 .284.4 从单片机的软件
8、结构 .295 总结 .31参考文献 .32致谢 .34中北大学 2010 届毕业设计说明书第 1 页 共 34 页1 绪论1.1 选题的背景和意义空难事故发生后，飞机往往解体，甚至被烈火烧毁。人们到现场救援的时候，总是会寻找一个东西，它的名字大家已经耳熟能详了，对了，这就是被誉为空难“见证人”的黑匣子。它可以给调查人员提供证据，帮助他们了解事故的真相。 实际上，黑匣子是飞机上的记录仪器，是一种飞行数据记录仪。它能将飞机的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林尼治时间，还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来。另一种是座舱话音记录仪。它实际上就是一
9、个无线电通话记录器，可以记录飞机上的各种通话。这一仪器上的 4 条音轨分别记录飞行员与地面指挥机构的通话，正、副驾驶员之间的对话，机长、空中小姐对乘客的讲话威胁、爆炸、发动机声音异常，以及驾驶舱内各种声音。黑匣子能够向调查者提供飞机出事故前各系统的运转情况。因为空难发生在短暂的瞬间，有时飞行员和全部乘务员同时遇难，调查事故的原因会有很大困难，而飞行数据记录仪可以向人们提供飞机失事瞬间和失事前一段时间里，飞机的飞行状况、机上设备的工作情况等。而座舱语言记录仪能帮助人们根据机上人员的各种对话分析事故原因，以便对事故作出正确的结论。为了承受飞机坠毁时的猛烈撞击和高温烈焰，黑匣子的外壳具有很厚的钢板和
10、许多层绝热防冲击保护材料。而且为了尽可能的安全，黑匣子通常安装在飞机尾部最安全的部位，也就是失事时最不易损坏的部位，在飞机坠毁时，黑匣子在1100的火焰中能经受 30 分钟的烧烤，能承受 2 吨重的物体挤压 5 分钟，能够在汽油、机油、油精、电池、酸液、海水中浸泡几个月，总之，它能在许多恶劣的条件安然无恙。就算这样的保护，仍然在有些空难中黑匣子遭到了损坏，所以国际航空机构又规定了更加严格的标准，而且记录介质也从磁带式改进成为能承受更大冲击的静态存储记录仪，类似于计算机里的存储芯片。 其实，黑匣子并不是黑色的，为了便于人们搜寻，它被涂上了鲜艳的火红色，也许是人们觉得它里面存储的东西对飞机事故的鉴
11、定意义重大吧，实在是太神秘了，所以使用了这样一个同样神秘的名字“黑匣子” 。中北大学 2010 届毕业设计说明书第 2 页 共 34 页1.2 课题的主要研究内容本课题研究的是基于 MSP430 单片机的多通道温度测试系统，该测试系统主要用于飞行体飞行状态下，测量并记录飞行体上各个测试点的温度变化情况，通过 SPI 实时显示所记录的存储数据。其中，涉及到了一种总线技术开发应用，单片机技术开发应用，智能传感器应用等。并且以理论分析和该技术方案为基础，在不断地实验和方案调整中，完成了一个温度监测系统的设计。1.3 温度测试1.3.1 温度测试技术理论温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的
12、表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。这一宏观特性用温度表示即一切互为热平衡的系统具有相同的温度。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。由于不同物质的不同物理特性与温度有着不同的关系，因此即使用同一物质的不同特性，或不同物质的同一种特性对同一个温度进行测量，也会得出不同的量值，这就需要建立统一的标准温度单位，即温标。按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类
13、。(1)接触式测温接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这是感温元件的某一物理参效的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。(2)非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热中北大学 2010 届毕业设计说明书第 3 页 共 34 页惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。此外，非接
14、触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度 t 和 t0 不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果 NANB 电子密度大的导体 A 中的电子就向电子密度小的导体 B 扩散，从而由于导体 A 失去了电子而具有正电位。相反导体 B 由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时 A、B 之
15、间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。如图 1.1，当温度 tt0 时，回路中就有电压或电流产生，其大小可由图（b）和图（c）所示的电路测出。实验表明，测得的电压值随温度 t 的升高而升高。由于回路中的电压或电流与两接点的温度 t 和 t0 有关，所以在测温仪表术语中就称它们为热电势或热电流。图 1.1 热电回路及热电势的检测中北大学 2010 届毕业设计说明书第 4 页 共 34 页1.3.2 温度测试国内外研究现状温度是一个基本物理量，它在许多学科领域具有重要作用。作为测试技术的一个重要组成部分，温度测量技术已经发展成了一门学科。它积累了从 16 世纪以来 400 多年的发展成果
16、，又吸收了近几年来的许多先进科学技术，无论是关于测量原理，还是传感器的设计、测量线路和二次仪表灯方面，都已经发展到了较高的水平。温度测量仪器种类之多，应用技术范围之广，都是其他参数测量技术所不及的。目前已经研制或生产的一些先进的测温仪器，可以获得极高的精确度；具有较宽的量程，已经能进行从接近绝对零度到高达数千度的温度测量；具有较高的灵敏度，能够测出很微小的温度变化；具有较高的响应特性，能测量快速变化的温度；具有先进的数据处理设备及集仪表与电子计算机技术为一体的智能化测温仪表。许多新技术的出现，被迅速用于温度测量工作。红外、激光、光导纤维、遥感及电子计算机技术，已经或者正在测温领域获得应用。因此
17、，温度测量也是一门正在迅速发展的学科。目前正向更高的精确度、超低温、快速响应及智能化方向发展。我国的测温技术发展史，缺少详细的文字记载。但是，从一些与测温技术水平密切的其他生产劳动，如冶炼技术，瓷器烧制等可以看出，在中国古代就已经有了较丰富的测温和控制温度的手段。目前我国已经具有研制和生产各种测温仪表的能力，除了已满足工农业生产发展的要求外，在许多方面，如标准仪器、计量技术、高温测量、超低温测量及动态温度测量方面，已经达到或接近世界先进水平。中北大学 2010 届毕业设计说明书第 5 页 共 34 页2 系统方案设计2.1 温度测试系统的功能该测试系统主要用于飞行体飞行状态下，测量并记录飞行体
18、上各个测试点的温度变化情况，为了提高数据采集可靠性及实时性，本系统具有实时记录存储数据和无线发送数据的功能，通过地面数据接收系统可实时接收飞行体测试仪发送的数据，同时在特殊情况下（发射过程、撞击目标过程或其它干扰严重情况）无线数据传输不可靠的情况下，测试仪可把测试数据存储于内置的大容量高可靠性非易失存储器内，事后读出采集的数据。测试系统的特点：A 体积小、重量轻：对飞行体质量和质心的分布影响小。B 抗高冲击、可靠性高：经过严格生产工艺筛选，高低温冲击及空气炮考核实验，确保在发射或碰撞等恶劣环境下仪器仍能够可靠工作。C 功耗低：适应飞行体测试环境。D 采集数据无线传输到地面设备，并存储在内部存储
19、器，以防出现故障的情况下，仍然能够可靠取得数据。2.2 温度测试仪的主要性能指标飞行体温度测试系统主要分飞行体上的采集系统，无线传输模块和地面接收模块。飞行体上的采样频率是 1kHz/通道。通道数: 4 路采样存储频率: 1kHz /通道（无线发送频率：100Hz/通道）分辨率: 12bit存储容量： 2Gbyte计算机读数接口：USB中北大学 2010 届毕业设计说明书第 6 页 共 34 页供电：可充电聚合物锂电池仪器使用温度： -20 602.3 系统工作原理此多通道温度测试系统由传感器模块，模拟电路放大模块，单片机控制模块，电源管理模块，以及存储器模块组成。多通道温度测试系统选用均匀采
20、样策略，均匀采样策略是最简单也是应用最广的一种采样策略，它对被测信号等时间间隔取样，在测试过程中采样频率为一常数。均匀采样频率确定的基础是采样定理，它至少要高于被测信号上限频率 fa的两倍, 同时，还要考虑测量时间 T 及存储容量 M 等因素，应满足(2.1)2fTas/此系统在单片机程序的控制下，主从单片机同时上电后，主单片机以 1KHz的采样频率从单片机发 A/D 转化信号，使 4 个 A/D 同时转换。同时主单片通过控制从单片机 SPI 的 STE 信号依次选中从单片机的 SPI 以顺序接收 4 个通道转化的数据。与此同时，主单片机还要通过另外一 SPI 口以 100Hz 发送接收到 4 个通道的数据。图 2.1 系统结构分析2.4 系统方案设计框图该飞行体温度测试系统主要用于飞行体飞行状态下，测量并记录飞行体上各个测试点的温度变化情况，通过无线模块实时发送数据，通过地面数据接收系统实时接收，同时在特殊情况下（发射过程、撞击目标过程或其它干扰严重情况）无线数据传输不可靠的情况下，测试仪可把测试数据存储于内置的大容量高可靠性非易失存储器内，事后读出采集的数据。 （自己做的工作不包含无线发送和接收温度传感器 模拟适配电路 从单片机电源管理 主单片机 存储器
