基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计.doc

基于MSP430的低功耗便携式测温仪设计
摘 要 :温度是工农业生产、科学研究的重要的测量参数之一。高度集成、低功耗、可编程以及数字化是现代电子检测技术的发展方向，因此，便携式温度测量仪在国内外得到广泛的研究与应用。
本文设计了一种基于MSP430F435单片机的低功耗便携式测温仪,该测温仪采用热电阻传感器PTl00，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F435，实现对温度信号的采集和处理。该仪表能够连续多点测温，具有记忆功能。其结构简单、工作稳定可靠、测量精度高、功耗低、便携性好、功能齐全、适用场合广泛等特点，满足了现代化的工业发展需求。

关键词 : 温度测量仪，MSP430F435,单片机，传感器，低功耗

Design of Low-power Consumption Portable Multifunctional TemperatureMeasurer Based on MSP430
Abstract:The temperature is an one of important measurement parameter in industry and agriculture production,science research and new technology development process．The modern electron detecting technology is developing toward the directionof high level of integration,So,a portable temperature measuring instument has been widely research and application at home and abroad.
Based on this,the thermometer uses the thermal resistance sensor PTl00，16 position high integration and ultra low power consumption monolithic integrated circuit MSP430F435，which achieve temperature signal gathering and processing．The instrument capable of continuous multipoint temperature,with memory,print and other functions.The thermometer conforms the needs of modern industrial development,which has a lot of characteristics ,such as simple structure,stable and reliable work,high measuring accuracy,low power comsumption,good portability fully functions andwidely a plicable occasions ,and so on .

Keywords:temperature measurer,MSP430F435,single chip microcomputer,sensor,low power consumption

目录
1 绪论 1
1.1 温度测量仪概况 1
1.1.1 温度测量仪原理 1
1.1.2 温度测量仪分类 1
1.2 测温仪国内外发展状况 2
1.3 主要内容 4
2 基于MSP430便携式测温仪的总体设计 5
2.1 仪表的设计与开发过程 5
2.2 设计方案 5
2.2.1 提出设计方案 5
2.2.2 确定设计方案 6
2.3 便携式测温仪的总体结构与工作原理 6
2.4 系统连接框图 7
3 低功耗便携式温度测量仪的硬件设计 8
3.1 概述 8
3.2主要元器件选型 8
3.2.1温度传感器选择 8
3.2. 2 LCD显示选择 10
3.2.3 微处理器的选择 13
3.2.4 报警器的选择 15
3.2.5 数据存储模块的选择 16
3.3 硬件电路设计 16
3.3.1 PT100传感器采样电路 16
3.3.2 报警模块电路 17
3.3.3 串口通信电路 18
3.3.4 数据存储模块电路 18
3.3.5 键盘模块电路 19
3.3.6 单片机最小系统电路 19
3.3.7 显示模块电路 20
3.3.8 电源电路 20
3.3.9 硬件电路原理 21
4 低功耗便携式温度测量仪的软件设计 22
4.1 单片机系统软件流程图 22
4.2 温度插值校正及程序 24
4.3 软件调试 24
4.3.1 软件电路故障及解决方法 24
4.3.2 软件调试方法 25
4.4 结论分析 26
5 总结 27
5.1 结论 27
5.2 展望 27
5.3 结束语 27
附录A PT100铂电阻分度表 29
附录B基于MSP430F435便携式测温仪硬件原理图 32
参考文献 33
致谢 35

II

1 绪论
21世纪是以知识经济为特征的信息时代，在国民经济发展中，仪器仪表的作用被越来越看重，著名科学家王大珩、杨家墀、金国藩曾指出“仪器仪表是信息产业的重要部分，是信息工业的源头”[1]。仪器仪表在生产发展、科学研究以及人们的日常生活中有着十分重要的作用。随着微型计算机技术及嵌入式系统的发展，仪器仪表朝着高集成度、低功耗、便携式、可编程以及数字化的方向发展。为了对传统仪器仪表进行更新升级，近些年各研究和使用单位正致力于智能仪表的开发和应用工作。
温度是关于物体冷热程度的度量，是自然界主要的物理量之一，而温度测量是工农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目，温度在工农业生产、现代科学探讨、医学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重要的测量参数，温度测量仪现已广泛应用于农业实验室，工业，环保，卫生防疫，仓储运输，博物馆，温室等领域，因此提出进行基于MSP430单片机的低功耗便携式测温仪设计，具有重要的实际应用价值[2]。
1.1 温度测量仪概况
1.1.1 温度测量仪原理
温度是表征物体冷热程度的参数，它不能像质量，长度那样用直接比较的方法来获得量值，只能通过物质与温度有关的其它物理性质来测量它，例如物体的体积、粘度、电导率等。
温度测量是通过温度传感器来实现的，温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电或者其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。一般的温度测量仪器通常都是由温度传感器和信号处理这两部分组成的，具备检测以及显示两个功能。对于简单的温度测量仪来说，检测和显示这两部分是连在一起的，例如水银温度计；但是在较为复杂的温度测量仪中则分成独立的两个部分，中间用导线联接起来，例如热电阻或热电偶是检测部分，而相应的指示和记录仪表是显示部分。
1.1.2 温度测量仪分类
按照对物体测量的不同方式，温度测量仪可以分为接触式和非接触式两大类型。在测量温度的时候，测温仪检测部分如果直接与被测介质直接接触的则为接触式温度测量仪；如果检测部分没有与被测介质直接接触，则称为非接触温度测量仪。
随着社会的快速发展，使得温度测量的要求也越来越高，目前市场上出现了各种各样的便携式温度测量仪，能满足不同的测温需要。随着电子器件的不断发展，便携式数字温度测量仪已逐渐得到应用，由于它配有各种样式的热电偶和热电阻探头，使用时比较方便灵活；另外，便携式红外辐射温度计的发展也很迅速，装有微处理器的便携式红外辐射温度计具有存贮和计算的功能，能显示一个被测表面的多处温度，或一个点温度多次测量的平均温度、最高温度和最低温度等不同的参数。
此外，还有多种其它类型的温度测量仪，例如用晶体管测温元件和光导纤维测温元件构成的仪表；采用热象扫描方式的热象仪，可直接拍摄和显示被测物体温度场的热象图，可用于检查大型炉体、发动机等的表面温度分布；另外还有利用激光，测量物体温度分布的温度测量仪器等。在工业生产过程中，采用单片机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制。对于提高企业生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。
1.2 测温仪国内外发展状况
仪器仪表的应用领域广泛，覆盖范围包括了工业、农业、科技、环保、国防、文教卫生、交通、人民生活等各个方面，在国民经济建设各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务。现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平和综合国力的重要体现，近年来，随着我国能源、化工、节能环保等领域快速发展，仪器仪表也提出了更高、更新、更多的要求[3]。
电子仪器的发展，从元器件的使用方面来看，它经历了真空管、晶体管和集成电路三个阶段。从工作原理方面来看，电子仪器的发展经历了模拟式、数字式、智能式三代[4]：
第一代是模拟式电子仪器。它们的基本结构是电磁式的，基于电磁测量原理，使用指针来显示最终的测量结果。大量指针式的电流表、电压表、功率表均是典型的模拟式仪器。这一代仪器功能简单，响应速度慢，精度低。
第二代是数字式电子仪器。它们的基本结构中离不开A/D转换环节，通过A/D转换将模拟信号变为数字信号，并以数字形式显示结果。它的速度快，精度高，读数直观清晰，并且可以打印输出，也方便与计算机技术相结合。同时在远距离传输方面数字信号有优势，所以遥测和遥控方面数字式电子仪器更加适用。
第三代是智能仪器。智能仪器是仪器仪表发展到一定程度后的产物，是一种新型的电子仪器。它是在数字化的基础上用微处理器装备起来的，是电子仪器与计算机技术相结合的产物。它具有运算、数据存储、逻辑判断能力，能随着被测参数的变化自己选择量程，可自动补偿、自动校正、自寻故障等，可以做一些需要人类的思考才能完成的工作，它已经具备了一定的智能，所以被称为智能仪器。智能化仪器仪表从出现就显示了它的强大能力，现已成为如今仪器仪表发展的一个主要方向。
进入21世纪，便携式测温技术在国内外都取得了显著成效。在2003年席卷全国的抗非典斗争中，中国科学院上海技术物理研究所，在国家863计划成果的基础上，对红外传感技术在非接触式红外体温计的应用上进行了深入的研究，在很短时间内取得了显著成果，研发出非接触便携式红外线测温仪，写下了国内该领域的新篇章。国内便携式红外测温仪主要有：华中科技大学研制的“慧眼 HW-05”人体温度红外热图仪，其分辨率高达0.06℃[5]；中科院上海物理研究所也研制出了红外线测温仪[6]；兰州大学合华技术应用开发中心开发的LHW-I红外线测温仪[7] [8] [9]。现在国内相关测温仪，特别是便携式测温仪方面已经较成熟，以北京、天津、广州、深圳、杭州、厦门和西安等城市技术最为成熟，产品最为普及[10][11] [12] [13] 。然而，这种设备的测量结果还有待进一步校正[14[15]]。
在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃，理论上可达0.00001℃，而且在-40℃~230℃范围内具有温度与频率的线性特性；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃，误差在0.05℃以内，中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片，其静态测温精度为0.5%，快速响应时间小于0.013s[16][17][18]。自1999年开始，就有很多国家致力于该类项目的开发和研究，至今已经有多个国家的产品达到了国际先进水平。主要产品与开发公司有：德国博朗集团开发出只需1秒即可测出体温的红外体温计；日本欧姆龙也研制出几款非接触式红外体温计，BJ40型非接触式医用红外线体温计，精确度为-0.2至+0.2；WFHX-68A型便携式温度计，分辨率为0.1℃，测量精度为-0.2至+0.2；意大利的THERMO Focus-reg,测量精度为±0.2℃。该类产品产品的应用也已经十分广泛，如：美国早在本世纪初初颁布了有关红外线测温计的计量标准，而美国雷泰公司所生产的该类产品已经较为完善[19] [20] [21][22]。
1.3 主要内容
该设计研究了一种超低功耗智能便携式温度测量仪，该测温仪采用热电阻传感器ptl00，16位高集成度、超低功耗单片机MSP430F435，实现对温度信号的采集和处理。通过选用低功耗元件和软件的优化，使得系统总体功耗变得非常低：系统控制在每秒刷新一次，功耗小于90 mW，两节3V的电池供电，工作电流小于30 mA，工作5年不需更换电池；而且测温范围宽一50.0℃-500.0℃，精度达到0．2％，且稳定度高。第一章绪论，介绍了测温仪的原理、分类以及国内外发展状况。第二章 总体设计方案，介绍了仪表的设计与开发过程，初步提出几套设计方案，经比较分析确定了利用大多数金属导体电阻随温度变化而变化的原理”进行设计。给出系统连接框图，介绍了系统的工作原理。第三章便携式测温仪的硬件设计：介绍了主要元器件的选型以及各模块电路，分析了系统原理。第四章 软件设计，介绍了低功耗便携式温度测量仪的软件设计流程图及调试优化。第五章总结，总结分析便携式测温仪设计过程中遇上的问题及感悟。

2 基于MSP430便携式测温仪的总体设计
2.1 仪表的设计与开发过程
利用从上到下的设计方案，根据行业要求，确定方案，指标，功能，再进行硬件和软件设计[23]。流程如图2.1所示。
任务的确定、方案的拟定阶段

设计任务、仪表功能的确定

总体任务的完成
硬件类型、数量确定

软硬件研制及仪表结构设计阶段

选择合适的系统

设计硬件电路及研制模板
设计应用软件及编写程序
设计仪表结构

调试硬件
调试软件

总调仪表，测试性能

测定、评价样机性能

设计文档编制

图 2.1 研制、设计仪表的基本过程

2.2 设计方案
2.2.1 提出设计方案
根据设计要求，初步提出如下的几套设计方案：
a. 使用热电偶仪器测量，利用仪器两极材料不同，在不同温度下量触点温度不同，电势不同的原理制成。
b. 利用集成温度传感器，把温敏晶体管和外围电路集成到一块电路板上，外接显示装置，将测得信号转换为温度输出。
c. 使用半导体热敏电阻，利用其温度特性曲线，制作成温度开关，通过对温度测试电路得控制达到检测的目的。
d. 使用热电阻，利用大多数金属导体电阻随温度变化而变化这一原理制成。
2.2.2 确定设计方案
在参阅网络资料及相关图书后，对方案进行评价：
a方案 从资料上可以查得，热电偶使用范围主要在工业上，测试1000℃左右的高温尤其准确。
b方案 温度的测试很准确，但是由于采用集成装置，不很经济。
c方案 结构简单，体积小，电阻温度系数大，电阻率高热惯性小，但线性度差且要进行线性度修正。
d方案 在性能上，热电阻的线性度很好，在低温测量中测试较为精确，不足之处是电阻小确不耐腐蚀
经分析比较采用d方案，使用热电阻测量温度，再查阅相关资料就选用PT100传感器进行温度测量。
2.3 便携式测温仪的总体结构与工作原理
根据设计任务及几套方案的比较，可以初步确定设计的框图，如图2.2所示， 系统工作时，传感器负责温度数据的采集任务，然后通过模拟口把温度参数传递给单片机，最后经系统分析、处理温度参数，通过显示模块显示出温度数据。通过键盘输入模块，预先设置报警温度上下限。当温度不在-50-500℃范围内时，则通过驱动一个蜂鸣器配合发光二极管实现报警。若小于-50℃，则黄色发光二极管亮；若大于500℃，红色发光二极管亮。正常时，绿色发光二极管亮，提醒工作人员进行相关操作。

传感器模块

采样信号

放大
信号

A/D转换模块

LCD显示

数据处理

按键控

图2.2 便携式测温仪框图
系统的性能指标：
l 代替指针式温度指示器；
l 输入信号PTl00；
l 4位LCD显示
l 电池供电
l 能够连续测量温度，保存测量数据，并用十进制数码管或液晶屏显示温度值；
l 温度检测范围-50-500℃；
l 能够通过按键设定温度报警值，进行声光报警
l 工作年限：两节3.0V的锂电池供电，不换电池连续工作时间大于5年；
l 显示精度：-50.0℃一500.O℃；
l 传感器：PTl00。
2.4 系统连接框图
P2.7 P6.0~P6.3
单片机
P2.4.~P2.5
P5.5.~P5.6
P4.0~P4.7
RESET P5.0.~P5.1

传感器采集模块
报警模块

键盘输入模块

通信模块

温度显示模块
电源及复位模块

图2.3 各模块与单片机的管脚连接框图

3 低功耗便携式温度测量仪的硬件设计
3.1 概述
设计前先确定系统CPU的类型，其次是温度传感器的选择，再次是液晶显示器LCD的确定，报警模块可以选用发光二极管和蜂鸣器协同完成，尤为重要的是CPU、传感器和LCD的确定。
在低功耗方面CPU的选择，MSP430单片机是TI公司1996年开始推向市场的超低功耗微处理器，另外他还集成了很多模块功能，从而使得用一片MSP430芯片可以完成多片芯片才能完成的功能，大大缩小了产品的体积与成本。如今，MSP430单片机已经用于各个领域，尤其是仪器仪表、监测、医疗器械以及汽车电子等领域。
MSP430系列单片机主要特点：低电源电压范围，1．8～3．6V；超低功耗，拥有5种低功耗模式；灵活的时钟使用模式；高速的运算能力，16位RISC架构，125ns指令周期；丰富的功能模块，这些功能模块包括：多通道10—14位AD转换器、双路12位DA转换器、比较器、液晶驱动器、电源电压检测、串行口USART(UART／SPI)、硬件乘法器、看门狗定时器、多个16位、8位定时器(可进行捕获，比较，输出)、DMA控制器； FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行中由程序控制写擦除和段的擦除；MSP430芯片上包括JTAG接口，仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；快速灵活的变成方式，可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。MSP430单片机目前主要以FLASH型为主。适应工业级运行环境MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为一40～+85摄氏度，所设计的产品适合用于工业环境下。采用16位超低功耗单片机MSP430和铂热电阻传感器ptl00实现温度的信号采集和处理。通过热电阻的非线性处理，软件的优化保证系统低功耗。CPU：采用MSP430系列；外围：LCD，按钮，少量的电阻和电容；其他资源采用CPU内部资源,如CPU内部A/D转换器，内部参考电压源，可编程放大器，可编程电压源，可编程滤波。
3.2主要元器件选型
3.2.1温度传感器选择
(1)温度传感器概述
在工业测温领域中，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻温度传感器。热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对与温度有关的参量进行检测的装置。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。
(2)热电阻传感器
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
a)、铂电阻
铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出一输入特性接近线性。铂电阻的电阻值与温度之间的关系：
在0～850℃范围时：Rt =R0 (1+At+Bt2)（3.1）
在-200～0℃范围时：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)（3.2）
A、B、C．一常数
铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。铂电阻由于其具有测量范围大、稳定性好、测量精度高和耐氧化等特点，已成为目前温度测量中应用最为广泛的传感元件之一，而与之配套的数字测温仪表在工农业生产、科学研究及民用领域占有巨大的市场。
b)铜电阻
铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出一输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。
c)其他热电阻
镍使用温度范围是-50～100℃和-50～150℃。但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多(我国定为标准化热电阻)。
铟电阻适宜在-269～258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。
锰电阻适宜在-271～210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。碳电阻适宜在-273～268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。
(3) 选用的PTl00温度传感器
综合上述特点该设计选用的传感器为PT100,其具有测量范围大、稳定性好、测量精度高和耐氧化等特点，成为目前温度测量中应用最为广泛的传感元件之一，而与之配套使用的数字测温仪表在工农业生产、科学研究及民用领域占有巨大的市场。如图3.2所示是其电阻——温度关系曲线，其在-200～650℃温度范围内线性度非常接近直线。

图3.1 Pt100的电阻—温度关系曲线
铂电阻的电阻值与温度之间的关系如下：
在0～650℃范围时：Rt =R0 (1+At+Bt2)（3.1）
在-190～0℃范围时：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)（3.2）
其中A、B、C为常数，A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12；
Rt表示温度为t时的电阻值；R0表示温度为0℃时的电阻值，Pt100这种型号的铂热电阻，R0 =100Ω，即当环境温度为0度的时候，Pt100的阻值等于100Ω。上述对应关系可以生成pt100铂电阻分度表，详见附录A。
3.2. 2 LCD显示选择
随着电子技术的飞速发展，越来越多的领域需要应用以单片机为核心的便携式仪表和测试仪。为了尽可能缩小仪器体积和功耗，对选择芯片和显示系统的要求变得更高。TI公司的MSP430系列超低功耗单片机尤其适合应用于便携式仪表和测试仪。原来经常使用的LED由于体积大和功耗方面的原因已经不能满足人们特定的需要，而越来越多地使用液晶LCD。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。通过和不通过的组合就可以在屏幕上显示出图像来。通俗地说，液晶显示器就是两块玻璃中间夹了一层或多层液晶材料，液晶材料在信号控制下改变自己的透光状态，于是就能在玻璃面板前看到图像了。由于液晶是通过环境光来显示信息的，液晶本身不主动发光，所以液晶功耗很低，更加适合于单片机低功耗系统。另外，液晶只能使用低频交流电压驱动，直流电压将损坏液晶。
液晶有很多种类，常见的有段式液晶、字符式液晶、图形式液晶等，其中段式液晶价格低廉，使用简单，被广泛应用于各种单片机应用系统中，例如各种智能仪表的显示。
在MSP430系列单片机中，MSPX1/2XX系列没有段式液晶驱动模块，MSP430F4XX系列片内具有段式液晶驱动模块,在液晶驱动电路中，液晶等效为电容，两个电极板分别为公共极与段极。
(1)MSP430液晶驱动模块的主要特点如下：
l 具有显示缓存器
l 所需的SEG、COM信号自动产生
l 4种驱动方法
l 多种种扫描频率
l 段输出端口可以切换为通常输出端口
l 显示缓存器可作为一般存储器
l 用ACLK经Basic Timer产生频率
(2) 液晶驱动方法
MSP430液晶驱动LCD模块有如下4种驱动方法，分别为静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动以及4MUX驱动。其特点如MSP430液晶驱动表3.1。

MSP430液晶驱动表3.1
方法
公共极引脚数
每引脚驱动液晶段数
需要引脚总数
静态
1
1
1+需要驱动的段数
2MUX
2
2
2+需要驱动的段数／2
3MUX
3
3
3+需要驱动的段数／3
4MUX
4
4
4+需要驱动的段数／4

（3）确定LCD-1602为显示器
本设计的显示元件选择了相对于LED显示更简单的LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，见附录A。（16列2行）
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。R/W为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作。E端为使能端，后面和时序联系在一起。
LCD1602内部RAM显示缓冲区地址的映射图，00～0F、40～4F分别对应LCD1602的上下两行的每一个字符，只要往对应的RAM地址写入要显示字符的ASCII代码，就可以显示出来。
表3.2 1602 RAM地址对应的ASCII代码

其中管脚说明如下：第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD接 5V正电源。 第 3 脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 7～14脚：D0～D7为 8 位双向数据线。 第 15脚：背光源正极。 第 16脚：背光源负极。1602LCD 主要技术参数：(a) 显示容量:16×2 个字符, (b) 芯片工作电压:4.5—5.5V (c) 工作电流:2.0mA(5.0V) (d) 模块最佳工作电压:5.0V (e) 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
3.2.3 微处理器的选择
应用MSP430系列单片机构建应用系统，进行总体设计时要考虑选型的问题。选择MSP430系统单片机型号应该遵循以下原则：
l 择最容易实现设计目标而且性能/价格比高的机型
l 在研制任务重，时间紧的情况下，首选熟悉的机型
l 欲选的机型在市场上有稳定充足的货源
MSP430系列的FLASH型单片机在系统设计、开发调试及实际应用上都具有显著优势，使应用程序升级和代码改进更为方便，成为国内应用的主流机型。其存储器模块是目前业界所有内部集成FLASH存储器产品中能耗最低的一种，消耗功率仅为其他采用FLASH存储器的微控制器的1/5。FLASH的主要优点是结构简单，集成密度大，点可擦写，成本低。由于FLASH可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的专用仿真器。
从TI公司的网站(WWW：TI．COM．CN)查找MSP430系列单片机的价格，经查询比较，选择MSP430F435型号（MSP430系列芯片芯片性能基本都能满足设计要求）。根据选定的型号，在硬软件设计前对该型号的内部资源进行详细了解(具体功能见外文翻译MSP430X43X引脚功能表。）
(1)MSP430F435主要指标和功能
l 低供电电压范围：1.8V 至3.6V
l 超低功耗：
一活动模式：1Mhz，2.2V 时为280mA
——等待模式：1.6 mA
——关闭模式（PAM保持）：0.1mA
l 五种省电模式
l 6ms内从等待状态唤醒
l 16位精简指令结构，125nsz指令时间周期
l 具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的12为A/D转换器
l 带有三个或七个捕捉/比较影子寄存器的16位定时器B
l 带有三个捕捉/比较寄存器的16位定时器A
l 片内集成比较器
l 串行通信接口（USART)，软件选择异步UART或者同步SPI接口
l MSP430X43X 芯片有一个UART（UART0）
l 欠电压检测器
l 具有可编程电平检测的供电电压管理器/监视器
l 串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的安全熔丝代码保护
l 集成多大160段的LCD驱动器
l 系列器件包括：
——MSP430F435：
16KB+256B flash 存储器 512B RAM
——MSP430F436：
24KB+256B flash 存储器 1KB RAM
——MSP430F437：
32KB+256B flash 存储器 1KB RAM
（2） MSP430F43X芯片封装图

图3.2 MSP430F435芯片封装图
3.2.4 报警器的选择
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，广泛应用于电子计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
1．压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
2．电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
为了方便，在本设计中我选择的是电磁式蜂鸣器。其发声原理：
蜂鸣器发生原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声。蜂鸣器的负极接到接地GND上面，正极接到三极管的集电极C，三极管的基极B经过限流电阻R1后，由单片机的P6.3引脚控制，当P6.3引脚输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7引脚输出低电平时，三级管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过控制程序控制P6.3的输出电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。其余硬件选择相对简单，不再作过多的阐述。
3.2.5 数据存储模块的选择
微处理器MSP430F435外扩2kB的E2PROM,12C总线把E2PROM与单片机连接起来，用于保存采集的温度数值。
3.3 硬件电路设计
根据以上的CPU资源和有关资料，运用protel软件进行硬件电路设计，其电路图见附录B，主要模块及原理分析如下。
3.3.1 PT100传感器采样电路
该模块电路连接如图3.3。首先传感器输出毫伏级的应变信号，再通过高稳定度电桥变换，经运算放大器MAX492组成的减法放大电路，然后经过调零、滤波处理后，送到MSP430F435的A/D转换接口ADCO，从而实现对温度信号检测,MSP430F435根据处理结果的值和范围进行查表，实现分段线性化，将传感器信号与温度对比。

图3.3温度传感器接口模块电路

3.3.2 报警模块电路
该系统由三个发光二极管和一个蜂鸣器构成，发光二极管分别是绿、黄、红三种不同颜色，用于显示检测对象的温度情况。绿色表示温度正常，黄色表示检测对象温度低于报警温度下限，红色表示温度已超过报警温度上限。当环境温度不在-50～500℃范围时，表示已进入危险温度，蜂鸣器报警。发光二极管电路和蜂鸣器电路如图3.4(a)（b)所示。其中蜂鸣器连接在单片机P6.3管脚。

(a)发光二极管显示 (b)蜂鸣器显示
图3.4 系统显示器电路
3.3.3 串口通信电路
由于PC机串口的电平标准与单片机的TTL不一致，因此PC机与单片机之间的串口通信必须要有一个RS232/TTL电平转换电路。本系统与上位机的通信使用的是RS-232标准，驱动芯片是常用的MAX232A，电路芯片手册里的参考电路，非常简单，如图3.5所示。

图3.5 RS-232驱动电路
3.3.4 数据存储模块电路
微处理器MSP430F435外扩2kB的E2PROM,12C总线把E2PROM与单片机连接起来，如图3.6，用于保存采集的温度数值。

图3.6 E2PROM外扩电路
3.3.5 键盘模块电路
键盘是一组分别代表数字和有关命令的按键集合，其具有“断开"和“闭合"两种状态，通过接口电路对应于0和1两个逻辑值。该便携式测温仪面板上设置了2个按键，以完成实时显示测量值的功能。如图3.7所示，使用按键与单片机的I/0口直接连接，采用查询方式获取按键值。

图3.7按键电路图
3.3.6 单片机最小系统电路
系统选用了MSP430F435型16位单片机，最小系统电路连接如图3.8，作为测温仪的核心控制部分，来完成传感器数据结果处理、键盘的识别、串口通信的管理等。

图3.8 MSP430F435最小系统
3.3.7 显示模块电路
本设计的显示元件选择了相对于LED显示更简单的LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，其电路如图所示。

图3.9 显示模块电路
3.3.8 电源电路
由于温度信号是由恒流源通过铂热电阻Pt100，通过检测Pt100上的电压变化量而获得的，所以设计一个稳定的恒流源尤为重要。
如图3.10所示，是一个由两个三极管和一个运算放大器构成的恒流源电路，其中Rc是100Ω的标准精密电阻。NPN型三极管9013的Vce相当于一个PN结的压降，实际测量约等于0.6V,由运算放大器具有很大有输入阻抗和很小的输出阻抗，由其虚短和虚断的特性可以知道PNP型三极管9012的射极电压等于三极管9013的射极电压，因此电阻Rc两端的电压等于三