第６期 ２０１０年１２月 微处理机 Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．．２０１０ ＭＩＣＲＯＰＲ０ＣＥＳＳＯＲＳ 基于ＭＳＰ４３０的智能温度检测系统设计 董鹏永，袁盼鑫，牛庆丽 （郑州科技学院计算机系，郑州４５００６４） 摘 要：论述了一种以ｌ６位单片机ＭＳＰ４３０Ｆ１４９为控制核心，利用数字化温度传感器 ＤＳ１８Ｂ２０实现温度测量的智能温度检测系统。详细论述了该系统的硬件组成和软件设计，给出了 关键部分的电路图及相应的ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机温度测量程序。实验结果表明，该智能温度检测 系统具有低成本、可靠性高、结构简单、性能稳定、经济实用等特点，可根据不同需要应用于多种工 农业温度检测领域。 关键词：ＭＳＰ４３０Ｆ１４９；ＤＳ１８Ｂ２０；温度检测系统 ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１０．０６．０２３ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００２—２２７９（２０１０）Ｏ６—００７５—０４ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＰ４３０ ＤＯＮＧ Ｐｅｎｇ—ｙｏｎｇ，ＹＵＡＮ Ｐａｎ—ｘｉｎ，ＮＩＵ Ｑｉｎｇ—ｌｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｏｌ￣ｇｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ １６ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ＤＳ１８Ｂ２０ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｋｅｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ＭＳＰ４３０ＦＩ４９ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ— ｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ ｃｏｓｔ， ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｍａｙ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅａ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＳＰ４３０Ｆ１４９；ＤＳ１ ８Ｂ２０；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ １ 引 言 随着设备的电气化和自动化程度不断提高，对 设备和环境进行实时监控显得尤为重要。传统的测 温器件热敏电阻测出的一般是电压，需要再转化为 相应的温度，这就要有其它外部硬件的支持。因此 硬件电路比较复杂，设计成本也比较高。智能温度 模块ＣＡＴ２４ＷＣ６４、液晶显示模块ＨＴＭ１６０２Ａ、语音报 警模块ＩＳＤ１４２０、矩阵键盘和单总线接若干温度传感 器ＤＳ１８Ｂ２０组成。系统硬件框图如图１所示。由图 可见，多点温度测量电路只占用了ＭＳＰ４３０Ｆｌ４９的 个普通ＩＯ口，系统资源利用率较高。 一２．１ ＤＳ１８Ｂ２０ 检测系统采用的是一种改进型智能温度传感器 ＤＳ１８Ｂ２０，数字温度传感器通过单总线与单片机连 接，系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境 ２．１．１ ＤＳ１８Ｂ２０的内部结构 ＤＳ１８Ｂ２０的内部结构如图２所示¨Ｊ，主要由四 下进行现场温度测量，也可应用于仓库测温、高层空 调控制和农业生产过程监控等领域。 部分组成：光刻ＲＯＭ、温度传感器、非易失性的温度 报警触发器ＴＨ和ＴＬ配置寄存器。ＤＳ１８Ｂ２０可以 有多种封装形式，在ＴＯ一９２封装中，如图２（ａ）所 示，ＧＮＤ为接地引脚，ＤＱ为数据输入／输出引脚， ＶＤＤ为可选的外部电源供电引脚，在寄生电源工作 方式下接地。光刻ＲＯＭ中的６４位序列号是出厂前 ２温度检测系统硬件构成： 该温度检测系统由主控制器ＭＳＰ４３０Ｆ１４９、存储 作者简介：董鹏永（１９８２一），男，河南林州人，硕士研究生，主研方向：ＧＰＲＳ无线网络、嵌入式系统。 收稿日期：２０１０—０４一ｌ９ ・７６・ 微处理机 ２０１０钲 被光刻好的，它可以看作是该ＤＳ１８Ｂ２０的地址序列 码。６４位光刻ＲＯＭ的排列是：开始８位（２８Ｈ）是 产品类型标号，接着的４８位是该ＤＳ１８Ｂ２０自身的 序列号，最后８位是前面５６位的循环冗余校验码。 （４ＥＨ）、复制暂存区（４８Ｈ）、重调ＥＥＰＲＯＭ（Ｂ８Ｈ）、 读电源供电方式（Ｂ４Ｈ）。每条命令有不同代码，在 总线上传送时，由器件根据接收的命令代码完成相 应的操作。因此ＤＳ１８Ｂ２０的单线通信功能是分时 完成的，它有严格的时序要求 ¨。 光刻ＲＯＭ的作用是使每一个ＤＳ１８Ｂ２０都各不相 同，这样就可以实现一根总线上挂接多个ＤＳ１８Ｂ２０ 的目的 一 。 ２．１．２ ＤＳ１８Ｂ２０的工作过程 访问ＤＳ１８Ｂ２０的工作顺序通常为：初始化，发 送ＲＯＭ操作命令，发送ＲＡＭ操作命令。通过初始 化复位工作使主设备知道传感器ＤＳ１８Ｂ２０存在并 准备工作。通过发送ＲＯＭ命令可以知道某个特定 的ＤＳ１８Ｂ２０是否存在并且是否超过温度警界值。 共有５种ＲＯＭ操作命令，分别是读ＲＯＭ（３３Ｈ）、匹 配ＲＯＭ（５５Ｈ）、搜索ＲＯＭ（ＦＯＨ）、跳过ＲＯＭ （ＣＣＨ）、告警搜索命令（ＥＣＨ）。通过发送ＲＡＭ操 作命令，可以设定电源供电方式，启动温度转化，读 写ＤＳ１８Ｂ２０的暂存区。共有６种功能命令，分别是 转换温度（４４Ｈ）、读暂存区（ＢＥＨ）、写暂存区 图１ 系统硬件总体电路图 （ａ）ＤＳ１８Ｂ２０ ＴＯ一９２封装图 （ｂ）ＤＳ１８Ｂ２０内部结构图 图２ ＤＳ１８Ｂ２０整体结构图 ２．２ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 本设计的主控芯片采用美国德州仪器公司的 ｌ６位带ＦＬＡＳＨ单片机 Ｐ４３０Ｆ１４９。它具有处理 报警方式。语音报警由ＩＳＤ１４２０芯片控制，它具有 分段录放功能，每次录放时间为２０Ｓ。预先录制好 的温度语音，由ＭＳＰ４３０单片机判断被测温度，当测 量值高出或低于标准值时放出各自相应的录音，从 而实现温度的报警功能。 ２．４温度显示模块 一一一一～一一 能力强、运行速度快、功耗低等优点。其工作电压为 １．８Ｖ一３．６Ｖ；ＣＰＵ运行正交的精简指令集。片内寄 存器数量多。存储器可实现多种运算。 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９中断源较多并可任意嵌套，系统处于 省电状态，用中断请求唤醒只需６微秒。它还具有 丰富的外围器件。其ｌ６位定时器ＴｉｍｅｒＡ具有４种 工作模式，可同时进行多个捕获／比较功能；４８个可 独立编程的Ｉ／Ｏ口；２个串行通信接口微秒ＡＲＴ０ 与微秒ＡＲＴ１；ＦＬＡＳＨ存储器多达６０ＫＢ，擦写次数 液晶显示模块ＨＴＭ１６０２Ａ是基于￥６Ａ００６９芯 片构建的２行ｌ６列字符型的ＬＣＤ液晶显示模块，其 字符显示的分辨率是５×８（即每个字符是由一个 ５×８的点矩阵构成）。基于￥６Ａ００６９所编写的控制 程序亦可以很方便地应用于其它大部分字符型液晶 显示模块。因此选用ＨＴＭ１６０２Ａ模块显示系统的 可达１０万次。该款芯片的超低功耗和良好的性能 测温结果。 价格比使其非常适合工业监控领域。 ２．５数据存储模块 ２．３语音报警模块 系统采用ＣＡＴ２４ＷＣ６４作为存储芯片。 对于温度的超限情况进行报警，系统采用语音 ＣＡＴ２４ＷＣ６４是一个６４ｋ位串行ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ，内 ６期 董鹏永等：基于ＭＳＰ４３０的智能温度检测系统设计 ・７７・ 部含有８１９２个８位字节，具有一个３２字节写缓冲 用户作为传感器的标识号。 器，该器件通过Ｉ２Ｃ总线接口进行操作，有专门的写 ２．６串口通信接口电路设计 保护功能。测温系统采用ＣＡＴ２４ＷＣ６４用来集中记 将ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机采集的温度数据传输到 录单总线上所有温度传感器的注册信息，即按地址 上位机，利用ＭＳＰ４３０单片机的通讯接口连接到 顺序存放ＤＳ１８Ｂ２０的６４位光刻ＲＯＭ序列码。每 ＲＳ２３２串行口接收或发送数据和指令，但是单片机 个序列码占用８字节空间，系统管理程序会以８字 的ｒＩｔＩＬ电平和ＲＳ２３２不兼容，因此使用ＭＡＸ２３２进 节为基数计算传感器注册码的地址序号，并反馈给 行电平转换，其接口电路图如图３所示。 图３ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９与ＰＣ机的串行接口电路 ＭＳＰ４３０有两组通讯接口，ＵＴＸＤ０、ＵＲＸＤ０和 方便进行以后的操作。复位要求主ＣＰＵ将数据线 ＵＴＸＤ１、ＵＲＸＤ１，这里用的是第一组。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 下拉５００微秒，然后释放，ＤＳ１８Ｂ２０收到信号后等待 单片机３．３Ｖ的信ｇ－ｆｌａ ＵＴＸＤＯ出来输入到ＭＡＸ２３２ １６￣６０微秒左右，后发出６０～２４０微秒的存在低脉 的ＴＩｌＮ脚，转换成±１５Ｖ的信号由Ｔ１ＯＵＴ送到通 冲，主ＣＰＵ收到此信号表示复位成功。 讯标准接头的２脚（ＲＸＤ），±１５Ｖ的信号由通讯标 准接头的３脚（ＴＸＤ）出来输入到ＭＡＸ２３２的ＲＩＩＮ 脚，转换成±１５Ｖ的信号由Ｒ１０ＵＴ送到单片机的 ＵＲＸＤＯ。 ３温度检测系统软件设计： ＭＳＰ４３０系列是一种具有集成度高、功能丰富、 功耗低等技术特点的ｌ６位单片机，它采用ｃ语言完 成程序设计，大大提高了开发调试的工作效率；同时 用ｃ语言所产生的文档资料也容易理解，便于移植。 ３． １ １ 机编程 系统程序设计包括主程序，复位子程序，报警和 分辨率设置子程序，温度转换子程序，读温度子程 序，计算温度和显示温度子程序等等。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 对ＤＳ１８Ｂ２０的访问流程是：先对ＤＳ１８Ｂ２０初始化， 再进行ＲＯＭ操作命令，最后才能对存储器ＲＡＭ操 作。程序流程图如图４所示。下面就简要介绍 ＭＳＰ４３０系列单片机ｃ语言的几个主要子程序。 ３．１．１ 复位子程序 图４程序流程图 该程序的主要功能是负责ＤＳ１８Ｂ２０的复位，以 ｂｉｔ ＲｅｓｅｔＤＳ１８Ｂ２０（） ・７８・ 微处理机 ２０１０拄 ｛ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ； ｂｉｔ ｆｌａｇ； ＤＳ１８Ｂ２０＝０： ｆｏｒ（ｉ：０；ｉ＜２００；ｉ＋＋）；／／保持低电平５００微 秒 ＤＳ１８Ｂ２０＝１： ｏｆｒ（ｉ＝Ｏ；ｉ＜３０；ｉ＋＋）；／／等６Ｏ微秒 ｌｆａｇ：ＤＳ１８Ｂ２０；／／取ＤＳ１８Ｂ２０状态 ｆｏｒ（ｉ：０；ｉ＜１００；ｉ＋＋）；／／等３００微秒 ｒｅｔｕｒｎ ｆｌａｇ；／／ｆｌａｇ＝０复位成功，ｌｆａｇ：１，复位不 成功 、 ｝ ３．１．２写一个字节子程序 ＣＰＵ将数据线从高电平拉至低电平，产生写起 始信号；１５微秒之内，将所写的位送到数据线上； ＤＳ１８Ｂ２０在之后ｌ５—６０微秒接收位信息；写下一个 位之前要有１秒以上的高电平恢复；将以上过程重 复８次，即完成一个字节的写操作。 ｖｏｉｄ ＷＲＤＳ１８Ｂ２０（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｄａｔａ０） ｛ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ，ｊ； ｆ０ｒ（ｊ＝０；ｊ＜８；ｊ＋＋） ｛ ＤＳ１８Ｂ２０：０；／／高电平拉到低电平，产生写起 始信号 ｏｆｒ（ｉ＝０；ｉ＜１；ｉ＋＋）； ＤＳ１８Ｂ２０＝ｄａｔａ０＆Ｏｘ０１；／／１５微秒内写一位 ｏｆｒ（ｉ：０；ｉ＜２０；ｉ＋＋）；／／等６０微秒，ＤＳ１８Ｂ２０ 完成采样 ＤＳ１８Ｂ２０＝１；／／高电平恢复 ｄａｔａ０＝ｄａｔａ０＞＞１；／／右移，为下一位准备｝ ｝ ３．１．３读一个字节子程序 ＣＰＵ将数据线从高电平拉到低电平１微秒以 上，再拉到高电平，产生读起始信号；１５微秒之内， ＣＰＵ读一位；读周期为６０微秒，读下一个位之前要 有１微秒以上的高电平恢复；将以上过程重复８次， 即完成一个字节的读操作。 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＲＤＤＳ１ ８Ｂ２０（） ｛ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉ，ｊ，ｄａｔａ０＝０； ｂｉｔ ｔｅｍｐ； ｏｆｒ（ｊ＝０；ｊ＜８；ｊ＋＋） ｛ＤＳ１８Ｂ２０＝０；／／高电平拉到低电平１微秒以上 ｆ０ｒ（ｉ．０；ｉ＜ｌ；ｉ＋＋）； ＤＳ１８Ｂ２０＝１；／／再拉到高电平，产生读起始信 号 ． ｏｆｒ（ｉ＿０；ｉ＜１；ｉ＋＋）； ｔａｍｐ＝ＤＳ１８Ｂ２０；／／１５微秒之内读一位 ｆｏｒ（ｉ＿０；ｉ＜２０；ｉ＋＋）；／／等６０微秒 ｄａｔａ０＝ｄａｔａＯ＞＞１；／／为下一位准备 ｉｆ（ｔｅｍｐ＝＝１）ｄａｔａ０＝ｄａｔａＯ１０ｘ８０； ｅｌｓｅ ｄａｔａＯ＝ｄａｔａ０＆Ｏｘ７ｆ； ＤＳ１８Ｂ２０＝１；／／高电平恢复 ｏｆｒ（ｉ＝Ｏ；ｉ＜１；ｉ＋＋）；｝ ｒｅｔｕｒｎ ｄａｔａＯ；｝ ３．２上位机软件编程 系统采用ＭＳＣＯＭＭ控件实现ＶＣ＋＋与单片机 之间的数据交换，具有程序实现简便、程序模块化、 工作可靠等优点，并能满足多数情况下的工控要求。 使用ＭＳＣＯＭＭ控件主要是通过事件来处理串行口 的交互。控件的ＭＳＣＯＭＭ事件负责捕获或处理这 些通讯事件和通讯错误。 ４结束语 测温系统采用了集成度高、功耗低的 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９为核心微处理器，通过传感器 ＤＳ１８Ｂ２０实现对温度测量，并进行存储和显示。实 验表明：当外界温度试验的范围设定在Ｏ℃一５０℃， 可确保测量误差不超过±０．５℃，在试验板上显示温 度精确到０．０６２５ｏＣ，ＡＤ转换的时间是７５０ｍｓ，传输 的距离是４０ｍ。另外，在该系统的基础上也可以扩 展其他信号，如湿度，压力等。 参考文献： ［１］ＤＳ１ ８Ｂ２０ Ｄａｔａｓｈｅｅｔ．Ｄａｌｌａｓ：Ｄａｌｌａｓ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｒｐｏ． ｒａｔｉｏｎ［Ｓ］，２００５． ［２］戚新波，范峥，陈学广．ＤＳ１８Ｂ２０与Ａｔｍｅｇａ８单片机接 口的Ｃ语言实现方法［Ｊ］．微计算机信息，２００５（７）： ７１—７３． ［３］孙少伟，戴义保，章高琴．基于ＤＳ１８２０组网测温的研 究［Ｊ］．自动化仪表，２００６（６）：４２—４５． ［４］金伟正．单线数字温度传感器的原理及应用［Ｊ］．电子 技术应用，２００６（５）：６６—６８． ［５］刘鸣，蒋新颖．基于ＤＳ１８Ｂ２０多点温度采集和无线传 输［Ｊ］．电子元件与材料，２００５（２）：５４—５７． ［６］沙占友．智能化集成温度传感器原理与应用［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００２． ［７］ 胡大可．ＭＳＰ４３０系列ＦＬＡＳＨ型超低功耗ｌ６位单片机 ［Ｍ］．北京：航空航天大学出版社，２００４． ［８］张唏．ＭＳＰ４３０系列单片机实用Ｃ语言程序设计［Ｍ］． 北京：人民邮电出版社，２００５．