基于触摸式按键的温控器设计下位机单元设计.doc
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1、摘 要本课题核心微处理器主要采用MSP430F2274单片机,外围电路主要包括:温度采集模块,湿度采集模块,触摸式按键模块及液晶显示控制模块。湿度模块和温度模块将环境湿度与温度转换成模拟信号,CPU通过A/D将模拟信号转换为数字信号,读出湿度与温度值;CPU再通过液晶驱动器HT1621将湿度与温度值在液晶中显示。人机接口设立四个触摸按键分别为:调时,加,减,设置;触摸式按键主要采用电容式传感器;CPU通过测量电容式传感器充放电时间读出键值, CPU再对相应的键值做出响应。关键词:MSP430F2274;HT1621;触摸按键;温度采集模块;湿度采集模块英文摘要Abstract This top
2、ic core microprocessor mainly uses the MSP430F2274 monolithic integrated circuit, the peripheral circuit mainly includes: Temperature gathering module, humidity gathering module, touching type pressed key module and liquid crystal display control module. The humidity module and the temperature modul
3、e will transform the ambient humidity and the temperature the simulated signal, CPU the simulated signal will transform through A/D into the digital signal, the read-out humidity and the temperature value; CPU again demonstrated through liquid crystal driver HT1621 the humidity and the temperature v
4、alue in the liquid crystal. The man-machine connection sets up four touching pressed keys respectively is: The timing, Canada, reduces, establishment; The touching type pressed key mainly uses the electric capacity type sensor; CPU through the survey electric capacity type sensor charging and discha
5、rging time read-out key value, CPU makes the response again to the corresponding key value. key Words:MSP430F2274;HT1621;Touches the pressed key;Temperature gathering module;Humidity gathering moduleI目录目 录1 引言1 1.1 MSP430单片微处理器1 1.2 触摸式按键技术1 1.3 基于摸式按键的温控器2 1.3.1 什么是温控器2 1.3.2 方案比较2 1.3.3 温控器的设计2 1.
6、4 本章小结32 基于触摸式按键的温控器的总体设计42.1 本系统体系框图42.2 系统功能42.3 硬件以及驱动电路的设计开发42.3.1 16位TI430单片机 MSP430227452.3.2 底层硬件驱动52.4 本章小结 63 系统硬件设计7 3.1 触摸式按键的设计73.1.1 触摸式按键的原理73.1.2 硬件以及驱动电路的设计开发 83.1.3 硬件电路图 93.2 湿度、温度模块的设计103.2.1 湿度模块的总体设计103.2.2 温度模块的总体设计103.2.3 硬件以及驱动电路的设计开发103.2.4 湿度的标定113.2.5 温度的标定11 3.3 显示模块的设计11
7、 3.4 段式液晶驱动HT162112 3.4.1显示RAM13 3.4.2 SPI兼容接口13 3.4.3系统时钟134 系统软件设计144.1 软件开发环境介绍144.1.1 工程文件的建立144.1.2 源程序的加载 154.1.3 项目参数设置154.1.4 源程序下载 174.1.5 仿真调试174.2 软件流程图185 系统调试过程286 结论29致谢30参考文献31附录A 系统电路原理图32附录B 实物照片33附录C 程序清单34浙江工业大学之江学院毕业设计(论文)1 引 言近年来,特别是随着单片机技术的不断发展,国内外各种温控器层出不群,并广泛应用于国防、工业、家电中。人性化的
8、设计,给人们的生活带来了极大的便利,使人们的生活质量进一步提高。目前,简单的换风系统主要采用51系列的单片机实现,简单的单片机价格虽然便宜且易于操作,但片上资源不丰富,要做完整的系统还需添加各种硬件,性价比不高;功能强大的单片机价格又高且功耗较大,开发前景不大。本课题采用MSP430系列单片机,从攻耗、价格等方面看都具有较高的性价比。“基于触摸式按键的温控器”国内外尚无类似的产品,同时课题采用MSP430单片机属于超低功耗,高性能产品,也是适应如今能源短缺,开发节能产品的需要。1.1 MSP430单片微处理器 MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗,高性能产品,它具有处理
9、能力强,运行速度快,资源丰富,开发方便等优点。MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术,片内集成了多种功能模块,包括定时器,模拟比较器,多功能串行接口(SPI/IIC/UART),LCD驱动器,硬件乘法器,10/12位ADC,12位DAC,看门狗定时器(WDT),I/O端口,DMA控制器,210KB的RAM,以及丰富的中断功能。大部分MSP430系列单片机采用FLASH技术,支持在线编程,并有保密熔丝。自1999年以来,利尔达单片机技术有限公司和美国德州仪器公司合作开展MSP430在中国的推广,如今运用非常广泛。1.2 触摸式按键技术实现触摸按键的主要技术有表面声波、光学、电阻、感应电容
10、,通过检测变化来感知触摸。表面声波、光学成本较高,系统复杂;电阻需要传感器件来感知,通过触摸时的电阻变化感应;电容传感器件直接在PCB上实现,具有灵活的传感器件尺寸和形状,传感器件的成本就是PCB的成本。电容式传感器基本上可以分成三类:电场传感器、基于弛张振荡器的传感器以及电荷转移(QT)器件。电场传感器通常会产生数百kHz的正弦波,然后将这个信号加在电容一个极板的导电盘上,并检测另外一个导电盘上的信号电平。当用户的手机或另外的导体对象接触到两个盘的时候,接收器上的信号电平将改变。通过解调和滤波极板上的信号,可能获得一个直流电压,这个电压随电容的改变而变化;将这个电压施加在阈值检测器上,即可以
11、产生触摸/无触摸的信号。弛张振荡器使用了一个电极盘,其上的电极电容构成了锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过将恒定电流馈入到电极线,电极上的电压随时间线性增加。该电压提供给比较器一个输入,而比较器的输出连接到一个与电极电容并行连接的接地开关上。当电极电容充电到一个预先确定的阈值电压时,比较器改变状态,实现开关动作对定时电容放电,打开开关,这个动作将周期性的重复下去。其结果是,比较器的输出是脉冲串,其频率取决于总的定时电容的值。传感器根据不同的频率改变来报告触摸/无触摸状态。1.3 基于触摸式按键的温控器1.3.1 什么是温控器所谓温控器就是在无人操作的情况下系统可根据环境湿度、温度自动动作。用户
12、可通过按键设置温度或湿度值,当温度模块采集到的温度达到设定的温度时,CPU即通过I/O口触发继电器,从而使加热部件停止工作;当温度回降到设定的温度以下时,CPU又通过I/O口触发继电器,使加热部件继续工作,从而使温度稳定在某个值,达到设定温度的效果。当湿度模块采集到的湿度达到设定的湿度时,CPU即通过I/O口触发继电器,开启换风系统,避免无人居住时家具应湿度过高而被腐蚀。1.3.2 方案比较方案一:以普通的51系列单片机为核心,外围电路包括A/D芯片,电容式传感器QT1080,液晶模块,触摸按键及温度、湿度模块。优点:软件较为简单,易于操作。缺点:硬件电路复杂,价格较高。方案二:以C8051F
13、系列单片机为核心,外围电路包括电容式传感器QT1080,液晶模块,触摸按键及温度、湿度模块。优点:外围电路无须A/D芯片,简化硬件电路。缺点:C8051F系列单片机片内A/D较少且价格较高。方案三:以MSP430系列单片机为核心,外围电路包括液晶模块,触摸按键及温度、湿度模块。优点:外围电路相当简单,功耗低,节省成本。缺点:软件实现比较复杂。从性价比、功耗等方面考虑,本课题采用方案三。1.3.3 温控器的设计本课题核心微处理器主要采用MSP430F2274单片机,显示模块采用HT1621驱动段式LCD液晶,湿度模块采用BM-RH202湿度传感器,温度模块采用正温度系数热敏电阻器(PTC),触摸
14、按键主要通过CPU读取触摸盘电容传感器充放电时间实现,系统框图如下:图 1-1 系统框图1.4 本章小节随着单片机技术的不断发展,给人们的生活带来了极大的便利,使人们的生活质量进一步提高。同时能源却时时告急,只有高效率、低功耗的产品才能长期生存,为人类造福。MSP43O是Tl公司推出的16位单片机系列产品,在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压为1.8一3.6V,正常工作时功耗可控制在200uA左右,低功耗模式可实现2uA甚至0.1uA的低功耗。MSP430系列单片机作为性能优异的MCU在中国已经得到了广泛的应用。2基于触摸式按键的温控器的总体设计2.1 本系统体系框图图2-1系统
15、框图2.2 系统功能本课题核心微处理器主要采用MSP430F2274单片机,外围电路主要包括:温度采集模块,湿度采集模块,触摸式按键模块及液晶显示控制模块。湿度模块和温度模块将环境湿度与温度转换成模拟信号,CPU通过A/D将模拟信号转换为数字信号,读出湿度与温度值;CPU再通过液晶驱动器HT1621将湿度与温度值在液晶中显示。人机接口设立四个触摸按键分别为:调时,加,减,设置;触摸式按键主要采用电容式传感器;CPU通过测量电容式传感器充放电时间读出键值, CPU再对相应的键值做出响应。 2.3 硬件以及驱动电路的设计开发由于MSP430单片机的片上资源非常丰富,所以本课题的硬件电路相对简单。除
16、了必要的防静电、波纹及耦合电路外,有温度模块电路,触摸按键电路,湿度模块电路及通讯部分电路。2.3.1 16位TI430单片机 MSP430F2274本课题核心微处理器主要采用MSP430F2274单片机,MSP430F2274单片机结合TI的高性能模拟技术,片内集成了多种功能模块,包括16位定时器,模拟比较器,多功能串行接口(SPI/IIC/UART),硬件乘法器,10位ADC,看门狗定时器(WDT),I/O端口,DMA控制器,1 KB的RAM, 32KB FLASH存储器,支持在线编程,支持JTAG下载,并有保密熔丝,以及丰富的中断功能。如图2-2所示图2-2 MSP430F2274结构图
17、2.3.2 底层硬件驱动 由于液晶模块、湿度模块及温度模块需要5V供电,所以对CPU的供电采用5V转3.3V方式。采用的芯片是SPX1587AT,SPX1587AT可提供最大3A电流同时具有高稳定性。为匹配电压,采用共地方式;为稳定电压,5V输入口采用稳压加大电容方式,CPU供电输入端采用0.1UF防波纹,去耦合电容,如图2-2所示。图 2-3电源2.4 本章小结静电、浪涌、波纹及电压不稳往往会导致我们的CPU失常,为了有效防止静电、浪涌及波纹,避免造成不必要的损失,必须在输入端做相应的处理,防静、浪涌电主要采用压敏电阻;波纹主要采用电容滤波。3 系统硬件设计3.1触摸式按键的设计作为第二代按
18、键的触摸式按键已在各种电子器件中大规模应用,它具有制作方便,成本低,占用空间少等优点。随着电子设备的集成度越来越高,占用空间越来越少,触摸按键将无疑会取代常规的按键。3.1 .1 触摸式按键的原理本课题触摸传感器主要采用电容式原理。PCB上的两片铜箔构成电容,当有手指存在时,电容值会改变,MSP430可以检测电容的变化,确定有无手指的存在。如图3-1-1所示:图 3-1-1 触摸按键原理影响触摸按键的5大因素:按键、走线、接地层及铺铜、覆盖层、PCB的厚度。在设计中需要注意的几点:按键形状:交叉式按键可以减少按键之间的相互影响,但穿透覆盖层的能力较差。突出于周围接地层的专用大焊盘,可实现更大范
19、围的传感。按键尺寸:通常,在没有故意压下拇指的情况下,我们应让按钮的大小对应于手指的接触面积,按钮越大,灵敏度越高,为了能够通过较厚的覆盖层(大于2.5mm)实现良好传感,按钮的直径至少应为10mm。按键和接地层的间距:接地面和按键在于印制板的同一侧推荐采用0.5mm的间隙尺寸,可以很好地使电场穿透覆盖层。如图3-1-2所示: 图 3-1-2走线:PCB上连接PAD跟IC引脚的铜线,走线长度越短越好。走线的宽度会增加系统中铜覆盖的面积,从而提高传感器的电容值,同时也会增加与其他元件的耦合机会,最好采用0.16mm到0.2mm的线宽尺寸。走线的位置应尽可能减少与其他元件(如其他电容式传感走线)的
20、互感,不要接近或并行于高频通信线路,走线沿着PCB板的非传感器层连接至传感器。如图3-1-3所示:图3-1-3 走线电容变化值跟绝缘覆盖层厚度的关系如下图所示:(8mm*8mm PAD,1.5mm FR4 PCB)图3-1-4电容变化值跟绝缘覆盖层厚度的关系3.1.2 硬件以及驱动电路的设计开发MSP430实现触摸按键主要有两种方式:RO方式、RC方式。本课题采用RC方式。MSP430单片机的P1、P2口都具有中断能力,可用Timer_A实现电容放电时间检测。如下图所示: 图3-1-5用Timer_A实现电容放电时间检测3.1.3 硬件电路图本课题设立四个触摸按键分别为:调时,加,减,设置;触
21、摸式按键主要采用电容式传感器;CPU通过测量电容式传感器充放电时间读出键值, CPU再对相应的键值做出响应。如下图所示: 图3-1-6 触摸按键电路图3.2 湿度、湿度模块的总体设计现代自动控制的基本实现方法就是先把一些环境参数转换成模拟信号,再把模拟信号转换成数字信号送给CPU,CPU根据这些数字信号做出相应动作。温度、湿度模块的作用就是把环境参数转换为模拟信号。3.2.1湿度模块的总体设计本课题湿度模块采用BM-RH202湿度传感器,该传感器采用+5V供电,上电后根究不同的环境湿度输出不同的电压,输出电压范围为0-3V,刚好适合430单片机采样。而且该模块结构简单,使用方便,精度高,输出只
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