【文章內容簡介】 可以將電壓升高到+5V以便給放大器提供穩(wěn)壓，升壓電路如圖23所示：圖23 升壓電路由于電池的電壓隨著電量的變化而變化，為了給電路一個穩(wěn)定的電壓參考，采用L6920芯片將電壓穩(wěn)定到+5V。為了盡量不讓電路出現(xiàn)電壓毛刺，設計中在電壓初始端全部加入電容或極性電容來，以防止電壓反向倒流擊穿電路中的器件。 負電轉換芯片TPS6040介紹以及電路設計芯片TPS6040可以將正電壓轉換為其對應的負電壓，此設計主要是為放大器供負電，理論上INA126地線引腳接地即可，但是由于此接法不成功，不能實現(xiàn)電壓的放大，故將接地端接入負電，正常工作。電路如圖24所示：圖24 負電轉換電路此電路的設計是根據(jù)芯片資料中的經典電路設計而成，考慮到的依然是電壓的穩(wěn)定性能。 充電芯片LM3658介紹以及電路設計LM3658一款雙輸入通用串行總線(USB)、交流電電池充電及電源管理二合一集成電路。該芯片可為單顆鋰電池和鋰聚合物電池安全充電。%，這有助延長電池壽命，因此適用于多種不同的便攜式電子產品，包括PDA、MP3播放機、數(shù)碼相機、上網(wǎng)設備、儀表和智能電話。LM3658芯片在利用USB或交流電插座為鋰電池或鋰聚合物電池充電時，若這兩種電源都處于開啟狀態(tài)，則充電器芯片便會自動選用預先設定的交流電模式。LM3658芯片只需幾顆外接元件為其提供支持，而且它還內置了功率場效應晶體管(FET)、電流傳感器、反向保護和熱能調節(jié)等電路，使電池獲得更可靠的保護。LM3658芯片在利用墻上插座的交流電為電池充電時，充電電流介于50mA與1000mA 之間，電流大小可以通過外置電阻加以設定。若利用USB電源為電池充電，用戶可通過引腳選擇100mA或500mA的充電電流。這款芯片會不斷控制終止充電電壓，%。，輸出電流可以高達1A，電流的實際大小可以通過外置電阻加以調節(jié)。此外，內置的功率FET可以根據(jù)環(huán)境溫度自行調節(jié)操作速率，以確保芯片無論在任何溫度之下也能以最高的效率進行充電。LM3658芯片設有5種操作模式，分別是預先設限模式、恒流模式、恒壓模式、充滿即停止模式和維持模式。這款芯片還設有熱能調節(jié)與電池溫度測量等功能，以及多個安全計時器。此外，它也設有兩個漏極開路輸出，以便啟動LED狀態(tài)指示燈或與通用輸入/輸出建立聯(lián)系。這款電池充電和電源管理二合一芯片設有多個防護裝置，其中包括LED狀態(tài)指示燈、安全計時器，以及不間斷監(jiān)測電池溫度的監(jiān)控電路。LM3658電池充電IC采用10引腳LLP封裝，充電電路如圖25所示：圖25 充電電路為了方便使用者的使用設計了標準USB充電端口如圖26所示：圖26 USB充電接口電路 顯示部分常用顯示器件有LED數(shù)碼管顯示器，CRT顯示器以及LCD液晶顯示器等。常用的數(shù)碼管顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管控制七個筆畫(段)的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的形式有些失真，但控制簡單，使用方便。點陣式的發(fā)光顯示器，發(fā)光二極管排成一個NM(例如57)的矩陣，一個發(fā)光二極管控制點陣中的一個點，這種顯示器顯示的字形逼真，能顯示的字符比較多，但控制比較復雜。液晶顯示器(LCD)已被廣泛應用于計算機、電視及智能儀表中，它的主要優(yōu)點是功耗低、控制電壓低、集成電路容易控制。通過編程，可以清晰地顯示各種字符和漢字。LCD顯示器的缺點也是明顯的：其一，由于有機大分子有一定的厚度，人眼從不同的角度觀察光線的反射效果是不一樣的；其二，有機大分子在紫外線照射下容易失效；其三，溫度高低對有機大分子也有明顯影響。本文的研究，黑白屏顯示即可滿足要求。系統(tǒng)采用STN液晶屏幕顯示，其外部電路及引腳連接如圖26所示：圖27 液晶屏部分電路此顯示屏和一般顯示屏引腳功能相似，數(shù)據(jù)以一字節(jié)為單位傳送，顯示清晰，并且有單獨的背光控制引腳。背光有單獨的引腳連接，如圖28所示：圖28 液晶屏背光電路 紅外溫度采集OTP538U本文研究很關鍵的一部分是溫度采集部分，因此，溫度的采集模塊的設計很重要，涉及到整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性。選好溫度傳感器是系統(tǒng)成功的關鍵。溫度傳感器大致可以分為熱電阻傳感器、模擬溫度傳感器、數(shù)字式溫度傳感器。熱敏電阻的工作原理是導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構成的傳感器就就可以當做溫度傳感器，熱敏電阻缺點是由于自身發(fā)熱導致阻值隨溫度變化成非線性。但它有其自己的優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，在溫度不高的情況下電阻值與溫度之間應具有良好的線性關系。電阻率高，熱容量小，反應速度快。材料的復現(xiàn)性和工藝性好，價格低。模擬式溫度傳感器具有測量轉換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點。但是模擬傳感器的模擬信號需要先經過取樣、放大和模數(shù)轉換電路處理，再將轉換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號交由微處理器或DSP處理。被測信號從敏感元件接收的非電物理量開始，到轉換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設計者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應測試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產品的可靠性及小型化。而且模擬信號在長距離傳輸過程中，容易受到電磁干擾而導致誤差產生。在多點溫濕度檢測的場合，各被測點到測試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會導致誤差的產生，并且難以完全清除。數(shù)字式溫度傳感器能把被測模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設備(計算機，計數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等)相聯(lián)，用微控制器、DSP或計算機進行信號的處理、濾波、壓縮。它的信號原則上不受放大器和信號處理系統(tǒng)的溫度漂移的影響，具有極高的抗干擾能力。數(shù)字式傳感器具有高的測量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號易于處理、傳送和自動控制，便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。但存在反應速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點。另一方面，數(shù)字式溫度傳感器在編程方面必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。考慮系統(tǒng)的經濟性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點及發(fā)展狀況，確定溫度傳感器為熱敏電阻傳感器。雖然它在溫度較高的情況下由于自身發(fā)熱導致阻值隨溫度變化成非線性。但是，在此研究系統(tǒng)中，所涉及的溫度不高，完全能保證阻值隨溫度的線性變化。通過前面的介紹，采用紅外線溫度傳感器比較適合此系統(tǒng)的溫度采集，本文選擇了OTP538U作為溫度傳感器，因為在30℃~40℃之間非常接近線性關系。 紅外溫度傳感器原理自然界一切溫度高于絕對零度(℃)的物體，由于分子的熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合普朗克(Plank)定律。紅外測溫的原理是一樣的，都是根據(jù)普朗克原理。一般理解紅外測量的是物體的溫度，其實測的是目標物與傳感器或者說是物體與環(huán)境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小直接與該物體的溫度有關，具體地說，是與該物體熱力學溫度的4次方成正比．用公式可表達為： (21)式中 E—輻射出射度，單位是W/m3； δ—斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，(m2K4)； ε—物體的輻射率； T—物體的溫度(K)； To—物體周圍的環(huán)境溫度(K)；人體主要輻射波長為9μm～10μm的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內的光線不被空氣所吸收，因而也可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。紅外溫度傳感器利用熱電偶原理，測量目標物與傳感器或者物體與環(huán)境溫度之間的差值。熱電偶的原理是二種不同的金屬A和B構成一個閉合回路，當二個接觸端溫度不同時(TTo)，回路中產生熱電勢E，其中T稱為熱端、工作端或測量端，To稱為冷端、自由端或參比端。A和B稱為熱電極。熱電勢的大小由接觸電勢(也叫伯爾貼電勢)和溫差電勢(也叫湯姆遜電勢)決定。 OTP538U工作原理和性能OTP538U是一個典型的TO46熱電堆傳感器。該傳感器是由浮動微膜元件具有積極直徑的系列熱電偶微米和涂黑表面吸收的熱紅外輻射組成，誘使其在輸出端電壓的響應。該傳感器芯片的制作是一個獨特的前表面微細加工技術，從而導致更小的尺寸和更快的反應環(huán)境溫度變化。OTP538U熱電堆傳感器提供接近約翰遜噪聲性能，它可以通過計算其串聯(lián)的熱敏電阻來反應溫度值。OTP538U有四個引腳，分別為VCC、GND、V+、V，VCC為供電電壓，穩(wěn)壓為5V電壓，V+、V分別為輸出，由于此系統(tǒng)只要是測試人體溫度，人體溫度大于35度，故我們不需要負電壓顯示，因此將V接地，引腳特性為地，即與GND相連，只需將V+電壓放大即可。OTP538U是一個熱電堆傳感器，具116種熱電偶元素，傳感器芯片經由微細加工，可快速反應環(huán)境里的溫度改變，導致輸出端電壓響應。傳感器的特性如表23所示：表23 傳感器特性參數(shù)特性最小適中最大單位輸出mV靈敏度7085100V/W相對敏感度%/K敏感區(qū)域545μm熱敏電阻506580KΩ相對電阻%/K響應時間16ms噪聲283236nW/Hz1/2噪聲功率nW/Hz1/2溫度特性曲線在25℃~40℃線性關系相當好，這也是次設計選用此元件的一個重要原因。 按鍵部分人機交互對話最通用的方法就是通過鍵盤和LCD顯示進行的，操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。鍵盤模塊設計的好壞，直接關系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。按鍵接門可分為獨立式按鍵接口、行列式按鍵接口和專用芯片式等。行列式按鍵接口適應于按鍵數(shù)量較多，這種方式的按鍵接口由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。這種方式的優(yōu)點就是相對于獨立接口方式可以節(jié)省很多I/O資源；專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善，芯片本身能完成對按鍵的編碼、掃描、消抖和重鍵等問題的處理，但成本較高；考慮到本設計中需要的按鍵不多，我采用了獨立式的接法，通過程序處理消抖，完成鍵盤的權值設置。，采用電平拉高方式，當有按鍵按下時有低電平送到單片機引腳。 本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)硬件所用到得主要元器件重要引腳的電器特性，以及部分重要電路。介紹了熱釋電紅外傳感器原理，并詳細介紹了個部分重要電路的連接情況。第3章 系統(tǒng)軟件設計 使用環(huán)境簡介IAR Systems是全球領先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務的供應商。公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的產品和服務涉及到嵌入式系統(tǒng)的設計、開發(fā)和測試的每一個階段，包括：帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。國內普及的MSP430開發(fā)軟件種內不多，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430(簡稱為EW430)和AQ430。目前IAR的用戶居多。IAR EW430軟件提供了工程管理，程序編輯，代碼下載，調試等所有功能。并且軟件界面和操作方法與IAR EW for ARM等開發(fā)軟件一致。因此，學會了IAR EW430，就可以很順利地過渡到另一種新處理器的開發(fā)工作。一般工程創(chuàng)建步驟為：選擇主菜單的File NewWorkspace命令，然后開啟一個空白工作區(qū)窗口，選擇主菜單ProjectCreate New Project，彈出生成新項目窗口中我們選擇Empty project，點擊OK，選擇保存路徑后，點擊保存，至此新工程建立完畢。加入文件，可以建立一個空白的文件，寫好代碼后，選擇主菜單的File Save命，文件名自己起，但后面一定要加“.C”。右擊工程名，將寫好的程序添加進去AddAdd Files，對于剛存好的程序，也可以用AddAdd“”添加入工程。如果工程很龐大，需要添加的文件很多?？梢杂肁ddAdd Group，加入新的組，將加入的文件分組管理。 編程語言的選擇常用的編程語言有兩種：一種是匯編語言，另一種是C語言。和多數(shù)單片機一樣。MSP430除了能支持匯編語言，MSP430的開發(fā)環(huán)境還支持C語言，提供了C函數(shù)庫，并支持C和匯編函數(shù)的相互調用。極大的方便的開發(fā)者對開發(fā)環(huán)境的使用。匯編語言的機器代碼生成效率很高，但是可讀性并不強，復雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當，但可讀性和可移植性卻遠遠超過了匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高實效性的代碼編寫問題。對于開發(fā)周期來說，C語言的開發(fā)周期通常小于匯編語言很多。C語言是一種結構化語言。它層次清晰，便于按模塊化方式組織程序，易于調試和維護，這種語言的表現(xiàn)能力和處理能力極強，它不僅具有豐富的運算符和數(shù)據(jù)類型，便于實現(xiàn)各類復雜的數(shù)據(jù)結構。它還可以直接訪問內存的物理地址，進行位一級的操作。C語言的模塊化開發(fā)方式使開發(fā)出來的程序模塊可不經修改，直接被其他項目所用，這樣可以最大程度的實現(xiàn)資源共享。由于C語言實現(xiàn)了對硬件的編程操作，因此C語言集高級語言和低級語言的功能為一體，具有高效性，可移植性強等特點。綜合以上C語言的優(yōu)點，本文的設計選擇C語言對MSP430單片機進行軟件編程。由于在大學期間主要學習的編程也是在C語言的環(huán)境下編寫的，所以選用此語言能更快上手，給自己的的編程帶來方便。 主程序設計系統(tǒng)的主程序設計主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級設定以及判斷調用各模塊程序，即主要實現(xiàn)各程序模塊的連接。系統(tǒng)初始化主要包括單片機中寄存器、存儲單元的配置、單片機的I/O口設置、子系統(tǒng)初始化。程序的編寫必須有一個好的流程圖，這樣才能在編程的時候使思想清晰明了，因此在編寫程序之前制定了流程圖，如圖31所示，開始程序跳轉到主程序入口，檢測開機鍵，長按開機，后IO口初始化，顯示開機畫面，開機畫面顯示課題名稱，顯示作者，顯示開機畫面過程中打開AD采集，經過延時后跳轉到測試溫度畫面，經過算