基于MSP430的電阻測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于MSP430的電阻測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于MSP430的電阻測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要 在儀器儀表應(yīng)用領(lǐng)域中,電阻測(cè)量是一個(gè)比較普遍的要求。本系統(tǒng)將介紹采用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)原理,以MSP430單片機(jī)芯片作為核心,用點(diǎn)陣式液晶顯示芯片LCD1602完成液晶顯示功能,增加了顯示的美觀性與直觀性;有電流源電路、放大器電路、跟隨器電路組成的恒流源作為電源為MSP430單片機(jī)提供穩(wěn)定的電流;在模擬信號(hào)采集和輸出模塊中運(yùn)用TI公司生產(chǎn)的PGA204可編程增益儀表放大器,使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高精度、微功耗以及微小型封裝的完美組合,對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行前置濾波放大,減小無用信號(hào)的干擾,提

2、高了穩(wěn)定性。 本系統(tǒng)的大部分功能通過軟件編程來實(shí)現(xiàn),LCD顯示功能,提供了友好的人機(jī)交互界面,能適合各種工作場(chǎng)合。關(guān)鍵詞:MSP430單片機(jī),1602芯片,PGA204芯片,電阻測(cè)量,恒流源 The Design of Resistance Measurement System based on MSP430ABSTRACT The instruments used in the field of resistance and the measurement is a more popular demand. this system will introduce the MSP430 mono

3、lithic integrated circuits for resistance measurement system. This design revivification theory to MSP430 monolithic integrated circuits, with a chip as a core four-three-three formation LCD display chip LCD1602 through liquid crystal display the functions, and visualization and display of current ;

4、 a circuit or circuit, an amplifier with the constant flow of electrical power source as for the supply of the current monolithic integrated circuits MSP430,The signal collecting and output of a module of the use of programmatic PGA204 gain appearance of an amplifier, the product of high precision,

5、a small package TDP and perfect combination of a signal, which filtering, less interference from no signal, and improves stability. The system of functional programming by software to implement and LCD display provides functionality and friendly man-machine interaction and interface to the workplace

6、. KEY WORDS: MSP430 monolithic integrated circuits,1602 chip,PGA204 chip,measurement of resistance,constant current source目 錄 前 言1第1章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案21.1 設(shè)計(jì)概要21.1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)21.1.2 系統(tǒng)的主要組成21.1.3 系統(tǒng)的總體電路框圖2第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)42.1 單片機(jī)系統(tǒng)42.1.1 MSP430結(jié)構(gòu)概述42.2.2 MSP430F14X系列單片機(jī)的介紹52.1.2 MSP430F14X系列的A/D轉(zhuǎn)換62.1.3 MSP430單片

7、機(jī)的最小系統(tǒng)電路72.2 恒流源部分92.2.1 電流源92.2.2 放大器92.2.3 跟隨器112.3 LCD顯示部分112.3.1 1602芯片簡(jiǎn)介112.3.2 顯示電路132.4 時(shí)鐘電路142.4.1 S-3530A芯片的特性142.5電源電路16第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)183.1 初始化程序設(shè)計(jì)183.1.1 端口初始化183.1.2 A/D初始化193.1.3 定時(shí)器A的初始化203.2 A/D采集程序213.3 顯示模塊流程圖223.4 測(cè)試程序24結(jié) 論29謝 辭30參考文獻(xiàn)31附 錄33外文資料翻譯37 前 言 在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中,我們經(jīng)常會(huì)遇到需要進(jìn)行電阻測(cè)量的場(chǎng)合,傳

8、統(tǒng)的方法是伏安法,這種方法需同時(shí)測(cè)電壓和電流,所以系統(tǒng)誤差較大。 眾所周知,在科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)高度發(fā)達(dá)的今天,智能測(cè)試儀器與儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展迅速,被測(cè)對(duì)象的跨度既廣泛又具有多樣性。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使儀器儀表的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階,傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備被智能化儀器所取代。智能化儀表的兩個(gè)主要的發(fā)展方向是大型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和便攜式低功耗智能儀表,電阻測(cè)量問題也就成為電路設(shè)計(jì)所需考慮的重要因素之一。在本文中,我將提出一種基于MSP430的通用型電阻測(cè)量?jī)x表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的電阻測(cè)量,應(yīng)用恒流源測(cè)電阻具有測(cè)量電路簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。與普通的電阻測(cè)量方法相比較:該測(cè)量?jī)x表的測(cè)試電流小

9、并加有多種保護(hù)電路,具有很高的安全性能。主要用于軍工、國(guó)防、民用爆破等行業(yè)的點(diǎn)火工品的低電阻的測(cè)量。 近年來隨著以計(jì)算機(jī)為軸心的各種各樣信息處理裝置的誕生,為適應(yīng)這種新形勢(shì),信息家電,網(wǎng)絡(luò)終端,廣播-通信等用途的LCD市場(chǎng)也將迅速擴(kuò)大,而且如今LCD發(fā)展方向不僅在于大屏幕,而且在中小屏幕方面,例如汽車導(dǎo)航系統(tǒng),攝像機(jī),數(shù)字式照相機(jī),便攜式電視,娛樂/游戲機(jī),攝影機(jī)等有著進(jìn)一步的發(fā)展。 由此可見LCD的應(yīng)用之廣泛,所以在電子產(chǎn)品作為主力軍的21世紀(jì)里用單片機(jī)控制液晶顯示器的電阻測(cè)量具有廣闊的發(fā)展前景。 第1章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 1.1 設(shè)計(jì)概要 通常,電阻測(cè)量在準(zhǔn)確度、分辨率、測(cè)量范圍上有很大

10、不同,且三者很難同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。為了克服傳統(tǒng)電阻測(cè)量的缺點(diǎn),本設(shè)計(jì)提出了一種優(yōu)化方法的電阻測(cè)量電路。有恒流源部分為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流,該部分包括電流源電路、放大器電路和跟隨器電路;LCD顯示電路、數(shù)字時(shí)鐘電路和單片機(jī)電路。 1.1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 1. 單片機(jī)的電阻測(cè)量,應(yīng)用恒流源提供的穩(wěn)定電流(電流已知)測(cè)電阻具有測(cè)量電路簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。 2. 通過MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道使模擬量數(shù)字化,測(cè)量電阻上的電壓1。 3. 有LCD液晶顯示部分可直接讀出電阻上的阻值,因此可得電阻值。 1.1.2 系統(tǒng)的主要組成 本系統(tǒng)主要包括電流源電路、放大器電路、跟隨器電路、單片機(jī)電路、LCD

11、液晶顯示電路以及時(shí)鐘電路。 1.1.3 系統(tǒng)的總體電路框圖 該系統(tǒng)的硬件電路由電流源電路、放大器電路、跟隨器電路、單片機(jī)電路、顯示電路和時(shí)鐘電路組成。圖1-1為系統(tǒng)的原理框圖。由圖1-1可以看出整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。時(shí)鐘電路記錄系統(tǒng)時(shí)間,顯示電路用來顯示正常測(cè)量時(shí)的電阻實(shí)時(shí)值。電源電路是任何一個(gè)測(cè)量電路所不可缺少的重要環(huán)節(jié),電源主要為整個(gè)電路提供可靠的電源,另外考慮到工作的需要有復(fù)位功能,因此也為系統(tǒng)提供了復(fù)位信號(hào),可以使系統(tǒng)再遇到故障時(shí)進(jìn)行復(fù)位2。 增益控制 A/D R 圖 1-1 系統(tǒng)原理框圖 第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2.1 單片機(jī)系統(tǒng) 2.1.1 MSP430結(jié)構(gòu)概述 MSP430

12、系列單片機(jī)是一個(gè)特別強(qiáng)的超低功耗性能的單片機(jī)品種。它適合應(yīng)用在各種要求極低功耗的場(chǎng)合,具有一定的技術(shù)特點(diǎn)。在這個(gè)系列中有多個(gè)型號(hào),它們由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。其中FLASH型芯片又可分為幾個(gè)分支,如11x,11x1,13x,14x等。它們都具有開發(fā)設(shè)備簡(jiǎn)便、可現(xiàn)場(chǎng)編程等特點(diǎn)。 MSP430系列采用存儲(chǔ)器?存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),即用一個(gè)公共的空間對(duì)全部功能模塊尋址,同時(shí)用精簡(jiǎn)的指令對(duì)全部功能模塊進(jìn)行操作。MSP430的CPU運(yùn)行正交的精簡(jiǎn)指令集,由16位ALUArithmetic and Logic Unit、指令控制邏輯和16個(gè)寄存器組成。寄存器中有4個(gè)具有特殊用途,即程序計(jì)數(shù)器RO

13、/PCRegister O/Program counter、堆棧指針RI/SPStack pointer、狀態(tài)寄存器和常數(shù)發(fā)生器R2/SR/CG 1Special Register/Constant Generator 1:R3/CG2。除了CGI和CG2,所有寄存器都可作為通用寄存器,用所有指令操作。常數(shù)發(fā)生器只用于指令執(zhí)行時(shí)提供常數(shù),但不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)3。對(duì)CG1: CG2訪問時(shí)的尋址模式可以區(qū)分所獲得的常數(shù)數(shù)值。PCprogram counter:SP和SR配合精簡(jiǎn)指令所實(shí)現(xiàn)的控制,可以使應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的尋址模式和軟件算法。對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問時(shí),對(duì)于程序代碼總是以字形式取得,而

14、對(duì)于數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)指令進(jìn)行訪問。每次訪問均需要16位數(shù)據(jù)總線MDB;即:Memory Data Bus和訪問當(dāng)前存儲(chǔ)器模塊所需的地址總線MAB,即:Memory Address Bus。 存儲(chǔ)模塊由內(nèi)部模塊允許信號(hào)自動(dòng)選中,這樣可以減少總的電流消耗。對(duì)于MSP430F系列,程序存儲(chǔ)器是FLASH的。在程序設(shè)計(jì)中,可以將數(shù)據(jù)安排在程序存儲(chǔ)器中,它們可以用字或字節(jié)指令方式訪問,因此可以實(shí)現(xiàn)查表處理等應(yīng)用。64 KB空間頂部的16 位0FFFF-OFFEO保留用作復(fù)位及中斷的向量地址。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM與程序存儲(chǔ)器相同,經(jīng)地址總線MAB和數(shù)據(jù)總線MDB與CPU相連。RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)可以以字或字節(jié)寬度

15、訪問。由于RAM與程序存儲(chǔ)器是經(jīng)過相同的地址總線和數(shù)據(jù)總線與CPU相連,因此程序代碼可以裝入RAM,也可以在RAM內(nèi)運(yùn)行。這給程序的調(diào)試提供了很大的方便。所有指令都有字節(jié)操作或字操作形式。但是,對(duì)堆棧和PC的操作是按字寬度進(jìn)行的,尋址時(shí)必須對(duì)準(zhǔn)偶地址4。 2.2.2 MSP430F14X系列單片機(jī)的介紹 該系列單片機(jī)主要有MSP430F147、MSP430F1471、MSP430F148、MSP430F1481、MSP430F149和MSP430F1491等幾種型號(hào)。該系列單片機(jī)主要有以下特點(diǎn)。 具有很低的供電電壓。單片機(jī)的供電電壓最低可以低到1.8V,單片機(jī)的供電電壓范圍是:1.8-3.6V

16、。 超低功耗。這是目前其他單片機(jī)沒有的特色。它在休眠的條件下工作的電流只有0.8uA,就是在2.2V、1MHz條件下工作電流只有280uA。 快速的喚醒時(shí)間。從休眠方式喚醒只需要6us。 快速的指令執(zhí)行時(shí)間。它采用的是16位的RISC結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行時(shí)間只需要150ns,是傳統(tǒng)單片機(jī)不能比擬的。 片內(nèi)有12位的A/D轉(zhuǎn)換器,片內(nèi)提供參考電壓。A/D轉(zhuǎn)換器具有采樣保持和自動(dòng)掃描特點(diǎn)。 16位的定時(shí)器帶有7個(gè)捕獲/比較寄存器。 片內(nèi)提供溫度傳感器。 具有靈活的時(shí)鐘設(shè)置。主要有以下幾種方式:32kHz的晶體方式、高頻率晶體方式、諧振器方式和外部時(shí)鐘源方式。這樣可以根據(jù)功耗要求和速度要求進(jìn)行靈活的時(shí)鐘設(shè)

17、置。 16位的定時(shí)器帶有3個(gè)捕獲/比較寄存器。 片內(nèi)提供模擬信號(hào)比較器。 串口通信模塊:USART0、USART1。兩個(gè)串口都可以通過軟件選擇設(shè)置成UART方式或者SPI方式,由于該系列單片機(jī)提供了兩個(gè)串口,因此能為用戶進(jìn)行多機(jī)通信設(shè)計(jì)提供方便。 片內(nèi)提供較多的存儲(chǔ)器,MSP430F147提供的片內(nèi)FLASH為32KB,MSP430F149提供的片內(nèi)FLASH為60KB,同時(shí)片內(nèi)還提供較多的RAM以便進(jìn)行運(yùn)算處理。 提供P1.0P6.0共6個(gè)數(shù)據(jù)端口,能為用戶提供更多的處理功能。在提供的外圍數(shù)據(jù)端口中,有兩個(gè)端口,能為用戶提供更多的處理功能5。在提供的外圍數(shù)據(jù)端口中,有兩個(gè)端口具有中斷功能,這

18、樣能豐富硬件系統(tǒng)的中斷資源,也為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)提供方便。 代碼保護(hù)功能。單片機(jī)的安全熔絲能對(duì)程序的代碼進(jìn)行保護(hù),從而可以對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)。 具有JTAG仿真調(diào)試接口,這樣非常便于軟件的調(diào)試。 為了對(duì)MSP430F14X系列有比較清楚的認(rèn)識(shí),在此特意介紹一下該系列單片機(jī)的各個(gè)管腳。圖2-1為該系列單片機(jī)的管腳圖。 圖2-1 MSP430F149單片機(jī)的管腳圖2.1.2 MSP430F14X系列的A/D轉(zhuǎn)換 在MSP430F1XX系列單片機(jī)中,有的型號(hào)的單片機(jī)(比如MSP430F13X和MSP430F14X)有ADC模塊,在該系列單片機(jī)里,ADC模塊為12位的ADC模塊,叫做ADC12。ADC1

19、2模塊支持快速的12位A/D轉(zhuǎn)換。ADC12模塊應(yīng)用了12位的SAR核、采樣選擇控制、參與產(chǎn)生和16位的轉(zhuǎn)換控制緩沖區(qū)。轉(zhuǎn)換控制緩沖區(qū)可以支持多達(dá)16個(gè)ADC采樣轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)。ADC12模塊主要有以下特點(diǎn)6。采樣速度快。在采樣周期可以編程的情況下,采樣保持的時(shí)間可以由軟件或者定時(shí)器控制。轉(zhuǎn)換開始可以由軟件、定時(shí)器A和定時(shí)器B實(shí)現(xiàn)。片內(nèi)參考電壓的產(chǎn)生可以由軟件編程選擇,也可以由軟件選擇內(nèi)部參考還是外部參考。每個(gè)信道可以單獨(dú)選擇正極性或者負(fù)極性的參考源?？梢赃x擇的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源。具有單通道單次轉(zhuǎn)換、單通道多次轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換和序列通道多次轉(zhuǎn)換4種轉(zhuǎn)換模式。ADC轉(zhuǎn)換核和參考電壓能夠單獨(dú)關(guān)斷以節(jié)省功耗

20、。具有中斷失量寄存器,這樣可以快速解碼ADC的各個(gè)不同中斷。16位的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)寄存器。2.1.3 MSP430單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)電路作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,將處理的結(jié)果采用某種方式表示出來,比如顯示或者報(bào)警7。圖2-2為單片機(jī)電路。 圖2-2 MSP430F149的接口電路 通過圖2-2可以看出,單片機(jī)的接口電路非常簡(jiǎn)單,分別采用單片機(jī)的一般I/O口實(shí)現(xiàn)與其他電路的接口,在單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)上與其他單片機(jī)有一定區(qū)別,MSP430F149單片機(jī)采用兩個(gè)時(shí)鐘輸入,一個(gè)32KHz的時(shí)鐘信號(hào),一個(gè)8MHz的時(shí)鐘信號(hào)。該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分都是采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)的?？紤]到電源的輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響

21、,在電源的管腳增加了一個(gè)0.1uF的電容來實(shí)現(xiàn),以減少輸入端受到的干擾8。另外單片機(jī)還有模擬電源的輸入端,因此在這里需要考慮干擾問題。在該系統(tǒng)中的干擾比較小,因此模擬地和數(shù)字地共地,模擬電源輸入端增加一個(gè)濾波電容以減少干擾。2.2 恒流源部分 本系統(tǒng)由恒流源提供穩(wěn)定的電流,而恒流源有電流源電路、放大器電路和跟隨器電路組成。 2.2.1 電流源 電流源電路采用美國(guó)的BURR-BROWN公司的REF200來實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)含有兩個(gè)100A的恒流源和一個(gè)鏡像電流源。該芯片的精度非常高,提供的電流精度為(100±0.5A,并且低溫度系數(shù)為±25ppm/0C。該芯片的使用非常簡(jiǎn)單,只要

22、在7管腳或8管腳加上2.5V40V之間的任何一個(gè)電壓,就可以在1管腳或2管腳上分別輸出100A電流9。如圖2-3具體的電路圖。 圖2-3 電流源電路 由圖2-3可以看出,該電路非常簡(jiǎn)單。由于該芯片能提供兩個(gè)100A的電流和一個(gè)鏡像電流,因此適當(dāng)修改電路還可以實(shí)現(xiàn)200A電流的輸出。在本系統(tǒng)中,只使用了一個(gè)100A的電流源。 2.2.2 放大器 在本系統(tǒng)中,由于電流源提供的電流為100A,因此需要進(jìn)行放大處理。考慮通過單片機(jī)控制放大器的增益,因此使用數(shù)字放大器。本系統(tǒng)中的數(shù)字放大器采用的是TI公司的PGA204芯片。PGA204芯片1、10、100和1000的可選增益,其輸入偏置電壓最大為50V

23、,輸入偏置電流最大為2nA,具有很高的共模抑制比(115dB,G1000時(shí)),適合作為測(cè)試儀精密的電壓放大電路。如圖2-4示為具體的放大電路。 圖2-4 放大電路圖 由2-4可以看出,電流源提供在電阻R501上的壓降為2mV,經(jīng)過PGA204適當(dāng)放大后在V0管腳輸出放大后的電壓。在設(shè)計(jì)電路時(shí),需要將反饋管腳FB與輸出管腳V0連接在一起。PGA204芯片的A0管腳和A1管腳控制PGA204的增益。該兩個(gè)管腳與單片機(jī)的一般I/O管腳進(jìn)行連接,通過單片機(jī)來選擇PGA204的增益10。表2-1為A0、A1管腳上輸入電平與增益的關(guān)系。 表2-1 PGA204的增益選擇A1的邏輯電平A0的邏輯電平增益00

24、1011010100111000 由表2-1可以看出,通過在A0管腳和A1管腳上輸入相應(yīng)的高電平或者低電平就可以獲得相應(yīng)的增益,使用起來非常方便。2.2.3 跟隨器 為了獲得穩(wěn)定的恒流源,在放大器電路后增加跟隨器電路。恒流源跟隨器電路選用TI公司生產(chǎn)的具有極低偏置電流1pA的精密運(yùn)算放大器OPA602來實(shí)現(xiàn)11。如圖2-5所示為具體的跟隨器電路圖。 圖2-5 跟隨器電路圖 在圖2-5中REF和FB分別是放大電路的參考輸入和輸出。由電流源電路、放大器電路和跟隨器電路組成了本系統(tǒng)的恒流源電路6。本恒流源電路提供GmA(G為放大電路的增益)的恒定電流12。當(dāng)G為1時(shí),本系統(tǒng)測(cè)量的最大電阻為3k(選用

25、模擬AVcc為3V)。 本系統(tǒng)的單片機(jī)電路很簡(jiǎn)單,只需要將待測(cè)電阻的一端與單片機(jī)的1路A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行連接,通過2個(gè)一般I/O管腳(P1.0和P1.1)與PGA204的A0和A1進(jìn)行連接。 2.3 LCD顯示部分 2.3.1 1602芯片簡(jiǎn)介 1602芯片:各個(gè)引腳的定義如表2-2所示。 表2-2 LCD的引腳定義引腳號(hào)引腳名電平輸入/輸出作用1Vss電源地2Vcc電源(+5V)3Vee對(duì)比調(diào)整電壓4RS0/1輸入0輸入指令1輸入數(shù)據(jù)5R/W0/1輸入0向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)1從LCD讀取信息6E1,10輸入使能信號(hào),1 時(shí)讀取信息,10(下降沿)執(zhí)行指令7DB00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Li

26、ne0(最低位)8DB10/1 輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line09DB20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line110DB30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line211DB40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line312DB50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line413DB60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line514DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線Line6最高位15A+VccLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負(fù)極 1602芯片主要用于顯示時(shí)間和定時(shí)時(shí)間。由點(diǎn)陣字符液晶顯示器件和專用的行、列驅(qū)動(dòng)器、控制及必要的鏈接件、結(jié)構(gòu)件組裝而成,可以顯示數(shù)字和西文字符,但不能顯示圖形,已經(jīng)可以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。 1602型LCD顯示

27、模塊具有體積小,功耗低,顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)。1602型LCD可以顯示2行16個(gè)字符,有8位數(shù)據(jù)總線D0D7和RS,R/W,EN三個(gè)控制端口,工作電壓為5V,MSP430F149有豐富的端口,共48個(gè)I/0數(shù)據(jù)口,本設(shè)計(jì)單片機(jī)通過P2和P5的部分口與顯示器進(jìn)行連接,其中P2.0P2.7與顯示器DB0DB7連接,做數(shù)據(jù)I/O口。P5.0,P5.1,P5.2連接顯示器的E, R/W, RS來控制1602并且具有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背光功能。 筆段式LCD顯示器:類似于LED數(shù)碼管顯示器。每個(gè)顯示器的段電極包括a, b, c, d, e, f, g七個(gè)筆劃(段)和一個(gè)背電極BP(或COM)?？梢燥@示數(shù)字和

28、簡(jiǎn)單的字符。 點(diǎn)陣式LCD顯示器:段電極與背電極呈正交帶狀分布,液晶位于正交的帶狀電極間。點(diǎn)陣式LCD的控制一般采用行掃描方式。 2.3.2 顯示電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二級(jí)管LED液晶顯示器和液晶LCD顯示。液晶顯示器簡(jiǎn)稱是利用液晶經(jīng)過處理后能夠改變光線傳輸方向的特性,達(dá)到顯示字符或者圖形的目的。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn),在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中有著日益廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用LCD1602作為顯示器 LCD顯示電路用于本系統(tǒng)的顯示實(shí)現(xiàn),由于MSP430FW14X單片機(jī)本身帶有LCD控制器,因此LCD實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單,只需要LCD模塊就可以實(shí)現(xiàn)。LCD16

29、02共有16個(gè)引腳,VSS為接地電源,VCC、Vee接+5V電源,RS為寄存器選擇,高電平時(shí),選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí),選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號(hào)線,高電平時(shí),進(jìn)行讀操作,低電平時(shí),進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí),可以寫入指令或者顯示地址,當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時(shí),可以讀忙信號(hào),當(dāng)RS為高電平、RW為低電平,可以寫入數(shù)據(jù)。E為使能端,A和K用于帶背光模塊,不帶背光的模塊,這兩個(gè)管腳懸空不接。DB0DB7為8位雙向數(shù)據(jù)線12。 如圖2-6所示為L(zhǎng)CD電路圖。 圖2-6 LCD液晶顯示電路 2.4 時(shí)鐘電路 S-3530A是一種支持I2C總線的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,它按照CPU

30、傳送來的數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)鐘和日歷。該芯片通過兩線式與CPU連接,并有兩個(gè)中斷/報(bào)警系統(tǒng),這樣可減少CPU的軟件工作。 當(dāng)振蕩電路工作于恒定電壓時(shí),該芯片功耗很小。芯片封裝形式有8腳DIP與8腳SSOP等封裝形式。時(shí)鐘電路主要由S-3530A芯片來實(shí)現(xiàn)。 2.4.1 S-3530A芯片的特性 S-3530A主要具有以下特性:? 低功耗:典型值0.7A。? 寬工作電壓:1.7V5.5V。? 年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的BCD碼輸入/輸出。? I2C總線接口。? 自動(dòng)日歷到2009包括閏年自動(dòng)換算功能)。? 內(nèi)置電源電壓檢測(cè)電路。? 內(nèi)置穩(wěn)壓電路。? 內(nèi)置上電/掉電檢測(cè)電路。? 內(nèi)置報(bào)警中斷(雙系統(tǒng))。

31、? 可設(shè)固定中斷頻率/事件。? 內(nèi)置32KHz石英晶體振蕩電路(內(nèi)部Cd外部Cg)。? 8個(gè)管腳DIP和8個(gè)管腳SSOP的封裝13。 為了便于進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì),下面給出芯片的管腳圖,如圖2-7所示。圖2-7 S-3530A管腳圖 由圖2-7所示可以看出,該芯片只有8個(gè)管腳,這樣使用起來方便,只需要簡(jiǎn)單的外圍電路即可,下面對(duì)具體的管腳進(jìn)行介紹。INT1 :報(bào)警中斷1輸出腳,根據(jù)中斷寄存器與狀態(tài)寄存器來設(shè)置其工作的模式。XIN:晶體連接腳(32768Hz.XOUT:晶體輸出管腳。GND:電源接地。INT2:報(bào)警中斷2輸出腳,根據(jù)中斷寄存器與狀態(tài)寄存器來設(shè)置其工作模式,當(dāng)定時(shí)到達(dá)時(shí),輸出低電平或時(shí)

32、鐘信號(hào)。它可通過重寫狀態(tài)寄存器來禁止。SCL:串行時(shí)鐘輸出腳,由于在SCL上升/下降沿處理信號(hào),要特別注意SCL信號(hào)的上升/下降的升降時(shí)間,應(yīng)嚴(yán)格遵守說明書。SDA:串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳,此管腳通常用1個(gè)電阻上拉至Vcc,并與其它漏極開路或集電器開路輸出的器件通過“線或”方式連接。Vcc:電源管腳。2.4.2 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路主要由S-3530A芯片來實(shí)現(xiàn)。S-3530A通過I2C與單片機(jī)進(jìn)行接口14。如圖2-8所示為具體的時(shí)鐘電路圖。 圖2-8 時(shí)鐘電路 由圖2-8可以看出該電路的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單。由32KHz晶體、20pF電容和10pF電容構(gòu)成時(shí)鐘電路的振蕩部分,這里電容的值必須嚴(yán)格一致才能保

33、證時(shí)間的精度。因此XIN管腳必須接20pF的電容來代替,晶體振蕩器采用32768Hz的晶體。 2.5電源電路 該硬件系統(tǒng)的電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn),該芯片是一個(gè)降壓芯片,由于整個(gè)系統(tǒng)采用3.3V供電,考慮到硬件系統(tǒng)對(duì)電源要求具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點(diǎn),另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn),因此該芯片能很好滿足該硬件系統(tǒng)的要求。電源電路具體如圖2-9所示。 為了使使輸出電源的波紋小,在輸出部分用了一個(gè)2.2uF和0.1uF的電容,另外在芯片的輸入端放置一個(gè)0.1uF的濾波電容,減小輸入端受到的干擾。 在使用時(shí)應(yīng)該盡可能地選擇最低的電源電壓。對(duì)于MSP430而言,可用的最低電壓

34、是很低的,最低可達(dá)1.8V。我們使用TI公司推薦使用的3V。通常的電源只提供5V電壓,因此,需要將5V電壓由一個(gè)3V的穩(wěn)壓管降壓后給CPU供電,也可以直接鋰電池供電。3V不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平,因此,在使用時(shí)需要用接口電路使CPU的非TTL標(biāo)準(zhǔn)電平能與TTL標(biāo)準(zhǔn)電平的器件連接。這些接口電路應(yīng)該也是低功耗的,否則會(huì)造成一方面使用低電壓降低了功耗,另一個(gè)方面使用額外的接口電路又增加了系統(tǒng)的功耗。或者直接使用支持3V電壓的外圍芯片。 圖2-9 電源電路第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 初始化程序設(shè)計(jì) 初始化程序主要初始化端口,并設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換相應(yīng)的寄存器。下面為具體的程序。 3.1.1 端口初始化void

35、 Init_Portvoid/將P1、P2、P3、P4、P5、P6口的管腳設(shè)置為一般I/O端口 P2SEL0; P2SEL0; P3SEL0; P4SEL0; P5SEL0; P6SEL0; /設(shè)置管腳為輸入管腳 P1DIR0; P2DIR0; P3DIR0; P4DIR0; P5DIR0; P6DIR0; /設(shè)置P1.0、P1.1和P1.3為輸出管腳 P1DIR |BIT0; P1DIR |BIT1; P1DIR |BIT3; /將中斷寄存器清零 P1IE0; P1IES0; P1IFG0; /管腳START使能中斷 P1IE |BIT2; /對(duì)應(yīng)的管腳由高到底電平跳變,并使相應(yīng)的標(biāo)志置位

36、P1IESBIT2; return; 上面的程序是對(duì)所有的端口都進(jìn)行初始化,并設(shè)置P1.0和P1.1為輸出管腳,用來與PGA204的A0管腳和A1管腳進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)增益的選擇。P1.3用來控制LCD的顯示,P1.2用來進(jìn)行按鍵的處理,如果按下按鍵,則開始測(cè)量處理。 3.1.2 A/D初始化 A/D初始化程序主要設(shè)置A/D的相應(yīng)參數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換有單通道單次轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換、序列通道多次轉(zhuǎn)換等幾種方式12。本系統(tǒng)采用的是單通道單次轉(zhuǎn)換方式。下面為具體的A/D初始化程序。 void Init_ADCvoid /設(shè)置P6.0為模擬輸入通道 P6SEL0X01; /設(shè)置ENC為0,從而修改ADC1

37、2寄存器的值 ADC12CTL0 & ENC; /轉(zhuǎn)化的起始地址為:A/DCMEM0 ADC12CTL1 |CSTARTA DD_0; /設(shè)置參考電壓分別為AVss和Avcc,輸入通道為A0 ADC12MCTL0 INCH_0; ADC12CTL0 |ADC12ON; ADC12CTL0 |MSC; /轉(zhuǎn)換模式為:單通道、單次轉(zhuǎn)換 ADC12CTL1 |CONSEO_0; /時(shí)鐘源為SMCLK ADC12CTL1 |ADC12SSEL_1; /時(shí)鐘分頻為1 ADC12CTL1 |ADC12DIV_0; /采樣脈沖由所采用的定時(shí)器產(chǎn)生 ADC12CTL1 | SHP; /使能ADC轉(zhuǎn)換

38、ADC12CTL0 |ENC; return; 3.1.3 定時(shí)器A的初始化 在本系統(tǒng)中,采用定時(shí)器A來控制A/D轉(zhuǎn)換的控制,因此需要對(duì)定時(shí)器A進(jìn)行初始化設(shè)置,下面為具體的程序。 Void Init_timerAvoid TACTL TASSEL1 + TACLR; /選擇SMCLK,清除TAR TACTL + ID1; /1/8 SMCLK TACTL + ID0; /CCR0 中斷允許 CCTL0 CCIE; /時(shí)間間隔為250HZ CCR0 4000; /增計(jì)數(shù)模式 TACTL | MC0; Return; 3.2 A/D采集程序 A/D采集程序由定時(shí)器A來控制,即通過定時(shí)器A來確定A/

39、D轉(zhuǎn)換的頻率。通過前面介紹的關(guān)于定時(shí)器A的初始化程序可知:定時(shí)器工作模式為增計(jì)數(shù)模式,當(dāng)條件滿足時(shí),就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷,在中斷程序里就可以讀出A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。下面為定時(shí)器A的中斷服務(wù)程序。#if_VER_200 Interrupt TIMERA0_VECTOR void TimerA_ISRvoid#else#pragma vectorTIMERA0_VECTOR_interrupt voidTimerA_ISRvoid#endif int i; IfnStart 1 /關(guān)閉轉(zhuǎn)換 ADC12CTL0 & ENC; /讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果 ADC_BUFnADC_CountADC12MEM0;

40、 nADC_Count +1; IfnADC_Count32 /設(shè)置標(biāo)志 nADC_Flag1; nADC_Count0; /將數(shù)據(jù)倒向數(shù)據(jù)緩沖區(qū) fori0;i32;i+ ADC_BUF_TempiADC_BUFi; /開啟轉(zhuǎn)換 ADC12CTL0 |ENC+ADC12SC; 在上面的程序中,首先檢測(cè)“nStart”是否為“1”,如果為“1”則開始測(cè)量,在進(jìn)行測(cè)量時(shí),首先停止A/D轉(zhuǎn)換,然后讀出轉(zhuǎn)化結(jié)果,最后再開啟A/D轉(zhuǎn)換。在上面的程序中,通過全局變量和全局緩沖區(qū)與其他程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。3.3 顯示模塊流程圖 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器,簡(jiǎn)稱LED(Light Em

41、itting Diode);液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display);近幾年也有配置CRT顯示器的。液晶顯示器簡(jiǎn)稱是利用液晶經(jīng)過處理后能夠改變光線傳輸方向的特性,達(dá)到顯示字符或者圖形的目的液晶顯示器顯示功能強(qiáng)大,可現(xiàn)實(shí)各種字體的數(shù)字、圖象,還可以自定義顯示內(nèi)容,增加了顯示的美觀性與直觀性。最重要的是提供了友好的人機(jī)界面。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn),在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中有著日益廣泛的應(yīng)用。 顯示模塊流程如圖3-1所示: 圖3-1 顯示模塊流程圖3.4 測(cè)試程序 在本系統(tǒng)中,A/D采集的參考電源選擇的是AVcc,其電壓為3V,由于A/D采樣是12位,

42、因此每1位對(duì)應(yīng)的電壓為0.73mV。由于PGA204的增益是以10倍為基礎(chǔ)的,因此在測(cè)量的時(shí)候,首先將增益設(shè)置為1,當(dāng)測(cè)量得到的值小于407(對(duì)應(yīng)的電壓為0.3V)時(shí),增大增益,繼續(xù)測(cè)量,直到在增益合適的情況下得到測(cè)試結(jié)果。如圖3-2所示為測(cè)試程序的流程示意圖。 NO Yes NO Yes 下一次 圖3-2 測(cè)試程序流程圖 根據(jù)圖3-2所示的流程圖,下面給出具體的測(cè)試程序。int nStart;int nADC_Count;int nADC_Flag;int ADC_BUF_Temp32;int ADC_BUF32;Void mainvoidint i;int pBuf32;int sum;i

43、nt nTemp;float fVal;/關(guān)閉看門狗WDTCTL WDTPW + WDTHOLD;/關(guān)閉中斷_DINT;/變量初始化nADC_Count0;nADC_Flag0;nStart0;fVal0;/時(shí)鐘初始化Init_CLK;/端口初始化Init_Port;/定時(shí)器A初始化Init_TimerA;/循環(huán)處理for; /采集完成 IfnADC_Flag1 /清除標(biāo)志nADC_Flag0;/取出數(shù)據(jù)fori0;i32;i+ pBufiADC_BUF_Tempi; /取平均值,sum為測(cè)量的值 Sum0; forio;i32;i+ Sum +pBufi; Sum5; /判斷增益是否合適,4

44、07對(duì)應(yīng)0.3V Ifsum407 nTempgetGain; nTemp*10; setGainnTemp; else /測(cè)量結(jié)束nStart0;sum*3;fValfloatsum/4096;fVal*1000;nTempgetGain;/電阻值fVal/nTemp;/LCD顯示P1OUT |BIT3; 在上面的程序中,使用了“setGain”和“getGain”函數(shù),其程序分別如下。Void setGainunsigned int nValue/增益為1 IfnValue 1 P1OUT 0x00; /增益為10 IfnValue 10 P1OUT 0x00; P1OUT | BIT0;

45、 /增益為100 IfnValue 100 P1OUT 0x00; P1OUT | BIT1;/增益為1000IfnValue 1000 P1OUT 0x00; P1OUT | BIT0; P1OUT | BIT1; gain nValue; int getGainvoid return gain; 在上面的兩個(gè)函數(shù)中,“gain”為全局變量。在“setGain”函數(shù)中,主要給PGA204的A0和A1管腳上輸出相應(yīng)的高電平或者低電平,從而獲得相應(yīng)的增益。結(jié) 論 本文正是基于高精度電阻測(cè)量這種設(shè)計(jì)方向,以單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)制作一個(gè)符合指標(biāo)要求的電阻測(cè)量系統(tǒng)。在很多實(shí)際應(yīng)用中,只要對(duì)電阻測(cè)量系

46、統(tǒng)的程序和硬件電路加以一定的修改,便可以得到很實(shí)用的電阻測(cè)量系統(tǒng),從而應(yīng)用到實(shí)際工作與生產(chǎn)中去。本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的電阻測(cè)量系統(tǒng)充分利用了單片機(jī)的軟、硬件資源,本著簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)原則,不僅努力做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使之易于成本控制,而且在人機(jī)交互方面也力求界面更加友好。 在此文所敘的設(shè)計(jì)思想下制成的電阻測(cè)量系統(tǒng)盡管由于專業(yè)知識(shí)和環(huán)境設(shè)備等條件限制等因素沒有100%達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求,但在通過努力修改后已實(shí)現(xiàn)了一些基本功能,且具備一定的可靠性和實(shí)用性。 在用PROTEL畫硬件電路時(shí),要求合理布局,使電路圖看起來簡(jiǎn)明美觀。 本次使用單片機(jī)設(shè)計(jì)其實(shí)是一個(gè)軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)。但設(shè)計(jì)的思想是能用軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡量用

47、軟件實(shí)現(xiàn),則便于修改,也利于以后擴(kuò)展功能。 謝 辭 參考文獻(xiàn) 1秦龍.MSP430單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)典型實(shí)例M.北京:中國(guó)電力出版社,2005:76-78 2秦龍.MSP430常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例講解M.北京:電子工業(yè)出版,2008:102-103 3楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程(第二版)M.北京:高等教育出版社,1997:111-112 4余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M.北京:高等教育出版社,2006:87-88 5白雪冰,宋文龍.電阻測(cè)量方法的研究.自動(dòng)化儀表,2006:66-68 6顧曉鳴,陜?nèi)A平,肖登明.智能數(shù)字式絕緣電阻測(cè)量?jī)x的研制.電工技術(shù),2006:65-69 7楊明濤,侯

48、文,楊士義.一種電阻測(cè)量電路的優(yōu)化設(shè)計(jì).電子測(cè)量技術(shù),2009:90-92 8胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社,1996:45-47 9沙占友,王彥朋,孟志永.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,2003:78-79 10魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002:80-91 11胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003:76-78 12沙占友,王彥朋,孟志永.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,2003:56-58 13清源計(jì)算機(jī)工作室.Protel99SE原理圖與PCB及仿真M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:98-100 14黎小桃,劉祖明,周福鵬.Protel99SE入門與提高M(jìn).北京:電子工業(yè)出版社,2009:105-10715GB9078-1996, 工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)2008:111-116 16Clark D W. The memory system of a high performance personal computer. Xerox Pal