畢業(yè)設計（論文）-便攜式體溫檢測儀的設計.doc

安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文）便攜式體溫檢測儀的設計摘 要 隨著科學技術的發(fā)展，醫(yī)療水平也不斷提高，出現(xiàn)了各種醫(yī)學儀器。醫(yī)學儀器主要用于對人的疾病進行診斷和治療。醫(yī)用監(jiān)護儀是醫(yī)學儀器中不可缺少的一大類儀器，在醫(yī)院中起著越來越重要的作用。醫(yī)用監(jiān)護儀的主要作用是連續(xù)、實時的測量病人的生理參數(shù)。 本課題研究的便攜式體溫監(jiān)測儀可以實現(xiàn)體溫的實時測量，可以將測得的溫度顯示在液晶顯示屏上，也可以將測得的溫度傳輸給計算機，根據需要可以進步編寫軟件，由計算機繪制出患者在一定時間內的體溫波動曲線，以供醫(yī)護人員進一步分析患者的病情。配合不同的溫度傳感器，本系統(tǒng)可以測量患者不同部位的溫度。配合不同的溫度傳感器，本系統(tǒng)可以測量患者不同部位的溫度。而且本系統(tǒng)的體積小巧，能耗很低，可以由電池供電，長時間的工作。而且本系統(tǒng)的體積小巧，能耗很低，可以由電池供電，長時間的工作。本系統(tǒng)的核心是ti公司生產的新型低功耗單片機msp430f413。這種單片機特別適合于低功耗的場合，能夠使用電池長時間工作。而且msp430f413的價格相對較低。本系統(tǒng)主要由三大部分組成。第一部分是溫度采集部分。第二部分是液晶顯示部分。第三部分是串行通信部分。 關鍵詞:msp430；體溫監(jiān)測；液晶顯示；串行通信 portable temperature detector abstract with the development of technology,medical treatment level improved also,all kinds of medical instruments appeared.medical instruments are mostly used when diagnosing and therapy hominine illness.medical monitor is a sort of medical instruments,and it effects more andmore important function in hospital.the most important function ofmedical monitor is real time measuring patients physiology parameter. portal animal heat monitor in this article,can measure animal heat real time and show the temperature on lcd.it can transmit the temperature to pc.then pc can make the temperature curve to help the doctors to diagnose.by using different temperature sensor,it can measure animal heat at different part.the main part of this system is new type、low power mcu msp430 manufactured by ti company.this mcu is very suitable for ultra-low consumption situation,and it can work long time powered by battery.this msp430f413 has low price.this system consists of there parts.the first part is temperature measure part.the second part of the system is lcd display.the third part of the system is uart.key words:msp430；animal heat monitor；lcd display；uart引 言 體溫是臨床診斷各種疾病的重要依據。目前，臨床上測量體溫主要采用護士用水銀體溫計測量并記錄的方法。采用這種方法，醫(yī)護人員的工作量比較大，實時性差，還會增加醫(yī)護人員染病的可能性。本課題研究的便攜式體溫監(jiān)測儀，以新型的低功耗單片機msp430f413為核心，通過溫度傳感器測量患者的體溫，并可以將測得的體溫傳輸給pc，以供進一步分析和處理。該儀器的溫度測量部分，采用a/d轉換。通過測量熱敏電阻的阻值，將阻值和溫度對應，來測得溫度。液晶顯示部分通過msp430f413自帶的液晶驅動電路，使測得的溫度顯示在液晶屏上。串行通信部分，采用利用timer_a用軟件模擬串行通信的方法。這種方法的傳輸可靠性較高，對系統(tǒng)資源的占用較少。由于沒有采用硬件uart模塊，也大幅降低了系統(tǒng)的成本。 該儀器可以準確的測得患者的體溫，和pc相連還可以實時遠距離的監(jiān)測患者的體溫。通過進一步編寫計算機軟件還可以記錄體溫的變化，繪制體溫波動曲線等。 目錄第1章 緒論.11.1 便攜式體溫監(jiān)測的意義11.2 體溫監(jiān)測的發(fā)展及現(xiàn)狀11.3 系統(tǒng)的整體設計思路 2第2章 便攜式體溫監(jiān)測儀的硬件設計 32.1 msp430f413單片機簡介32.1.1 msp430f413基本模塊簡介 32.1.2 fet調試方法簡介42.2 體溫采集部分 52.2.1 紅外傳感原理 52.2.2 ztpl35sr的工作原理和性能 52.3 a/d轉換部分624 液晶顯示部分設計 72.4.1 lcd簡介 72.4.2 msp430f413液晶驅動方式72.5 串行通信部分硬件設計 112.6鍵盤電路的設計12第3章便攜式溫度監(jiān)測儀的軟件設計143.1 msp430開發(fā)環(huán)境簡介143.2主程序的設計153.3 a/d轉換部分軟件設計153.4液晶顯示部分軟件設計153.5串行通信部分軟件設計16結論與展望20致謝21參考文獻22附錄23 第1章 緒論1.1便攜式體溫監(jiān)測儀的意義 體溫是臨床醫(yī)護人員采集病史和資料過程中最重要的客觀指標之一，也是人們比較容易獲得的生理參數(shù)。體溫測量的準確性和及時性直接影響到疾病的診斷和治療。近年來，有關體溫的臨床研究也日漸增多，但目前大部分醫(yī)院對病人體溫的測量都是采用人工定時測量的方式，使用的測量工具仍是傳統(tǒng)的水銀體溫計。如每天護士定時到病房去測量每個病人的體溫，手工記錄并繪制體溫變化曲線，供醫(yī)生分析病人病情時參考。此項常規(guī)護理不僅耗費大量的人力，而且對測量結果進行匯總、查詢、分析比較繁雜，還有病人在出現(xiàn)特殊情況時由于不能及時反饋，可能會造成治療時機的延誤。另外對于傳染病患者，如sars患者，監(jiān)護人員與患者接觸，還會增加感染的幾率?？梢娺@種方式具有很大的局限性，因此需要一種既能夠監(jiān)護病人，又無需與其經常接觸的測量方式。便攜式體溫監(jiān)測儀正是為滿足這樣的需要而設計的，利用它可以對病人的體溫變化情況進行監(jiān)測而無需與病人經常接觸。 近年一些大型醫(yī)院引進了一些多功能監(jiān)護系統(tǒng)，能對人體的一些基本參數(shù)進行測量，比如測量血壓、心率、心電圖、血氧飽和度、呼吸、體溫等等。但這樣的系統(tǒng)體積相對比較大，便攜性較差，而且比較昂貴，醫(yī)院的采購費用和病人的使用費用都很高，一般只適用于危重病人。對于有些患者，不需要對上述指標進行實時的全面監(jiān)測，可能只需要對體溫等一些基本指標進行監(jiān)測，這時采用上述復雜的系統(tǒng)，無疑增加了大量不必要的開銷。本課題研究的便攜式體溫監(jiān)測儀以價格低廉、具有超低功耗的msp430系列單片機為核心，充分利用單片機外圍模塊的特性，通過軟件實現(xiàn)大部分功能，省去了專用的硬件模塊，大幅降低了儀器的成本。而且該監(jiān)測儀體積小巧，結構簡單，可由電池供電，患者可隨身攜帶，隨時監(jiān)測體溫的變化情況。 1.2體溫監(jiān)測的發(fā)展及現(xiàn)狀 臨床上最常用的體溫計是水銀體溫計。溫度計的發(fā)明是在1593年，發(fā)明者是意大利科學家伽里略(galileo)。1616至1636年間，與伽里略有學術交往的意大利科學家?？送欣锼?sanctorius,1561-1636)將溫度計的形狀做了改進，并首次在臨床用于測量病人體溫。真正使體溫計在臨床醫(yī)學中得到普遍應用的是英國醫(yī)學家奧爾伯(allbutt,t1c,18361925)，他于1866年自制了一個6英寸長的體溫計，該體溫計5分鐘內可測得最大值。不久他又將體溫計的長度縮短到了3英寸，這就是現(xiàn)代體溫計的原型。此后的100余年體溫計基本沒有多大的變化。近年隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型體溫計，如電子體溫計。電子體溫計的主要部件為溫度傳感器。溫度傳感器式電子體溫計較水銀體溫計更加快速準確。但溫傳感器式電子體溫計和水銀體溫計一樣都要和被測者相接觸，這樣可能會產生交叉?zhèn)魅?，這就要求測量前后要對體溫計進行消毒。還有一些非接觸式的體溫計，比如紅外體溫計、紅外熱像儀。紅外體溫計是通過測量耳朵鼓膜或者額頭的輻射亮度,非接觸地實現(xiàn)對人體溫度的測量。應用紅外鼓膜體溫計只需將探頭對準內耳道,按下測量按鈕,僅用幾秒鐘就可得到測量數(shù)據,非常適合急重病患者、老人、嬰幼兒等使用。紅外鼓膜體溫計用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線而不向人體發(fā)射任何射線，采用的是被動且非接觸的測量方式，因此紅外體溫計不會對人體產生輻射傷害。另外利用紅外熱像儀可以進行人群的體溫初篩。但其測量的準確程度不高，不能代替水銀體溫計供臨床使用，只適用于機場、車站、交通要道等大量人員進出場所發(fā)熱病人的篩選。1.3 系統(tǒng)的整體設計思路本系統(tǒng)是便攜式、低功耗的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。最基本人體的體溫，并將測得的體溫值顯示在液晶屏上。此外的溫度傳輸給pc，以供進一步處理。該系統(tǒng)由msp430溫度傳感器、液晶顯示屏等部分溫的測量、顯示和傳輸。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1-1所示。按鍵電路顯示電路pc機 單片機a/d轉換器溫度傳感器 圖1-1總體框圖 第2章 便攜式體溫監(jiān)測儀的硬件設計2.1 msp430f413單片機簡介2.1.1 msp430f413基本模塊簡介雖然目前在國內市場上應用較多的單片機仍然是8位單片機，但是由美國德州儀器(ti)公司推出的16位msp430系列單片機具有處理能力強、運行速度快、低功耗、指令簡單等優(yōu)點，并采用了jtag技術、flash在線編程技術、bootstrap等諸多先進技術，因此具有很高的性價比，在歐洲市場上已經得到了非常廣泛的應用。msp430系列單片機進入國內市場的時間不是很長，但是因其具有以上所述的卓越品質，剛一進入國內市場就被眾多電子工程師所青睞。msp430系列單片機是美國德州儀器公司(ti)近幾年開發(fā)的新一代單片機。該單片機在設計上打破常規(guī)，采用了全新的概念，其突出的優(yōu)點是低電源電壓、超低功耗、多種功能。由于其功能遠遠超過其它系列單片機，因而又稱之為混合型單片機。msp430系列單片機是真正單片化的微機，它的大部分外部資源都集成在單片機芯片內部。它整合了a/d轉換、硬件乘法器、硬件脈寬調制器(pwm)等功能，是一款高整合度的片上系統(tǒng)(soc，即system on chip)。這樣省去了大量的硬件開發(fā)調試工作，提高了工作效率，使系統(tǒng)先天的可靠性、抗十擾能力得到了顯著改善，而且進一步小型化和便攜化。其中的flash系列幾乎擁有現(xiàn)代追求個性化的用戶所需要的掉電后數(shù)據不丟失、快速的數(shù)據存取時間、電可擦除、容量大、在線可編程、足夠多的擦寫次數(shù)、價格低廉和高可靠性等所有優(yōu)點。 msp430系列單片機有多個型號，不同型號由一些基本功能模塊按照不同的應用目標組合而成。本系統(tǒng)采用的msp430f413帶有8kbflash; 256b ram;有48個i/o口;96段lcd驅動電路;16位看門狗定時器(wdt; 8位基本定時器(basic timerl); 1個16位定時器timeres a(帶有3個捕獲/比較寄存器);比較器a （comparatores a）;采用64pm封裝。 msp430f413內部沒有專用的a/d轉換芯片，可以通過斜率a/d轉換把模擬量轉換為數(shù)字量，這樣可以節(jié)約成本。msp430f413具有96段lcd驅動能力，無需額外的液晶驅動電路就可以驅動液晶顯示屏，這樣可以縮小系統(tǒng)的體積，使其具有更好的便攜性。msp430f 413也沒有通用串行同步/異步(usart)模塊，但可以在定時器模塊支持下，由用戶軟件控制，一位一位的將數(shù)據由端口發(fā)送出去或者接收進來，實現(xiàn)單片機與pc間的通信。 msp430系列單片機根據型號的不同最多可以使用3個振蕩器。使用者可以根據需要選擇合適的振蕩頻率，并可以在不需要時關閉其中一些振蕩器，以節(jié)省功耗。這3個振蕩器分別為: 1. dco數(shù)控rc振蕩器，位于芯片內部，不用時可以關閉。 2. lfxt 1可以接低頻振蕩器，典型的如32.768khz的鐘表振蕩器，此時振蕩器不需要接負載電容。lfxt 1也可以接450khz8mhz的標準晶體振蕩器，此時振蕩器需要接負載電容。 3. xt2接450khz8mhz的標準晶體振蕩器，此時振蕩器要接負載電容，不用時可以關閉。通常低頻振蕩器用來降低能量消耗，高頻振蕩器用來對事件做出快速反應或者供cpu進行大量運算。 上電后基礎時鐘模塊用dco時鐘產生系統(tǒng)時鐘mclk。不管應用對時鐘系統(tǒng)的要求如何，一旦完成全部初始化，軟件運行就由片內的dco來保證，用戶可以經過軟件配置來改用晶振時鐘。對于一個高可靠性的系統(tǒng)設計，晶體的選擇非常重要，尤其是設計帶有睡眠喚醒的系統(tǒng)。本系統(tǒng)的lfxt 1接頻率為32.768khz的晶振。在msp430f4xx系列中有增強型鎖相環(huán)fll+ o fll+可以通過硬件自動調整dco的頻率。單片機可以只接一個低頻晶振，通過鎖相環(huán)使dco輸出精確的高頻時鐘信號。本系統(tǒng)的mclk選用dco，通過鎖相環(huán)設置的頻率為2.1 mhz 。2.1.2 fet調試方法簡介msp430系列的flash型芯片，由于具有片內的flash型主存儲器和經jtag接口實現(xiàn)的各種調試功能，使其開發(fā)系統(tǒng)的結構和操作都非常簡單。該系列芯片可通過jtag控制器實現(xiàn)程序代碼的下載、運行控制和對現(xiàn)場進行觀察與修改，這種方法被稱為fet調試方法。jtag是一種所謂的邊界掃描技術標準，即ieee1149.1。這是為了在線測試的需要而發(fā)展起來的針對芯片及線路板測試的接口技術。它利用串行移位輸入及輸出的方式對芯片的輸入端加載特定的代碼序列，并獲得輸入端給出的響應序列。 用戶可以經過jtag接口實現(xiàn)cpu仿真調試功能。通過jtag接口可以控制msp430的運行、讀寫內部寄存器的值、刷新flash的內容。因此，將jtag電路集成到cpu內就相當于將仿真器集成到了cpu內部。整個調試過程，外只需要一臺能實現(xiàn)jtag接口控制功能的主機即可。一般用一臺pc，經過打印機接口就能實現(xiàn)。 jtag編程方式是在線編程，改變了傳統(tǒng)生產流程中先對芯片進行預編程再裝到板子上的方法，可以先把器件固定到電路板上，再用jtag對它編程，因而簡化了開發(fā)流程、大大加快了工程進度。通過下面的總結可以看出jtag編程方式的便利和高效率。 程序下載 當用戶將源程序(c語言或匯編語言)經語法檢查無誤并生成代碼時，就可以將程序代碼在embedded workbench的環(huán)境中下載到flash芯片中，而用戶的系統(tǒng)可以是在線狀態(tài)。 設置斷點用戶可以通過調試環(huán)境軟件的人機對話界面，在程序中設置斷點。視flash型的型號不同，可以同時設置2或者3個斷點。這些斷點是硬件斷點，它是經過jtag接口的傳輸，由芯片中的幾組斷點條件寄存器實現(xiàn)的。因此可以調試flash存儲器及ram中的程序，也不會改變用戶程序的運行條件。 現(xiàn)場觀察與修改 用戶可以通過調試環(huán)境軟件的人機會話界面，檢查或修改flash芯片內的各種存儲器、寄存器的數(shù)據。這些檢查或修改也是通過jtag接口的傳輸完成的.仿真器與計算機以及目標板的連接比較簡單。將仿真器的并口通過25pin電纜與計算機的并口連接，同時通過14pin的扁平電纜將仿真器的jtag插座與目標板相連。連接示意圖如圖2-2。pc 并口目標板jtag口 仿真器 圖2-2 pc，目標板與jatg仿真器的連接方式 jtag端口的定義如圖2-3所示。 根據圖2-3所示，將tdo、tdi、tms、tck、reset、vcc、gnd與單片機上的相應引腳連接即可。 圖2-3 jtag端口定義示意圖2.2體溫采集部分本文給出了應用ge公司的ztp135sr型紅外溫度傳感器進行的體溫計設計。2.2.1紅外傳感原理自然界一切溫度高于絕對零度(-27315)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：e=(t4-t4o) 式中，e是輻射出射度單位是wm3；是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，567x10-8w(m2k4)；是物體的輻射率：t是物體的溫度(k)；to是物體周圍的環(huán)境溫度(k)。人體主要輻射波長為9 m10 m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eab，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。2.3.2 ztpl35sr的工作原理和性能 芯片尺寸大小：18 mmxl8 mm； 光孔大小：14 mm x 14 mm； 電偶數(shù)：60對： 作用面積：o7 mmx07 ram； 內阻：60 kn30； 電阻溫度系數(shù)：012/； 敏感度：65 vw30； 噪聲電壓：32 nvrms(典型值)； 探測靈敏度：14e08 emhz(1/2)w(典型值)； 時間系數(shù)：25 ms(典型值)； 電熱堆作溫度補償：r=100 k，溫度為25(r公差為3)，=3960 (公 差為05)； 封裝型號：to-46； 工作溫度：-20100； 存貯溫度：-40120。2.3 a/d轉換部分msp430f413內部沒有集成a/d轉換模塊，可以利用a/d轉換芯片tlc549完成這一工作。其外部電路非常簡單，和單片機連接只需3個i/o口，如圖2-8所示。轉換過程如下: 圖2-4 a/d轉換部分利用三個數(shù)字i/o接口，msp430f413驅動tlc549 a/d轉換采用異步串行接口，在實際應用中，msp430f413的i/o管腳p2.0和p2.1用p2的方向寄存器(p2dir)配置為輸出，用p2的輸出寄存器(c p20ut提供相應位的輸出緩沖信息。p2.0管腳與tlc549的選片管腳cs相連，p2.1管腳與tlc549的輸入/輸出時鐘i/o clk相連。轉換數(shù)據從tlc549的數(shù)據輸出管腳do讀出，進入msp430f413的p2.3管腳。如上圖所示，msp430f413選擇了p2.0, p2.1, p2.3三個管腳，實際上任意一個管腳均能夠驅動tlc549。當cs為高電平時，do為高阻狀態(tài)。轉換開始之前，cs必須為低電平，以確保完成轉換，msp430f413在p2.1管腳上產生總計8個的時鐘脈沖應用于tlc549i/o clk管腳的輸入。當cs為低電平時，最先出現(xiàn)在do管腳的信號為轉換值得最高位。msp430f413通過p2.3管腳，從tlc549的do管腳連續(xù)移位讀取轉換數(shù)據進入adcdata寄存器。最初的四個脈沖的下降沿分別移出上一次轉換值的第6位、5位、4位、3位，其中第四個時鐘下降沿啟動采樣功能，采樣tl549模擬輸入信號的當前轉換值。后續(xù)三個時鐘脈沖輸送給i/o clk管腳，分別在下降沿把上一次轉換值的第2位、1位、0位轉換位移出。最終(第八個)時鐘脈沖的下降沿芯片，采樣/保持功能開始保持操作，保持操作持續(xù)到下一個第四時鐘的下降沿。轉換的周期由tlc549的內部振蕩器定時，不受外部時鐘的約束。一個轉換完成需要17us。在轉換過程中，cs給一個高電平，do回到高阻狀態(tài)。下一次轉換序列之前，至少延時17us否則tlc549的轉換代碼將被破壞。2.4液晶顯示部分設計2.4.1 lcd簡介 在單片機應用系統(tǒng)中，一般要有人機對話功能。人機對話包括人對系統(tǒng)的狀態(tài)干預、數(shù)據輸入以及系統(tǒng)向人報告狀態(tài)和運行結果等。顯示屏是人機對話的輸出設備，通過顯示屏可以顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及運行結果。液晶是介于液體和晶態(tài)固體之間的一種各向異性凝聚流體，它既不是液體也不是晶體。液晶既像液體那樣具有流動性，又像晶體那樣具有光學上的各向異性。從微觀結構看，液晶材料的分子形狀都是各向異性的，一般總是棒狀、板狀或圓盤狀，并且具有固有電矩，所以有極性。向列型液晶分子可以繞長軸轉動，或平移。沿長軸方向液晶是近乎透明的。當受到外電場的作用時，液晶會發(fā)生湍流，棒狀分子沿長軸方向的有序排列被打亂，而變成混濁狀。撤除電場后，分子長軸又重新平行排列起來，沿該方向又恢復透明。我們正是利用液晶的這種效應顯示圖像和字碼的。 lcd（liquid crystal display）液晶顯示屏是由不同部分組成的分層結構。顯示屏由兩塊玻璃板構成，其間由包含有液晶材料的均勻間隔隔開。液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板和反光膜。背光板是由熒光物質組成的可以反射光線。它的作用主要是提供均勻的背景光源。當lcd中的電極產生電場時，液晶分子就會產生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射，然后經過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。通過對不同部分液晶分子的控制，我們就可以在屏幕上顯示出所需的內容。 液晶屏一般分為段式和點陣式。段式液晶屏是由若干液晶段組成的，而點陣式液晶屏是由很多的液晶點所組成的。段式和點陣式的原理是一樣的，段式一般用于顯示數(shù)字或者固定的幾種圖案。點陣式中的點相當于段式中的段，由于點很多，則可以顯示復雜的內容。 2.4.2 msp430f413液晶驅動方式 在msp430系列單片機中,液晶驅動作為一個片內外圍模塊驅動才能在于msp430f4xx和mspx3xx等類型號的器件中,.msp430的器件上的液晶顯示器的控制/驅動將簡化液晶顯示器的顯示.而我所使用的msp430f413是有的. 對于液晶的驅動有4中方法: 1 ,靜態(tài); 2, 2mux 或1/2占空比,1/2偏壓; 3, 3mux 或1/3占空比,1/3偏壓; 4, 4mux 或1/4占空比, 1/4偏壓. 液晶本身不發(fā)光,其顯示是通過反射環(huán)境光線實現(xiàn)的,因此液晶本身的功耗是很低的.由于液晶的特性,液晶的器樂動需要交流信號,而直流驅動將損壞液晶.在驅動電路中,液晶可以等效為電容.兩個電極分別為公共極與段極.公共極由comn信號驅動,段極由segn信號驅動.對于液晶的驅動的4種方法.(1) 靜態(tài)驅動靜態(tài)驅動將只使用一個引腳作為液晶公共端com0,而每一段需要另一個引腳驅動,則總的液晶引腳數(shù)為 引腳數(shù)=1+段數(shù)(2) 2mux驅動2mux驅動方式將兩個引腳作為液晶公共端com0,com1,而每兩段需要另一個引腳驅動,則總的液晶引腳數(shù)為 引腳數(shù)=2+段數(shù)/2 (3) 3mux驅動3mux驅動方式將使用3個引腳作為液晶公共端com0,com1,com2,而每3段需要另一個引腳驅動,則總的液晶引腳數(shù)為 引腳數(shù)=3+段數(shù)/3 (4) 4mux驅動4mux驅動方式將使用4個引腳作為液晶公共端com0,com1,com2,com3,而每4段需要另一個引腳驅動,則總的液晶引腳數(shù)為 引腳數(shù)=4+段數(shù)/4 從表上述可以看出，對于確定的段極管腳數(shù)，選用4mux的方式可以驅動最多的液晶段。例如：msp430f413的段極管腳數(shù)是24個，采用靜態(tài)驅動方式可以驅動24段液晶段（24段極管腳1公共極=24段）；采用2mux方式可以驅動48段液晶段（24段極管腳2公共極=48段）；采用3mux方式可以驅動72段液晶段（24段極管腳3公共極=72段）；采用4mux方式可以驅動的液晶段數(shù)最多，為96段（24段極管腳4公共極=96段）。msp430系列單片機具有液晶驅動能力的型號中，專門開辟了一片存儲空間來存放要顯示的信息，稱為液晶顯示緩存，簡稱顯存26。顯存（lcdm1lcdm20）一共有20字節(jié)單元，地址為0x910xa4。如圖2-5所示。 圖2-5 顯存與msp430管腳對應關系 圖2-5所示是顯存與公共極管腳和段極管腳的對應關系。液晶顯存中每個字節(jié)的高4位可以看成是一組，低4位也可以看成是一組。每一組對應一個段極管腳（segment pin），每一組中的每一位又分別對應公共極com0com3。例如地址為0x91的字節(jié)的低4位對應段極管腳0（s0），這4位中的最低位到最高位分別對應com0、com1、com2、com3。液晶屏上的每一段都由一個公共信號和一個段信號控制，也就是說液晶屏上的每一段都與msp430的段極管腳和公共極管腳的組合相對應。msp430的段極管腳和公共極管腳的組合又與液晶顯存中的某一位對應。對液晶顯存中的相應位寫入1則對應的液晶段顯示；寫入0則對應的液晶段消失。 msp430有4種驅動方式，選用哪種驅動方式由需要驅動的液晶段數(shù)以及液晶屏的管腳和液晶屏內部電極的排布決定。本系統(tǒng)采用的液晶屏是大連東顯電子有限公司生產的eds812液晶顯示屏。該顯示屏可以顯示3位數(shù)字，有24個管腳，其中1個公共極管腳，23個段極管腳。由于該液晶屏只有1個公共極，所以只能采用靜態(tài)驅動方式。靜態(tài)驅動方式下，com0和所有的液晶段的一端相連，每個液晶另一端和段極管腳相連。段式液晶顯示屏通常顯示數(shù)字“8”，“8”段的定義如圖2-6所示，顯存與顯示段的對應關系如圖2-7所示。 圖2-6液晶段定義 圖2-7 靜態(tài)模式下顯存，液晶段，msp439管腳對應關系從圖2-7中可以看出，在靜態(tài)驅動模式下，只用到顯存中每個字節(jié)的第0位和第4位。如：地址為0x91的顯存的第0位對應著第一個“8”字的“a”段，第4位對應著第一個“8”字的“b”段。向0x91的第0位寫入1，則第一個“8”字的“a”段就會顯示出來；寫入0，則第一個“8字的“a”段就會消失。使用者可以根據圖2-7來確定液晶屏上顯示的內容和向顯存中寫入的數(shù)據的對應關系。 圖2-8 eds812的外形如圖本系統(tǒng)采用的eds812的外形如圖2-8所示。 eds812的管腳如表2-1所示。 表2-1 eds812的管腳pin123456789101112symcom1e1d1c1dp2e2d2c2dp3e3d3cpin131415161718192021222324sym3b3a3f3g2b2a2f2g1b1a1f1g msp430f413的引腳36（com0）和eds812的引腳1相連，引腳1235（s0s23）按照圖2-7和表2-2的對應關系連接。 液晶的偏壓設置。由于液晶驅動使用交流電壓，所以必須根據msp430的液晶驅動方式進行偏壓設置。在靜態(tài)模式下，r03接地，r13r33開路；2mux方式下，分別在r33、r13以及r13、r03之間接上10k的電阻，r03接地；3mux和4mux方式下，分別在r33、r23之間，r23、r13以及r13、r03之間接上10k的電阻，r03接地。在r03和地之間接上不同阻值的電阻可以改變液晶的對比度，r03直接接地相當于選擇了最高的對比度. 液晶驅動頻率設置。在msp430f4xx系列中有基本定時器（basictimer1），它的功能之一就是為液晶驅動模塊提供時鐘信號?；径〞r器的計數(shù)器分為兩個部分，分別由寄存器btcnt1和btcnt2控制。液晶模塊的時鐘信號是從btcnt1中引出的，而btcnt1的時鐘源只能是aclk。液晶驅動時鐘信號的頻率flcd可以對aclk進行32、64、128、256分頻得到。eds812的標準頻率為128hz，本系統(tǒng)的lfxt1接頻率為32.768khz的晶振，對aclk進行256分頻，可以得到合適的液晶驅動頻率flcd。 2.5 串行通信部分硬件設計本系統(tǒng)測得的溫度除了可以顯示外，還可以發(fā)送給pc，pc可以實現(xiàn)對接收到的溫度自動記錄，繪制出患者一天24小時（或者某一段時間范圍內）的體溫波動曲線；也可以比較不同日期，同一時間的體溫值以供醫(yī)護人員分析病情。單片機與pc之間可以通過串行口實現(xiàn)通信。pc串行口采用的eia-rs-232c標準的電平和邏輯關系與單片機的ttl電平和邏輯關系是不同的。rs-232c標準的邏輯電平對地是對稱的，邏輯“0”電平規(guī)定為+3v+15v之間，邏輯“1”電平為-3v15v之間，ttl電平的邏輯“1”和“0”分別為2.4v和0.4v。由于rs232c和ttl各自規(guī)定了自己的電氣標準，互不兼容，因此rs232c與ttl電路接口時需進行電平轉換36。rs-232c是美國電子工業(yè)協(xié)會eia（electronic industryassociation）制定的一種串行物理接口標準。rs232鏈路可以將通訊雙方在15米以內有效連接。rs-232c總線標準規(guī)定了21個信號和25個引腳，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道。完整的rs-232c接口采用標準的25芯插頭，對于一般的雙工通信，常用9芯插頭，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，最簡單的通訊方式只需3條引線，包括一條發(fā)送線、一條接收線和一條地線。 圖2-9 rs232轉換電路msp430系列單片機的串行通信有兩種實現(xiàn)方式：一種方式是利用硬件通用串行同步/異步模塊（usart），通過對一系列的寄存器設置后，由硬件自動實現(xiàn)數(shù)據的移入和移出；另一種方式是利用定時器模塊，由用戶軟件控制，將數(shù)據一位一位的移入和移出。本系統(tǒng)采用的msp430f413沒有硬件通用串行同步/異步模塊（usart）只能采用第二種方式。 2.6 鍵盤電路鍵盤是人機對話的輸入設備，通過鍵盤可以設置系統(tǒng)參數(shù)，控制系統(tǒng)運行。在單片機系統(tǒng)中，一般沒有現(xiàn)成的通用鍵盤，需要設計者根據需要自行設計。單片機應用系統(tǒng)的鍵盤分為非行列式鍵盤和行列式鍵盤。非行列式鍵盤的硬件電路和執(zhí)行軟件都比較簡單，消耗cpu資源少。但由于非行列式鍵盤的一個按鍵對應著單片機的一個i/o端口，所以只適用于按鍵較少的情況。本系統(tǒng)的按鍵較少，只有兩個。一個電源開關鍵，一個溫度測量鍵。所以本系統(tǒng)采用非行列式鍵盤。key 在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤中的按鍵是輕觸按鍵，它是通過開關狀態(tài)來實現(xiàn)其功能的。它的結構如圖2-10所示。ba 圖2-10鍵盤的單元電路 按鍵的基本結構由兩個電極和金屬彈簧片構成。當金屬彈簧片上的按鍵key按下時，電極a和b導通。在實際應用中，單片機的運行速度相對于操作者鍵的速度來說是非常快的，這樣就必須考慮按下按鍵前后的抖動問題。即在金屬片和a、b剛剛接觸和將要分開的時候，由于機械抖動，系統(tǒng)會認為產生了多次按鍵過程。抖動的消除方法一種是用硬件電路來實現(xiàn)抖動消除，另外一種是利用軟件延時來實現(xiàn)抖動消除。本系統(tǒng)是采用軟件延時來實現(xiàn)抖動消除的。利用軟件來消除抖動就是當系統(tǒng)檢測到有按鍵按下時，經過20ms再次檢測是否該按鍵被按下。如果檢測到該按鍵被按下，則表明該按鍵確實被按下，執(zhí)行該按鍵對應的功能；如果檢測到該按鍵沒有被按下，則表明該按鍵沒有被按下。鍵盤部分電路圖如圖2-11所示 圖2-11 鍵盤電路第3章便攜式溫度監(jiān)測儀的軟件設計 3.1 msp430開發(fā)環(huán)境簡介 本系統(tǒng)的功能主要是在程序的控制下完成的，軟件編寫是本系統(tǒng)的主要部分。單片機應用系統(tǒng)的軟件編寫可以使用匯編語言也可以使用c語言。匯編語言編譯效率高，占用硬件資源少，實時性強，但也有一些缺點，比如可移植能力差，對于相對復雜的一些程序，應用匯編語言工作量大、調試困難。c語言功能豐富，表達能力強，使用靈活方便，目標程序效率高，可移植性好，并且對硬件的控制能力高。c語言既有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的許多特點15，所以c語言在單片機的軟件開發(fā)中有著廣泛的應用。本系統(tǒng)的軟件部分就是采用c語言來編寫的。 本系統(tǒng)采用的開發(fā)環(huán)境為iar公司的集成開發(fā)環(huán)境:iarembedded workbench for msp430（簡稱為ew430）嵌入式工作平臺以及調試器c-spy。為了發(fā)揮msp430的優(yōu)點，ew430在iso/ansi標準語言規(guī)范上進行了擴展，用戶可以利用擴展部分編寫出效率更高、功能更強的程序，并且可以大大減小開發(fā)的工作量。ew430功能非常強大，它有如下基本特性。 （1）支持ansi c并包含對embedded c+的支持； （2）內建msp430特性擴展優(yōu)化； （3）代碼長度和速度有多級優(yōu)化； （4）支持32位和64位浮點數(shù)； （5）支持硬件乘法器； （6）內部函數(shù)支持低功耗模式； （7）支持c和匯編語言混合編程。 雙擊隨仿真器附帶的安裝文件既可以在windows系統(tǒng)下安裝iarembedded workbench，安裝之后雙擊iar embedded workbench圖標可以進入iar embedded workbench工作環(huán)境。要開發(fā)一個完整的軟件，其源文件通常會有多個，而且文件類型也有多種。為了便于使用和管理，將這些文件的集合稱為project。開發(fā)軟件的時候，首先要創(chuàng)建一個project，設置工程參數(shù)（主要是選擇和實際系統(tǒng)對應的單片機型號），然后才可以編譯和鏈接。高版本的iar embedded workbench除了創(chuàng)建project，還需要創(chuàng)建一個workspace。一個workspace包含若干個project，每個project又包含若干源文件。在iar embedded workbench中完成源程序的編輯后，點擊make進行文件編譯，如出現(xiàn)錯誤信息提示，用鼠標單擊任意一個錯誤信息提示，系統(tǒng)會自動指示有錯誤的語句行，方便使用者修改17。源文件通過編譯后，單擊debug按鈕可以進入c-spy調試環(huán)境。c-spy調試器可以工作在軟件模擬（simulation）方式下，也可以通過jtag接口與目標系統(tǒng)相連工作在仿真（emulation）方式下。通過jtag接口在線調試程序是msp430系列單片機的一大優(yōu)點，所以本課題采用仿真方式調試程序。在仿真方式下源文件通過編譯后，單擊debug按鈕就可以生成目標代碼并下載程序到目標系統(tǒng)的單片機中，如果下載正常就可以進入程序調試界面。在c-spy調試環(huán)境中，可以打開調試程序所需的若干窗口，如源程序窗口、寄存器窗口、觀察窗口、存儲器窗口、特殊功能寄存器窗口等；也可以設置程序執(zhí)行的不同模式，如單步模式、連續(xù)模式、斷點模式、執(zhí)行到光標處等運行模式。本系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化的設計思想。按照硬件設計的各個模塊，將軟件按照不同的功能分成多個程序模塊。各個模塊分別設計、編程、調試，再通過主程序和中斷處理程序將各程序模塊連接起來.3.2主程序的設計將系統(tǒng)初始化，然后按下按鍵，判斷按鍵是否按下，判斷按下的是哪個按鍵。 開始 初始化 按下按鍵判斷按鍵是否被按下？ 否是判斷按下的是哪個按鍵?跳轉到各個子程序 圖3-1主程序流程圖3.3a/d轉換部分軟件設計a/d轉換的模塊,整個例程需要60個字節(jié)，功能包括:關閉看門狗，設置堆棧指針，系統(tǒng)復位以后vo的初始化，子程序lvas 549被調用驅動8位轉換代碼順序進入adcdata寄存器，一個寄存器(r12)臨時用來計算字節(jié)的位數(shù)。3.4液晶顯示部分軟件設計液晶顯示程序的功能就是將要顯示的內容轉化成對應的字模后寫入顯存，從而在液晶屏上顯示出需要的內容。程序的結構圖如圖3-2所示。將顯存內容顯存初始化定時器，液晶驅動模塊 開始 3-2 液晶顯示程序流程圖3.5串行通信部分軟件設計串行通信是將數(shù)據的各個位一位一位地通過單一位寬的傳輸線按順序分時傳送，即通信雙方一次傳輸一個二進制位39。進行異步串行通信的雙方必須使用相同的通信格式。點對點的異步串行通信格式通常為：起始位+數(shù)據位+奇偶校驗位+停止位。起始為1位，數(shù)據位可以選擇7位或8位，一般選擇8位。奇偶校驗位為1位可以省略。停止位可以為1位或者2位。本系統(tǒng)采用的通信格式為：位起始位+8位數(shù)據位+1位停止位。起始位為低電平，停止位為高電平在通信過程中，通信雙方必須確定一定的通信速率。通信速率用波特率來表示。波特率是指單位時間內傳送的二進制數(shù)據的位數(shù)，以位/秒（bit/s）表示。本系統(tǒng)的波特率是用定時器定時產生中斷來實現(xiàn)的。根據定時器時鐘源的頻率和系統(tǒng)要求的波特率可以計算出每個數(shù)據位發(fā)送/接收所需要的時間間隔。計算公式如下： bittime為數(shù)據傳輸過程中每個數(shù)據位發(fā)送/接收所需的時間間隔；tclk為定時器的計數(shù)時鐘頻率；baud rate為系統(tǒng)所需的波特率。本系統(tǒng)定時器的計數(shù)時鐘頻率為32，768hz，波特率為1200bit/s。本系統(tǒng)的bittime為32768/1200=27.3發(fā)送/接收每個相鄰數(shù)據位的時鐘周期是27.3，發(fā)