论文基于MSP430单片机的环境参数监测仪的设计制作.docx

专 业： 应用电子技术
题 目： 基于MSP430单片机的环境
参数监测仪的设计制作

毕业设计（论文）中文摘要

温湿度和光照度等参数是标定环境不可缺少的参数，对其进行准确的测量具有重要意义。本文以室内外居住环境为背景，设计出一种以MSP430F5438A超低功耗单片机为控制核心的环境参数监测仪。
论文对环境参数监测系统硬件和软件模块包括子系统模块进行了详细设计：通过相应的传感器芯片对包括温度、湿度、光强、红外辐射度和可燃气体浓度等环境参数进行检测和采集；通过微处理器MSP430F5438A将传感器芯片采集到的数据进行分析处理，并在液晶终端进行参数的实时显示和监控。
论文分别对温度传感器模块，单总线湿度传感器模块，光照度传感器模块，气敏传感器模块，红外热释电模块以及按键和液晶显示模块进行了单模块分别调试。在此基础上对这些子程序模块进行了整合调试及整机功能和功耗测试，最终完成整个监控系统及仪器的设计制作。
实验显示，本环境参数监测仪具有体积小、携带方便、功耗低、可靠性高、免维护、成本低等优点，在室内外环境参数监测领域，具有很好的应用前景。

关键词：MSP430单片机 环境参数监测 传感器 液晶显示

毕业设计（论文）外文摘要

Title： The Design and Production of Environmental
Parameter Monitor Based on MSP430

Abstract：
Parameters such as temperature, humidity and illuminance are indispensable to the calibration environment, which has important significance for accurate measurement. The aim of this thesis is to design an environmental parameter monitor, which controlled by an ultra-low power MSP430F5438A for indoor and outdoor living environment.
The detailed design of hardware and software module including subsystem module in the environmental parameter monitor is proposed in this thesis. The corresponding sensor chip is used to detect and collect the environmental parameter such as temperature, humidity, illuminance, the infrared radiation intensity and combustible gas concentration. The MSP430F5438A analyzes and processed the data which collected by sensor chips, and realized the real-time display and monitoring for parameters on LCD terminal.
The thesis proceeds debugging on single module likes temperature sensor module, single bus humidity sensor module, illuminance sensor module, gas sensor module, pyroelectric infrared module and buttons and LCD module, respectively. On the basis of that, after debugging and test on the function and power for the integrated subroutine modules, the design and production of the whole monitoring system and instrument is completed.
Test results given show that the environmental parameter monitor has several advantages, such as small volume, portable, low power consumption, high reliability, maintenance-free, low cost and so on. It has a great application prospect in the field of indoor and outdoor environmental parameters monitoring.

Key words: MSP430, Environmental Parameter Monitor, Sensor, LCD Display

目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 论文的主要内容 2
2 数据监测系统的总体设计方案 3
2.1 系统总体框图设计 3
2.2单片机选型 3
2.2.1 MSP430单片机概述 3
2.2.2 MSP430F5438A介绍 4
2.3 传感器的选型 5
3 系统硬件设计 7
3.1 主控芯片模块 7
3.1.1 单片机最小系统模块 7
3.1.2系统电源模块 8
3.2 子系统模块 8
3.2.1光强采集模块 8
3.2.2 温度采集模块 10
3.2.3 湿度采集模块 11
3.2.4 气敏传感器监测模块 12
3.2.5 红外采集模块 13
3.2.6液晶显示和键盘模块 15
3.3 硬件电路板的焊接与制作 17
3.3.1 系统硬件电路原理图 17
3.3.2 系统硬件电路PCB图 18
4 系统软件设计 20
4.1 软件开发环境及编程思想简介 20
4.2系统主程序设计 20
4.3 系统子程序设计 21
4.3.1 按键设置程序 21
4.3.2 数据监测程序 22
4.3.3 主控芯片MSP430F5438A时钟设定程序 23
4.3.4 DHT11单总线数据读取程序 24
4.3.5 片内ADC程序 26
4.3.6模拟I2C通信协议 27
5 监测系统调试分析 32
5.1人机操作界面测试分析 32
5.2 光强模块测试分析 33
5.3 温度模块测试分析 34
5.4 湿度模块测试分析 34
5.5 气敏传感器监测模块测试分析 35
5.6 红外监控模块测试分析 36
5.7整机装配与调试 37
5.7.1整机装配调试 37
5.7.2功耗测试 38
总结 38
致 谢 39
参考文献 40
附录A 系统原理图 41
附录B 系统PCB图 42
附录C 控制程序源代码 43

1 绪论
1.1 课题背景
为了使人类拥有舒适、健康的生活，很多情况下要监测周围的环境参数。如城市的空气质量，温室大棚中的温湿度光照度等参数的控制，沿海城市海水浴场水质，污染物的排放等。通过环境检测，提供代表环境质量现状的数据，判断环境质量是否符合国家制定的环境质量标准，评价当前主要环境问题，环境参数与人们的生活息息相关，对于环境参数的监测十分必要。
对于环境监测的参数中，温湿度和光照度是极其重要的参数。舒适的环境会让人感觉心情舒畅，人体感觉舒服，当室内温度在18 ℃～20 ℃ ,湿度为40%～60%时，人的思维最敏捷，工作效率最高。但当室温超过28℃ ，湿度大于70%时，就会生闷热、出汗、烦燥、疲劳等反应，容易让人的情绪不稳定甚至无法正常工作。室内光照度测量也很必要，国家标准的自然光照度是150lux～300lux ，人眼在看书感到正好时的光照度是200lux，当光线过强或过暗都会对眼睛有所损伤，而且更容易引起视疲劳，影响学习和工作效率。所以要营造一个舒适适合人们生活与居住的环境就必须对温度、湿度、光照度参数进行监测。
环境监测离不开数据采集，数据采集系统是在测量工程中，无需人工记录测量数据能自动进行采集，信号处理，并记录显示，如今无论是生产还是实验室中的测量都是要求精度高，速度快，这些人工测量无法完成，只能用自动测量系统才能完成的。
环境参数的传统测量方法中，测量设备体积较大，实时性差，精度低，还需花费较大的人力，己不再适应现代经济的快速发展要求。随着单片机技术、传感器技术、通信技术、计算机等技术地快速发展，环境监测技术也日新月异。各种实时性好，精度高，且适应各种苛刻环境的测量系统己被开发出来，在社会各个领域得到了广泛应用。在对环境参数的采集方面由于高集成度低功耗低电压的集成芯片的大量问世，使得仪表的功耗越来越低，功能越来越强大。

1.2 论文的主要内容
本文设计并制作了一款基于MSP430单片机的环境参数采集监测仪。该监测仪具有环境温度、湿度、光照度、可燃气体浓度、红外辐射度等参数监测功能。其主要内容包含课题背景、环境数据采集监测系统的总体设计方案、系统硬件设计、系统软件设计、监测系统调试分析等。
首先，论文介绍了课题背景，阐述了环境监测及监测仪器的发展现状及发展趋势，由此提出了基于MSP430单片机的数据采集监测系统的总体设计方案，并针对需要监测的参数进行了器件选型及方案设计。
其次，论文进行了详细的系统硬件设计，并搭建了相关硬件模块电路，包含以下几个部分：单片机主控模块、数据采集模块、监控报警模块、键盘和液晶显示模块。主控模块采用MSP430F5438A作为控制核心，数据采集监控模块部分采用TPM275数字输出温度传感器检测环境温度，DHT11单总线湿度传感器检测环境湿度，BH1750FVI光照度传感器检测环境光照强度，MQ-2气敏传感器监测相关气体相对强度以及KP-500B红外热释电传感器监测红外辐射相对强度。整机系统通过按键和液晶显示模块实现人机交互及监测结果的显示输出。
再次，论文对系统软件设计进行了主要说明，包括系统主程序以及相应的测温、测湿、测光照度等测量子程序，以及外围键盘与LCD显示接口模块程序等。
最后，进行了系统整机调试分析，在软硬件连接的基础上分别对温度传感器TPM275模块，单总线湿度传感器DHT11模块，光照度传感器BH1750FV模块，气敏传感器MQ-2模块，红外热释电KP-500B模块以及按键和液晶显示模块进行了单模块分别调试。在此基础上对这些子程序模块进行了整合调试及整机功耗测试，辅以外壳安装，最终完成整个监控系统及仪器的设计制作。
2 数据监测系统的总体设计方案
2.1 系统总体框图设计
基于16位单片机MSP430 5438A的环境监测系统、光照度传感器等进行数据采集，以及液晶显示模块与用户进行交流，通过软件编程协调各部分工作，实现体积小、低功耗环境监测仪器的设计。系统总体框图如图2-2所示：

MSP430F5438A
单片机
湿度检测
光强检测
红外检测
温度检测
液晶显示
可燃气体检测
键盘
电源

图2-2系统设计总体框图
MSP430单片机还有一个特点就是支持C语言编程，由于采用C语言开发可以大大的提高开发效率，缩短开发周期，并且采用C语言开发程序具有非常好的可读性和移植性，因此本设计的软件采用高效的MSP430系列的C语言编写，软件部分采用IAR公司提供的开发环境：IAR Embedded Workbench及调试器C-SPY。利用该软件可直接将程序通过单片机本身带有的JTAG接口下载到单片机的FLASH存储器中，再由该软件通过JTAG接口读取单片机内信息，实时监测单片机上运行的程序，实现在线仿真。
为了方便程序调度和提高可靠性，软件采用结构化、模块化设计方法，每个模块完成一个特定功能，在电路设计调试会对每一模块电路进行程序编写调试，之后完成整个系统程序的整合编写。整个系统主要由初始化程序、主程序、子程序等组成，通过软件编程实现系统的数据处理和显示。
2.2单片机选型
2.2.1 MSP430单片机概述
MSP430单片机是TI公司推出的一款16位超低功耗的混合信号处理器。该系列单片机自1996年问世以来，以其卓越的性能成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。它有以下特点：（1）具备强大的处理能力，可编制出高效率的源程序。采用精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。（2）具备高效的运算速度和灵活的运算方法。MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期;16位的数据宽度以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法;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用6us。系统可以稳定可靠的工作。系统稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，使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的控制位来确定最后的系统时钟频率;如果晶体振荡器在用做CPU时钟时发生故障，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。（4）丰富的片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。它们分别是看门狗、模拟比较器A、定时器A 、定时器B ,串口0、1 (USART0, 1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC, I2C总线、直接数据存取(DMA)、端口0 (P0)、端口1(P1)、基本定时器(Basic Timer)等一些外围模块的不同组合。(4)具备卓越的超低功耗特性。MSP430单片机在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，其电源电压采用的是1.8V到3.6V电压，在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流在1到400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA;其次是独特的时钟系统设计，在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统（有的使用一个晶体振荡器，有的使用两个晶体振荡器）和锁频环时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
2.2.2 MSP430F5438A介绍
本设计采用的MSP430F5438A单片机
MSP430F5438A主要参数：
1． 256K Flash，16K RAM;
2． P1，P2 16个中断IO口；
3． 16位CRC 校验；
4． 16通道AD采用，200ksps，12路外部采样，同时内置一个温度传感器，可以采集芯片温度；
5． 支持32位硬件乘法器；
6． RTC实时时钟；
7． 4个USCI，UCAx支持串口，IrDA/SPI，UCBx支持SPI/IIC；
8． 15个捕捉/比较定时器；
9． JTAG/SBW（4线/2线仿真下载）；
10． UCS统一时钟管理；
11． 系统看门狗Watchdogs；
12． 支持多种低功耗模式LPM；
13． 支持欠压或低压自动复位；
2.3 传感器的选型
光强传感器选用的是BH1750FVI，这是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。该传感器支持I2C通信，最小误差变动在±20%，受红外线影响很小。
温度传感器选用的是TMP275，是一个精度为0.5℃，两线制，串行输出温度传感器，采用SO-8的封装，检测温度-20℃至+100℃，能满足正常情况下的温度检测。
湿度传感器选用的是DHT11， 可以对TMP275检测到的温度进行修正。
可燃气体传感器使用的是MQ-2，可燃气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在可燃可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。从而检测对应的可燃气体。
红外传感器使用的是BISS0001，这是是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炙灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。优点是，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽，内置参考电压，工作电压范围2V～6V。
3 系统硬件设计
3.1 主控芯片模块
3.1.1 单片机最小系统模块
本系统采用的主控芯片为MSP430F5438A单片机，有100个引脚，其芯片引脚如图3-1所示：

图3-1 MSP430F5438A芯片引脚电路
系统主时钟晶振如图3-2所示采用的是32768Hz的晶振，XIN接到单片机P7.0口，XOUT接到单片机P7.1口。

图3-2 MSP430F5438A晶振电路
系统复位电路如图3-3所示，单片机复位引脚P9.7上拉510K电阻接VCC，通过电容接地，电容两端并联一个独立按键，用以完成单片机的系统复位。

图3-3 MSP430F5438A复位电路
3.1.2系统电源模块
整个数据采集系统板的主控芯片模块和数据采集子模块（包括相关传感器）均采用3.3V系统电源供电。系统电源电路如图3-4所示，通过电容滤波、去耦后由TPS5430完成由12V到3.3V的转换。

图3-4 MSP430F5438A电源电路
3.2 子系统模块
3.2.1光强采集模块
1、BH1750FVI传感器介绍
光强采集模块选取的是BH1750FVI。是一种16位数字输出型环境光强度传感器集成电路，用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化（1lx～65535lx）。引脚说明如图3-5和表3-1所示：

图3-5 BH1750引脚图
表3-1 BH1750引脚功能表
管脚编号
端口名称
功能
1
VCC
电源端口
2
ADDR
I2C地址控制端，如果ADDR=“H”(ADDR≥0.7Vcc)，那么High Byte=“1011100”。如果ADDR=“L” (ADDR≤0.3Vcc)，那么Low Byte = "1001_0000"。
3
GND
接地端口
4
SDA
I2C接口SDA端口
5
DVI
SDA,SCL端口参考电压，DVI端口为内部寄存器的异步重置端口
6
SCL
I2C接口SCL端口

2、光强采集模块电路设计
在本设计中采用3.3V供电，ADDR地址段接地，电源和地线之间通过瓷片电容滤波。数据线SDA和时钟线SCL接一个10K的上拉电阻接VCC，DVI内部寄存器的异步重置端口上拉10K电阻接VCC，然后通过电容接地整体电路通过SDA与SCL线与单片机进行数据通讯。SDA线接单片机P9.1口，SCL线接单片机P9.2口。电路如图3-6 所示：

图3-6光强传感器电路
在数据采集的时候主要由I2C的数据线和时钟线来完成和单片机的数据交换。
3.2.2 温度采集模块
1、TMP275传感器介绍
数字输出温度传感器TMP275，是一个精度为0.5℃、两线制、串行输出温度传感器，TMP275是与SMBUS兼容的，并支持在一条总线上使用多达八台器件。额定运行温度范围为－40℃至+125℃。引脚说明如图3-7和表3-2所示：

如图3-7 TMP275引脚图
表3-2 TMP275引脚功能表
管脚编号
端口名称
功能
1
SDA
I2C接口SDA端口
2
SCL
I2C接口SCL端口
3
ALERT
通过高低电平配置寄存器
4
GND
接地端口
5~7
A0~A2
8个地址选择
8
V+
电源端口
2、温度采集模块电路设计
本设计的温度采集模块电路采用数字芯片，与介绍设计的电路基本一致，除数据线SDA和时钟线SCL上拉10K电阻接VCC和在VCC和GND之间加一个旁路电容之外并无其他元器件。SDA线接单片机P9.1口，SCL线接单片机P9.2口电路如图3-8 所示：

图3-8 TMP275电路
在数据采集的时候主要由I2C的数据线和时钟线来完成和单片机的数据交。
3.2.3 湿度采集模块
1、DHT11传感器介绍
数字温湿度传感器DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。DHT11传感器采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，具有体积小、功耗低，信号传输距离长等优点，是各类苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装，连接方便，引脚说明如图3-9所示：

图3-9 DHT11引脚图
表3-3 DHT11引脚说明
管脚编号
端口名称
功能
1
VDD
供电3～5.5V DC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
2、湿度采集模块电路设计
本设计中的DHT11为单总线型的数据传输，仅通过一根数据线（DATA）与单片机相连。接上拉电阻，在VCC和GND之间接入一个旁路电容。电路如图3-9 所示：

图3-9 DHT11电路
3.2.4 气敏传感器监测模块
1、传感器介绍
MQ-2 半导体烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧锡。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度 的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
芯片优点：
1． 在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度
2． 对液化气、丙烷、氢气 的灵敏度较高
3． 长寿命、低成本
4． 简单的驱动电路即可
2、可燃气体采集模块电路
可燃气体采集模块电路主要当它所处环境中有可燃气体时，传感器的电导率随着空气中可燃气体的浓度增大而增大，从而使输出相应的信号。在本设计中，对采样所得的信号增加了一个比较电路,使采样信号与设定电压值比较判断可燃气体浓度是否到达临界值，从而达到警报的效果。其电路如图3-10所示：

图3-10 气敏传感器电路图
本系统气敏传感器电路特点：1、双路信号输出（模拟量输出及TTL数字电平输出）；2、DOUT端正常情况下输出低电平（低于运放同向端输入的设定阈值，可直接接单片机IO口输入判读）；3、模拟量输出(out端)0到3V电（调节滑动变阻器可以改变最大电压，由于单片机内部ADC参考电压最大值为3.3V），浓度越高电压越高；4、对液化气、天然气、CO等有害气体具有较好的检测灵敏度；5、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；6、快速的响应恢复特性。
3.2.5 红外采集模块
1、传感器介绍
红外热释电处理芯片BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。电子爱好者社区b/b Bxd
引脚说明如图3-11和表3-4所示：

图3-11 BIS001引脚图
表3-4 BIS001引脚功能表
管脚编号
端口名称
功能
1
A
可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
控制信号输出端。由VS的上跳前沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平。
3
RR1
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
工作电源负端
8
VRF
参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
触发禁止端。当VC＜VR时禁止触发；当VC＞VR时允许触发。VR≈0.2VDD
10
IB
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
工作电源正端
12
2OUT
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
第一级运算放大器的反相输入端
2、电子爱好者社区/xah,z[8v红外热释电采集模块电路
如图3-12中，R10为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R10的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。CON3是工作方式选择开关，当2与3端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当2与1端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx由外部的R11和C18的大小调整，值为Tx≈24576xR11C18；触发封锁时间Ti由外部的R15和C17的大小调整，值为Ti≈24xR15C17。图中R12可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。R11/R15可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。因此当环境较暗时，KP-500B监测到红外，BISS0001的V0端有高电平输出，并保存10秒钟。通过主控芯片MSP430F5438A的I/O的采样，环境较暗时有无红外会显示在12864液晶显示屏上。

图3-12红外热释电电路
3.2.6液晶显示和键盘模块
1、液晶12864介绍
12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。其引脚功能表如表3-5所示：
图3-5 12864引脚功能表
管脚编号
端口名称
功能
1
VSS
模块的电源地
2
VDD
模块的电源正端。4.5～5.5V
3
V0
LCD驱动电压输入端
4
RS(CS)
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W(SID)
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E(CLK)
并行的使能信号；串行的同步时钟
7
DB0
数据0
8
DB1
数据1
9
DB2
数据2
10
DB3
数据3
11
DB4
数据4
12
DB5
数据5
13
DB6
数据6
14
DB7
数据7
15
PSB
数据8
16
NC
空脚
17
/RET
并/串行接口选择：H-并行；L-串行
18
NC
空脚
19
LED_A
背光源正极（LED+5V）
20
LED_K
背光源负极（LED-OV）
2、液晶模块电路原理图
液晶12864电路图如图3-13所示，D0-D7接到单片机P8口。液晶RS 引脚接到单片机P3.0口，液晶RW引脚接到单片机P3.5口，液晶E引脚接到单片机P3.4口。

图3-13液晶12864电路图
3、键盘模块电路原理图
键盘模块电路图如图3-14所示，矩阵键盘的接口和单片机的P7口相连。

图3-14键盘电路原理图
3.3 硬件电路板的焊接与制作
3.3.1 系统硬件电路原理图
根据我们所需系统模块硬件，画出如图3-15的原理图，其中包含了电源电路、数据采集子系统电路、与核心板通信接口电路等子模块：

图3-15系统原理图
3.3.2 系统硬件电路PCB图
在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，我们的PCB布线为双面布线。为了避免输入端与输出端的边线相邻平行而产生反射干扰和两相邻布线层互相平行产生寄生耦合等干扰而影响线路的稳定性，我们PCB在制版中考虑PCB尺寸大小、完成PCB布线，如图3-16所示经过PCB板元器件焊接，

图3-17数据采集系统电路板
4 系统软件设计
4.1 软件开发环境及编程思想简介
MSP430微处理器开发环境采用IAR公司的集成调试环境Embedded Workbench。集成环境如图所示。此编译软件可通过JTAG调试器((JTAG Debugger)直接将程序代码下载到片内FLASH中，即可脱机运行，也可通过调试器在线调试。整个用户界面友好，操作简单。

图4-1 Embedded Workbench调试环境
嵌入式系统的软件编程思想分为两种:模块化编程和结构化编程。模块化编程就是指将一个大的工程按功能分割成一些小的模块，各模块相对独立、功能单一、结构清晰、接口简单，从而减小了整个工程程序设计的复杂性，缩短了开发周期，并且易于程序的维护和功能扩充。结构化编程中各子程序间使用结构良好的转移或调用，各个模块有机的组合成一个整体。在这个过程中，要注意严格控制使用任意转移语句。
为了节省开发时间，提高程序的可移植性和可维护性，我们在开发过程中采用模块化编程。
4.2系统主程序设计
系统的主程序运行时，首先应该初始化系统的时钟，然后调用系统初始化子函数，初始化系统寄存器，主要包括禁止看门狗、关闭不需要的外设以降低系统的功耗。再初始化中断向量表和与系统功能相关的微处理器的外设，包括I/O端口、液晶、内部ADC、定时器、I2C串口、允许中断等。当所有的初始化完成之后，最后系统便进入到一个while(1)的无限循环之中，进行实时读取温度、光强值、湿度值、可燃气体浓度、当环境较暗时有无红外，同时等待定时中断的到来，在子函数中进行数据的采集、数据存储监控显示等功。系统主程序流程如图4-2所示：
液晶显示预设值
数据采集（A/D转换）
处理转换数据
监控显示
设定完成？
开始
按键预设报警值

图4-2系统主程序流程图
首先系统上电复位，开始运行程序。首先进报警预设值，通矩阵键盘设定报警值，并通过液晶显示，在用户设置完成按下确定按键以后，开始整个系统的数据采集，通过单片机在液晶界面实时显示。
在主程序框架的设计过程中，有一些事项需特别注意:
1、中断子程序中的代码数量不宜过多，过多的代码数量会使得中断子程序运行的时间变长，定时的效果变差。
2、在主程序的设计中，采用了软件开启看门狗的抗干扰措施，防止由于程序抛飞造成程序陷入无用的死循环中。
3、芯片使用时严格按照时序，以及使用的环境温度。
4.3 系统子程序设计
4.3.1 按键设置程序
按键子程序主要用于设定阈值报警系统。所以必须满足下列两个条件：
（1） 开机时进入设置界面预设初值。
（2） 在软件运行过程中，每当用户需要修改阈值时候可以随时修改。
开机时以及按下设定按键时，进入设置子程序，开始修改阈值。按下“+键”或“-键”修改预设值，按下“确定键”来跳到下一个环境参数设定，最后一次按确定以后退出设置子程序。流程图4-3所示：
开始

设置光强阈值

设置温度阈值

设置湿度阈值

结束

图4-3 按键设置流程图
4.3.2 数据监测程序
数据交换是本设计中最关键的一环，是其他程序设计的基础。所有传感器检测到的数据经单片机处理后的数据与矩阵键盘设定阀值比较判断，当处理后的数据超过阀值时，蜂鸣器会报警。数据监测流程图如图4-4所
图4-4数据监测流程图
4.3.3 主控芯片MSP430F5438A时钟设定程序
单片机工作离不开时钟，在我们熟悉的51单片机里面，就是外部那个11.0592M或12M的晶振给单片机的CPU和片上外设提供时钟节拍。MSP430F5438A也是一样，但是MSP430F5438A的时钟系统比51要先进和复杂很多。51的时钟源只有一个来自外部晶振，直接提供给内部工作；而MSP430的时钟是一个专门的模块，至少有3个可选时钟源（MSP430F5438A有5个），这些基本的时钟源不直接提供给CPU和外设使用，而是经过一些数据选择器和分频器，得到3个有用的时钟信号。MSP430的CPU和片上外设可以根据需要，选择这3个时钟信号中合适的时钟。MSP430的低功耗跟它的时钟系统有很大关系。MSP430F5438A中一共有5个时钟源：XT1CLK、VLOCLK、REFOCLK、DCOCLK、XT2CLK。其中XT1CLK是一个低频时钟源，由外部提供，一般是外接32.768kHz的手表晶振，无需外加电容。VLOCLK是一个集成在片上时钟源，低频低功耗，频率典型值是10kHz。REFOCLK也是一个片上时钟源，频率典型值32.768kHz。DCOCLK是一个片上的DCO数控振荡器，可以用片上FLL锁定。XT2CLK是一个高频时钟源，由外部提供，用来给MSP430F5438A的RF模块提供时钟，一般是外接25MHz晶体振荡器。其中，片上时钟VLOCLK、REFOCLK不是很精确稳定，会受到温度和电压的影响。一般对精度和稳定性要求不高的应用可以选择片上时钟。DCOCLK因为有FLL的锁定，所以可以提供非常稳定的时钟。DCOCLK分频之后的时钟DCOCLKDIV一般提供给MCLK和SMCLK。经过时钟系统出来一般有3个时钟信号：ACLK、MCLK、SMCLK。辅助时钟(ACLK)可由软件选择作为各个外围模块的时钟信号，一般用于低速外设。主系统时钟(MCLK)通常用于CPU运行，程序的执行和其他使用到高速时钟的模块。子系统时钟(SMCLK)通常用于高速外围模块。ACLK、MCLK、SMCLK这3个时钟信号由时钟模块产生。时钟源可以是上述的5个之一，也可以是DCOCLK分频之后的信号DCOCLKDIV。FLL用来锁DCOCLK，需要一个参考信号FLLREFCLK，这个信号可以是XT1CLK、REFOCLK、XT2CLK三者之一。关于FLL，它的作用是和DCO一起，实现锁频环倍频电路。MSP430F5438A的UCS模块一共有9个配置寄存器：UCSCTL0～UCSCTL8。通过对它们的设计，我们可以将主控芯片的时钟设为8MHZ。 
4.3.4 DHT11单总线数据读取程序
数字温湿度传感器DHT11是一种单总线的温湿度传感器，接线简单。所以需要，软件部分来补偿。根据DHT11的操作时序来编写相印的程序，通讯过程如图4-5所示：

图4-5 DHT11的操作时序图
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11