单片机研发入门:一款简单的温湿度仪表的软硬件设计

in #steempress3 years ago (edited)

温湿度在人们日常生活中应用非常广泛,因此,本文就简单地说明一下如何设计一款基本的温湿度测量仪。

硬件设计:

仪表的的硬件可分为八个部分。它们是:
【A】单片机控制器、
【B】传感器、
【C】频率型A/D、
【D】段码LCD、
【E】电源和复位、
【F】键盘、
【G】JTAG和引导接口、
【H】UART。
image.png
图一

描述:

【A】单片机控制器:
选择低压低功耗MCS,MSP430F413。

【B】传感器:
湿度传感器为电容性传感器,温度传感器为NTC热敏电阻。

【C】频率型A/D:
将被测信号转为频率信号,方便测量,见图2和图3。
image.png
图2

在图2中,使用555将C19(湿度传感器)的电容转换为约20kHz的频率,因为555振荡器的稳定性约为0.1%,为了提高测量精度,有一个参考通道C18(150P)。

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图3

图3的理论与图2相同,但在图3中,将NTC的电阻转换为25℃时约为50赫兹的频率,此外电路中还有一个外部传感器通道,用于测量其他温度。

【D】段码LCD:
LCD由MSP430F413内置的驱动模块驱动,驱动程序的能力为96段。显示内容由三个四位数的值和一些标志组成。

【E】电源和复位:
仪表由两个PCS AAA电池供电,因此所有电路的电源直接由两个PCS AAA电池供电。
当电池电压低于2.6V时,仪表将显示“电池电量低”。当电源电压低于1.8V时,仪表将复位。

【F】键盘:
小键盘上有六个键,分别是“开/关”、“保持”、“摄氏度/华氏度”、“重置”、“模式”和“mn/mx”。按键连接到p6,特别是“开/关”按键同时连接到p1,因为p6没有中断能力。

【G】JTAG和引导接口:
此接口主要用于调试和编程。

【H】UART:
UART在P1.0传输数据,并从P1.1接收数据。

电路中有一个4.000MHz的外部振荡器,它是TA的时钟源,因为XT1太慢,另一方面LCD驱动器需要这个慢的振荡器。见图4。
image.png
图4


软件设计:

该仪表的软件设计主要有八个模块,分别是:
main.c that primarily includes main( ), state_process( ) and so on.

measurement.c that measures the cycle of the oscillator generated from RH and Temp sensors circuits.

dataprocess.c that processes the original data from measure.c.

calibration.c that involves calibration( ) just as its name implies.

display.c that controls the contents of LCD.

info_flash.c that includes flashErase( ) and flashWriteInt( ).

newkeypad.c that scans the keypad and throws out pre_keycode properly.

uart9600.c that transmits RS232 data of RH and Temp one time per second.

描述:

main.c 模块:
其基本功能是初始化MSP430的所有外围设备、仪表硬件等,处理主回路,监控仪表状态。在主循环中有如下操作:

a)调用 dataprocess( ).

b)生成 key_code。from pre_keycode, pre_keycode must be transferred to key_code to ensure the key code is not variable in the whole loop especially in state_process( ), because pre_keycode is thrown out in interrupt of TA at any moment.

c)State_process( ) 检测状态,依照State_machine_chart控制流程

d)Communication( ) 利用uart传输温湿度测量值.

e)DisplayUpdate( ), 用于LCD显示。

State_machine_chart
image.png

measurement.c 模块:
将CCR0和CCR1设置为捕获模式,以测量相对湿度和温度的振荡器的周期。每一秒分为八个阶段,具体如下:

a)阶段0,开始测量外部湿度传感器和内部温度传感器。

b)第1阶段,结束对Rh传感器的测量,将Rh控制针交替到参考通道,并请求dataprocess.c进行计算。

c)第2阶段,开始测量参考电容器。

d)第3阶段,结束对基准电容器和温度传感器的测量,将相对湿度控制针切换到传感器通道,温度控制切换到基准通道,并请求dataprocess.c进行计算。

e)第4阶段,开始测量参考电阻,82.5K。

f)第5阶段,结束参考电阻测量,并将交流温度控制针连接到外部传感器通道,并请求dataprocess.c进行计算。

g)第6阶段,开始测量外部温度传感器。

h)第7阶段,结束外部温度传感器的测量,将温度控制针交替插入内部传感器通道,并请求dataprocess.c进行计算。

顺便说一下,在TA中断中处理所有计时器。

dataprocess.c 模块:
利用第7阶段测量值的原始数据,每秒计算各种数值。

a)内外温度计算:首先根据传感器和参考电阻的循环值得到传感器的电阻,然后查找温度传感器表(电阻与温度),得到最终的温度值。

b)Rh计算:首先根据传感器和参考电容的周期值得到传感器的电容,然后利用Rh传感器的经验公式计算Rh值,最后进行补偿得到Rh值。

c)计算dp和wbt。

calibration.c 模块:
整个校准有四个步骤,参见下面的图表。

a)32.8%校准,将Rh传感器放入氯化镁饱和盐溶液瓶中,等待半小时。

b)32.8%校准完成,暂时保存部分参数。

c)75.2%校准,将Rh传感器放入氯化钠饱和盐溶液瓶中,等待半小时。

d)75.2%校准完成,最后计算校准参数并保存到信息闪存中,直到现在整个校准确实完成。
image.png

display.c 模块:
显示内容分为两种类型,一种是图标,另一种是数字。

a)图标显示:
构造一个常量,其元素是显示项的代码,代码的高半部分表示LCDMEM的缓冲区编号,低半部分表示特定LCDMEM缓冲区的位编号。在dispupdate()中,根据仪表和标志的状态标识亮起和关闭的项目,然后调用dispitem()完成项目显示。

b)数字显示:
整个LCD上有三个数字,第一步处理数字缓冲区(tmpbuf[3]),根据状态,数字值为整数,因为转换成asc字符串比较方便,第二步调用dispint()实现数字显示,在dispint()中先将数字转换成asc字符串,然后显示每个asc字符。通过查找ascii[13]执行。

c)闪烁:
如果某些项目或数字需要闪烁,则要做的只是在每秒钟的前半部分显示它们,而不是在下半部分显示它们。

Info_flash.c 模块:
该模块中只有两个功能,即flash erase()和flash write uint(),第一个功能是擦除整个闪存段,第二个功能是写入一个uint到特定地址,请注意,从大小浮动的角度来看,由两个uint组合而成。

newkeypad.c 模块:
该模块的功能是每32.7675毫秒扫描一次键盘,得到按键的按键代码,按键扫描流程图如下图所示:
image.png

小键盘的计时分为两种状态和两个临界点,两种状态分别是静态(噪声定时器=0)和动态(噪声定时器!=0)状态,两个临界点是噪声定时器=4和噪声定时器=1。

当noise_timer=0时,根据key_timer得到短key_code、长key_code和多key_code。

当noise_timer=1时,判断此变化是由噪声引起的还是由正常操作引起的,如果以后得到释放短/长键的短键代码。

综上所述,键可以()将短键\代码、长键\代码、多键\代码和释放短键\代码用于任何按键,不管是单键还是复合键。

Uart9600.c 模块:
TA的CCR0用作软UART,这里波特率为9600,如果该UART将发送一个字节,则提前添加标记停止位和末尾的空格开始位,然后在每次中断中启用CCR0的中断,将CCR0增加一位时间,并根据发送的字节位设置或重置TX管脚。

UART的格式为:“hxx x.x%:txx.xc:txx.xclrcrlf”或“hxx.x%:txx.xf:txx.xflrcrlf”,在通信()中计算整个消息(tmpmsg[27]),然后逐字节发送。


作为仪表设计人员,类似的温湿度测量是最基本的要求。能够准确测量温湿度,说明对单片机内部的模块以及底层逻辑都比较清楚了,对硬件线路也有了比较直观的认识。然后通过人机界面等程序的编写,熟悉了编译器,烧录器的使用。

因此,这样的小项目作为入职新人的能力检测是非常有效的。如果你对电子研发有兴趣的话,可以自己尝试一下类似的项目,有什么问题,欢迎交流。


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