MSP430F413超低功耗单片机的便携式温湿度

介绍了一种基于MSP430F系列超低功耗单片机的温湿度检则仪，详细阐明了温湿度检测原理、软硬件的设计与实现方法。该仪器充分利用单片机自身资源，具有小型便携、高性能、低功耗、可编程等优点，可广泛应用于诸多领域的湿温度一体化测量。

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1引言

温度、湿度是工农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。目前，随着经济的发展及生活环境的改善，在一些野外及流动性较大的场合（如农业温室、智能建筑等），传统的“温―阻”法和“湿―阻”法由于其体积大，操作不方便，消耗功率高（一般需加模拟风），已经很难适用。因此，新一代准确可靠、快速灵敏、可便携式温湿度检测仪的研制势在必行。

该文以智能建筑为应用背景，提出一种以MSP430F413超低功耗单片机为核心构成的温湿度仪，详细阐明了该仪器的检测原理、硬件结构、软件编制等相关技术，并指出它的一些特点和优势。

2检测原理

温湿度传感器是决定检测仪精度的关键器件，其选取的原则主要有测量范围、工作环境、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性及体积大小等。考虑以上因素和仪器的测量要求，设计采用Honey－well公司的薄膜铂电阻HEL－775测温，Humirel公司的高分子薄膜式湿敏电容HS1100作湿度测量［1］。

HEL－775的主要技术参数如下：测量范围－55℃～＋150℃、基本电阻1 000Ω（在0℃时）、测量精度好于±0．3℃、温度系数0．00375Ω／Ω／℃、互换性1 000Ω±1Ω（在0℃时）、满量程线性度±0．15％、响应时间10s（10ft／s空气中）、稳定性＜0．05℃／5a、自热系数3．0mW／℃。

HEL－775铂电阻元件的温度―电阻关系式［2］为：

式（2―1）中Rpt为待测温度T时的铂电阻值，R0为零度时的基本电阻值，a、b、c 是温度系数＝0．00375Ω／Ω／℃时的取值常数，其中c在0℃以上取值0。

HS1100湿敏电容具有不需校准的完全互换性，能瞬时退饱和，适用于线性电压输出和频率输出两＜5s，温度系数为0．04pF／℃，稳定性0．5％RH／a，可见性能是较高的。

使用中的HS1100湿敏电容参数值与湿度RH、频率f、温度T有关，其关系式如下：C即典型标称电容，a3、a2、a1、a0取值为常数。

上述式（2―1）～式（2―4）说明：温湿度仪的高精度测量，必须考虑传感器的非性线、频率和温度补偿及测量误差等问题，因此在布置印刷电路板时应尽量减少引线电阻和分布电

容以降低测量误差，在电路设计上要加线性化处理电路及温度补偿电路，或借助于单片机系统，由软件查表等方法进行处理、修正。如有可能可用标准仪器进行校准，以提高测量精度。

3硬件实现

检测仪的硬件主要由MSP430F单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源、JTAG接口等部分组成。由于单片机的硬件资源非常丰富，使得电路的加装器件很少，功耗极低且功能强大。具体硬件电路原理如图3―1所示。

3．1MSP430F单片机

单片机系统是检测仪的核心。相比于MCS51、MCS96及PIC等系列，TI公司的MSP430F 系列超低功耗单片机［3］有很大的优势。MSP430F系列单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。设计中采用MSP430F413，主要特点如下：

·工作电压低（1．8～3．6V），电流小（225μA／1MHz／活动模式），5种低功耗模式；

·16位RISC架构，27条精简指令，125ns指令周期；

·丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需6μs；

·片内看门狗及上电复位电路，XTAL或DCO可选时钟源；

·具有中断功能的比较器A（可用于16位斜率A／D转换）；

·双向并行I／O口P1～P6，多数口有复用功能，

·其中P1、P2设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断；

·带3个比较／捕获模块的16位定时器A，可产生定时脉冲，捕获外部事件，甚至支持以硬件方式实现串行UART通信；

·片内集成4×24段LCD液晶驱动器，其外部接线复用P2～P5口；

·JTAG接口或片内BOOTROM使程序下载调试极其简便。

特别的是MSP430F413不需加装存储器，片内自带256BRAM及在线可擦除编程8KB 主Flash＋256B信息Flash。其中主Flash分为每段512B的段0～15，信息Flash分为每段128B的段A、B，MSP430F413存储器可存放大型数表，有高效的查表处理方法。检测仪安排段0～6为程序代码区、段7～11存放校正和补偿表格、段12～15为用户采集数据保存区、段A＋B存放各类参数和LCD显示字型表。

使用于电路中，其它主要模块的功能分配为：16位定时器A的比较／捕获模块0实现485串行通信；比较／捕获模块1、2用于温湿度测量；比较器A作电池欠压监测；复用P2～P5口驱动LCD液晶显示；预留JTAG接口以方便用户对仪器更新升级。

3．2测量转换

16位定时器A的定时计数脉冲频率可高达8MHz，而且3个比较／捕获模块均可独立编程，工作于捕获模式时，能以中断方式快速捕获外部事件的发生时间。依据这一特点，设计了基于CMOS双时基电路ICM7556的最简高精度测量电路，并借助单片机软件来解决非线性校正和各类补偿问题。

ICM7556中的一个时基电路（脚1～7）与精密电容C1（取2 200pF）、铂电阻，另一个时基电路（脚8～13）与精密电阻R1（取680Ω）、湿敏电容组成二路自激多谐振荡器，二路温湿度输出脉冲经1、13脚送入单片机定时／捕获口TA1、TA2处理。脉冲周期随湿敏电容值CRH或铂电阻值Rpt而线性改变：

当湿度从0％～100％RH变化时，CRH＝200～162pF，TRH＝189～151μs；温度从－50℃～＋150℃变化时，Rpt＝808～1 558Ω，Tpt＝2 464～4 747μs。若以定时计数脉冲脉宽0．25μs分析，为保证采样精度，读取温度脉冲的1个周期宽度，分辨率达［150－（－50）］／［（4747－2464）／0．25］＝0．022℃，读取湿度脉冲的40个周期宽度，其分辨率达（100－0）／［40×（189－151）／0．25］＝0．017％RH。

为进一步降低功耗，减少铂电阻长期通电的自热、延长湿敏电容的使用寿命、避免温湿度输出脉冲的串扰，二路多谐振荡器设置为单独的启停可控，脚4、10通过单片机P1．7、P2．1分别加高电平时，有输出脉冲；加低电平复位时，铂电阻或湿敏电容上无电压，芯片仅流过60μA静态电流。

3．3键盘显示

设计将P6口和P1．4作8×1快速键盘。为读取按键值，首先设置P6为输出口，依次输出低电平，P1．4为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，由P1口中断及定时器A溢出中断服务程序，完成去抖动延时、按键互锁、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。

片内LCD驱动器可工作于静态及2～4多选背极4种模式，最多可驱动4×24＝96段液晶。图中R33、R23、R13、R03引脚设定液晶模拟偏置电压，提供驱动能力；S0～S23为段输出（每段3μA），COM0～COM3为公共输出，接LCD背极。对LCD的软件控制也极其简单，控制寄存器LCDCTL定义工作模式及电流消耗，12个8位显示存贮器LCDM1～LCDM12存放96段要显示的状态信息，每位对应1段，其内容由查显示字型表来获得。

通过键盘，仪器可选择“测量／通信”使用方式、“温度／湿度／温湿度循环”采集类型、可按键校时、设置参数、启动采集、存贮数据等。4×24段LCD显示屏可显示工作状态、时间、温湿度测量结果、超量程指示和电池欠电报警，从而大大方便了用户。

3．4串口通信

为了对采集到的温湿度进行深入处理，需将数据从检测仪送至计算机中。数据传输常用串行口，MSP430F413的定时器A有独特的以硬件方式实现UART的能力，CPU及软件的