【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(gè)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(shè)計(jì)中在電壓初始端全部加入電容或極性電容來(lái)，以防止電壓反向倒流擊穿電路中的器件。 負(fù)電轉(zhuǎn)換芯片TPS6040介紹以及電路設(shè)計(jì)芯片TPS6040可以將正電壓轉(zhuǎn)換為其對(duì)應(yīng)的負(fù)電壓，此設(shè)計(jì)主要是為放大器供負(fù)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(shí)現(xiàn)電壓的放大，故將接地端接入負(fù)電，正常工作。電路如圖24所示：圖24 負(fù)電轉(zhuǎn)換電路此電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)芯片資料中的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(zhǎng)電池壽命，因此適用于多種不同的便攜式電子產(chǎn)品，包括PDA、MP3播放機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、上網(wǎng)設(shè)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(shí)，若這兩種電源都處于開(kāi)啟狀態(tài)，則充電器芯片便會(huì)自動(dòng)選用預(yù)先設(shè)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(nèi)置了功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、電流傳感器、反向保護(hù)和熱能調(diào)節(jié)等電路，使電池獲得更可靠的保護(hù)。LM3658芯片在利用墻上插座的交流電為電池充電時(shí)，充電電流介于50mA與1000mA 之間，電流大小可以通過(guò)外置電阻加以設(shè)定。若利用USB電源為電池充電，用戶可通過(guò)引腳選擇100mA或500mA的充電電流。這款芯片會(huì)不斷控制終止充電電壓，%。，輸出電流可以高達(dá)1A，電流的實(shí)際大小可以通過(guò)外置電阻加以調(diào)節(jié)。此外，內(nèi)置的功率FET可以根據(jù)環(huán)境溫度自行調(diào)節(jié)操作速率，以確保芯片無(wú)論在任何溫度之下也能以最高的效率進(jìn)行充電。LM3658芯片設(shè)有5種操作模式，分別是預(yù)先設(shè)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(shè)有熱能調(diào)節(jié)與電池溫度測(cè)量等功能，以及多個(gè)安全計(jì)時(shí)器。此外，它也設(shè)有兩個(gè)漏極開(kāi)路輸出，以便啟動(dòng)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(shè)有多個(gè)防護(hù)裝置，其中包括LED狀態(tài)指示燈、安全計(jì)時(shí)器，以及不間斷監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)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(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管控制七個(gè)筆畫(huà)(段)的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗，這種筆畫(huà)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(jiǎn)單，使用方便。點(diǎn)陣式的發(fā)光顯示器，發(fā)光二極管排成一個(gè)NM(例如57)的矩陣，一個(gè)發(fā)光二極管控制點(diǎn)陣中的一個(gè)點(diǎn)，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(fù)雜。液晶顯示器(LCD)已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視及智能儀表中，它的主要優(yōu)點(diǎn)是功耗低、控制電壓低、集成電路容易控制。通過(guò)編程，可以清晰地顯示各種字符和漢字。LCD顯示器的缺點(diǎn)也是明顯的：其一，由于有機(jī)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(jī)大分子在紫外線照射下容易失效；其三，溫度高低對(duì)有機(jī)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(dú)的背光控制引腳。背光有單獨(dú)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(guān)鍵的一部分是溫度采集部分，因此，溫度的采集模塊的設(shè)計(jì)很重要，涉及到整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。選好溫度傳感器是系統(tǒng)成功的關(guān)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(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量其阻值推算出被測(cè)物體的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就就可以當(dāng)做溫度傳感器，熱敏電阻缺點(diǎn)是由于自身發(fā)熱導(dǎo)致阻值隨溫度變化成非線性。但它有其自己的優(yōu)點(diǎn)：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(yīng)具有良好的線性關(guān)系。電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快。材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低。模擬式溫度傳感器具有測(cè)量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號(hào)需要先經(jīng)過(guò)取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號(hào)交由微處理器或DSP處理。被測(cè)信號(hào)從敏感元件接收的非電物理量開(kāi)始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測(cè)試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。而且模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，容易受到電磁干擾而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。在多點(diǎn)溫濕度檢測(cè)的場(chǎng)合，各被測(cè)點(diǎn)到測(cè)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(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。數(shù)字式溫度傳感器能把被測(cè)模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設(shè)備(計(jì)算機(jī)，計(jì)數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等)相聯(lián)，用微控制器、DSP或計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理、濾波、壓縮。它的信號(hào)原則上不受放大器和信號(hào)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(cè)量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。但存在反應(yīng)速度較慢，溫度測(cè)量的范圍不寬的缺點(diǎn)。另一方面，數(shù)字式溫度傳感器在編程方面必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，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(dǎo)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(guò)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?yàn)樵?0℃~40℃之間非常接近線性關(guān)系。 紅外溫度傳感器原理自然界一切溫度高于絕對(duì)零度(℃)的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克(Plank)定律。紅外測(cè)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(cè)量的是物體的溫度，其實(shí)測(cè)的是目標(biāo)物與傳感器或者說(shuō)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(guān)，具體地說(shuō)，是與該物體熱力學(xué)溫度的4次方成正比．用公式可表達(dá)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(zhǎng)為9μm～10μm的紅外線，通過(guò)對(duì)人體自身輻射紅外能量的測(cè)量便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(cè)量人體表面溫度。紅外溫度傳感器利用熱電偶原理，測(cè)量目標(biāo)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(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)二個(gè)接觸端溫度不同時(shí)(TTo)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)E，其中T稱為熱端、工作端或測(cè)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(shì)的大小由接觸電勢(shì)(也叫伯爾貼電勢(shì))和溫差電勢(shì)(也叫湯姆遜電勢(shì))決定。 OTP538U工作原理和性能OTP538U是一個(gè)典型的TO46熱電堆傳感器。該傳感器是由浮動(dòng)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(yīng)。該傳感器芯片的制作是一個(gè)獨(dú)特的前表面微細(xì)加工技術(shù)，從而導(dǎo)致更小的尺寸和更快的反應(yīng)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(guò)計(jì)算其串聯(lián)的熱敏電阻來(lái)反應(yīng)溫度值。OTP538U有四個(gè)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(cè)試人體溫度，人體溫度大于35度，故我們不需要負(fù)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(gè)熱電堆傳感器，具116種熱電偶元素，傳感器芯片經(jīng)由微細(xì)加工，可快速反應(yīng)環(huán)境里的溫度改變，導(dǎo)致輸出端電壓響應(yīng)。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(duì)敏感度%/K敏感區(qū)域545μm熱敏電阻506580KΩ相對(duì)電阻%/K響應(yīng)時(shí)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(guān)系相當(dāng)好，這也是次設(shè)計(jì)選用此元件的一個(gè)重要原因。 按鍵部分人機(jī)交互對(duì)話最通用的方法就是通過(guò)鍵盤和LCD顯示進(jìn)行的，操作者通過(guò)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(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。按鍵接門可分為獨(dú)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(yīng)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(diǎn)上。這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是相對(duì)于獨(dú)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(duì)按鍵的編碼、掃描、消抖和重鍵等問(wèn)題的處理，但成本較高；考慮到本設(shè)計(jì)中需要的按鍵不多，我采用了獨(dú)立式的接法，通過(guò)程序處理消抖，完成鍵盤的權(quán)值設(shè)置。，采用電平拉高方式，當(dāng)有按鍵按下時(shí)有低電平送到單片機(jī)引腳。 本章小結(jié)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(xì)介紹了個(gè)部分重要電路的連接情況。第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 使用環(huán)境簡(jiǎn)介IAR Systems是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段，包括：帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開(kāi)發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。國(guó)內(nèi)普及的MSP430開(kāi)發(fā)軟件種內(nèi)不多，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430(簡(jiǎn)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(diào)試等所有功能。并且軟件界面和操作方法與IAR EW for ARM等開(kāi)發(fā)軟件一致。因此，學(xué)會(huì)了IAR EW430，就可以很順利地過(guò)渡到另一種新處理器的開(kāi)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(kāi)啟一個(gè)空白工作區(qū)窗口，選擇主菜單ProjectCreate New Project，彈出生成新項(xiàng)目窗口中我們選擇Empty project，點(diǎn)擊OK，選擇保存路徑后，點(diǎn)擊保存，至此新工程建立完畢。加入文件，可以建立一個(gè)空白的文件，寫(xiě)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(xiě)好的程序添加進(jìn)去AddAdd Files，對(duì)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(yǔ)言的選擇常用的編程語(yǔ)言有兩種：一種是匯編語(yǔ)言，另一種是C語(yǔ)言。和多數(shù)單片機(jī)一樣。MSP430除了能支持匯編語(yǔ)言，MSP430的開(kāi)發(fā)環(huán)境還支持C語(yǔ)言，提供了C函數(shù)庫(kù)，并支持C和匯編函數(shù)的相互調(diào)用。極大的方便的開(kāi)發(fā)者對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用。匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率很高，但是可讀性并不強(qiáng)，復(fù)雜一點(diǎn)的程序就更是難讀懂，而C語(yǔ)言在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成效率和匯編語(yǔ)言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了匯編語(yǔ)言，而且C語(yǔ)言還可以嵌入?yún)R編來(lái)解決高實(shí)效性的代碼編寫(xiě)問(wèn)題。對(duì)于開(kāi)發(fā)周期來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)周期通常小于匯編語(yǔ)言很多。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言。它層次清晰，便于按模塊化方式組織程序，易于調(diào)試和維護(hù)，這種語(yǔ)言的表現(xiàn)能力和處理能力極強(qiáng)，它不僅具有豐富的運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型，便于實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它還可以直接訪問(wèn)內(nèi)存的物理地址，進(jìn)行位一級(jí)的操作。C語(yǔ)言的模塊化開(kāi)發(fā)方式使開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序模塊可不經(jīng)修改，直接被其他項(xiàng)目所用，這樣可以最大程度的實(shí)現(xiàn)資源共享。由于C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件的編程操作，因此C語(yǔ)言集高級(jí)語(yǔ)言和低級(jí)語(yǔ)言的功能為一體，具有高效性，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。綜合以上C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，本文的設(shè)計(jì)選擇C語(yǔ)言對(duì)MSP430單片機(jī)進(jìn)行軟件編程。由于在大學(xué)期間主要學(xué)習(xí)的編程也是在C語(yǔ)言的環(huán)境下編寫(xiě)的，所以選用此語(yǔ)言能更快上手，給自己的的編程帶來(lái)方便。 主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各程序模塊的連接。系統(tǒng)初始化主要包括單片機(jī)中寄存器、存儲(chǔ)單元的配置、單片機(jī)的I/O口設(shè)置、子系統(tǒng)初始化。程序的編寫(xiě)必須有一個(gè)好的流程圖，這樣才能在編程的時(shí)候使思想清晰明了，因此在編寫(xiě)程序之前制定了流程圖，如圖31所示，開(kāi)始程序跳轉(zhuǎn)到主程序入口，檢測(cè)開(kāi)機(jī)鍵，長(zhǎng)按開(kāi)機(jī)，后IO口初始化，顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面，開(kāi)機(jī)畫(huà)面顯示課題名稱，顯示作者，顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面過(guò)程中打開(kāi)AD采集，經(jīng)過(guò)延時(shí)后跳轉(zhuǎn)到測(cè)試溫度畫(huà)面，經(jīng)過(guò)算