基于msp430g2 231的電子秤設(shè)計柴劍

1、 MSP430G2 系列 Launchpad 開發(fā)板應(yīng)用實例作品基于 MSP430G2211 實現(xiàn)的電子秤設(shè)計柴劍德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)上海（西安電子科技大學(xué) MSP430 單片機聯(lián)合實驗室2011 年 12 月 第一章 作品概述3第一節(jié) 系統(tǒng)概述3第二節(jié) 器件概述41）MSP430G223142）AD62343）74LS485第二章 硬件設(shè)計6第一節(jié) MSP430G2/Launchpad6第二節(jié) 傳感器原理及選型71) 電阻式壓力應(yīng)變傳感器72) 懸臂梁式壓力傳感器73) 電橋式傳感器84）浙科 LDH001 型壓力傳感器9第三節(jié) 信號調(diào)理電路10器件 . 13第四節(jié)第五節(jié)PCB 設(shè)計13第六節(jié)

2、 硬件裝配說明14第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計15第一節(jié) 程序流程151） 初始化152） ADC 中斷163） 定時器中斷17第二節(jié) 子程序 API 介紹17第三節(jié) 調(diào)試與校準(zhǔn)18第四章 總結(jié)與思考19 第一章作品概述第一節(jié)系統(tǒng)概述本設(shè)計以 MSP430G2231 作為核心，由壓力傳感器和數(shù)碼管顯示器共同實現(xiàn)對物體質(zhì)量的測 量顯示功能，最小分辨率 1 克，系統(tǒng)框圖和各部分簡介如圖 1.1 所示。 圖 1.1 系統(tǒng)組成框圖1) 壓力傳感器：在直流激勵下，受到壓力形變，產(chǎn)生電壓信號。壓力信號以差分電壓的形式通過綠色（數(shù)據(jù)）和白色（數(shù)據(jù)地）連根引線與PCB 上的端子相連。 2) 信號調(diào)理電路：傳感器信號由

3、于幅度較小，噪音較大，不能直接由 AD 采集，經(jīng)過放大 （AD623）濾波電路，得到合適頻帶幅度的信號送往中央控制器(MSP430G2231) 。由接線端子上引入的數(shù)據(jù)+和數(shù)據(jù)地差分信號分別接儀表運放的正端輸入和負端輸入，在反饋電阻的作用下，實現(xiàn)高共模抑制的差分放大。后接 RC 濾波電路，將低頻可用信號取出，輸出至MSP430 的ADC10 模塊入口。 3) 中央控制器：由G2 的 AD 模塊通道 0 采集前級電壓信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，保存在CPU內(nèi)存中，然后通過統(tǒng)計算法和傳感器線性參數(shù)修正，得到被測壓力數(shù)值參數(shù)，再將這些數(shù)據(jù) 顯示電路 中央控制器 信號調(diào)理電路 壓力傳感器 發(fā)往 LED 顯示

4、電路。 4)顯示電路：由數(shù)碼管驅(qū)動芯片(74LS48)根據(jù) CPU 發(fā)來的顯示數(shù)據(jù)點亮LED，顯示出數(shù)值。 第二節(jié) 器件概述1）MSP430G2231MSP430 是美國德州儀器公司自 1996 推出以來一直主打的一個低功耗系列，包含 1 至 5 五個系列，每個系列都各自有各自的特點 ，適用于各種不同場合的不同應(yīng)用。其中最近 2 系列添新面孔G2 超值系列。本設(shè)計采用的 MSP430G2231 就是 MSP430 超低功耗系列中G2 超值子系列的一款 16 位處理器。 通過引入 MSP430G2xx3 系列，MSP430 超值系列繼續(xù)擴展了產(chǎn)品系列。由于具有低成本 和超低功耗，G2xx3 系列

5、適用于電容觸摸應(yīng)用，并可集成諸如 UART、SPI 和外設(shè)。 MSP430 G2xx3 系列與 8 位微處理器相比，具有絕對優(yōu)勢。 G2xx3 系列的主要特性包括： 1. 與其他 430 器件相同的超低功耗 2. 閃存高達 16KB 3.512B SRAMI2C等通信4. 通用串行通口 (USCI)5. 具有 3 個捕捉/比較寄存器的 2 個 16 位 Timer_A6.10 位 ADC、比較器外設(shè)選項 7. 啟用創(chuàng)新電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計的 IO 在此類應(yīng)用中可降低系統(tǒng)成本。 8. 提供 20/28 引腳 TSSOP、32 引腳 QFN 和 20 引腳 DIP 封裝本次設(shè)計采用的就是 DIP14

6、 的封裝（如圖 2.1 所示） 圖 1.2MSP430G2231DIP 引腳圖2）AD623AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V 到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。它允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到更好的靈活性。符合 8 引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置。在無外接電阻條件下，AD623 被設(shè)置為單增益（G=1）。在外接電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，增益最高可達 1000 倍。 AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于 CMRR 在高達 200HZ 時仍保持恒定。它有較寬的共模輸入范圍， 可以放

7、大具有低于地電平 150mv 共模電壓信號。它在雙電源（2.5 至 6V）仍能提供優(yōu)良性 能。低功耗，寬電源電壓范圍，滿電源幅度輸出，使 AD623 成為電池供電的理想選擇。在低電源電壓下工作時，滿電源幅度輸出級使動態(tài)范圍達最大。它可以取代分立的儀表放大器設(shè)計，且在最小的空間提供很好的線性度，溫度穩(wěn)定性很可靠性。 圖 1.3AD623 引腳圖3）74LS4874LS47 是一個 TTL 高電平數(shù)碼管驅(qū)動驅(qū)動緩沖器件?？梢詫?BCD 輸入數(shù)據(jù)在 LED 上顯示出來，當(dāng)BCD 輸入大于 9 時，將顯示一些特殊字符用以區(qū)別不同的輸入狀態(tài)?？梢杂?效的減少顯示電路對數(shù)碼管 IO 資源的占用，同時還增加

8、了一定的驅(qū)動能力。 圖 1.474LS47 引腳圖 第二章硬件設(shè)計第一節(jié)MSP430G2/Launchpad圖 2.1 MSP430G2 系列 Launchpad 開發(fā)板實物圖基于名為 Launch Pad ， MSP-EXP430G2 低成本實驗板是一款適用于 TI 最新 MSP430G2XXX 犀利產(chǎn)品的完整開發(fā)解決方案?；?USB 的集成型仿真器可提供全系列MSP430G2XX 器件開發(fā)應(yīng)用所必備的所有軟件、硬件。Lunch Pad 具有集成的 DIP 目標(biāo)插座，可支持多達 20 個引腳，從而使 MSP430Value Line 器件能夠輕松插入LaunchPad 實驗板電路。此外，其

9、還可支持板上 FLASH 仿真工具，以直接連接至 PC 輕松進行編程、調(diào)試和評估。LunchPad 實驗板還能夠?qū)?eZ430-RF2500T 目標(biāo)板、eZ430-Chronos 手表模塊或eZ430-F2012T/F2013T 目標(biāo)板進行編程。此外，他還提供了從 MSP430G2XX 器件到主機PC 或者相連目標(biāo)板的 9600 波特 UART 串聯(lián)連接。 MSP-EXP430G2 采用 IAR Embedded Workbench 集成開發(fā)環(huán)境或者Code Comeposer Studio 下編寫、下載、調(diào)試應(yīng)用。調(diào)試器是非侵入式的，這使用戶能夠借助可用的硬件斷點和單步操作全速運行應(yīng)用，而不

10、消耗其他硬件資源。 MSP-EXP430G2 LauchPad 特性 USB 調(diào)試與編程接口無驅(qū)動可安裝使用，具備 9600 波特率的UART 串行通信速度 支持所有采用DIP14 和DIP20 封裝的 MSP430G2XX 和 MSP430F20 器件 分別連接到綠光和紅光LED 的兩個通用數(shù)字I/O 引腳可以提供視覺反饋 兩個按鈕可以實現(xiàn)用回反饋和芯片復(fù)位 器件引腳可以通過插座引出，即可方便用于調(diào)試，也可用添加定制的擴展板 該質(zhì)量的 20 引腳DIP 插座，可以輕松的插入或者拔出目標(biāo)器件 第二節(jié) 傳感器原理及選型1)電阻式壓力應(yīng)變傳感器半導(dǎo)體或者金屬材料在收到外界壓力或拉力作用時發(fā)生機械形

11、變，導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化，這種因為形變造成的阻值變化稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。根據(jù)這一效應(yīng)制作的，以測量壓力為目的傳感器稱為電阻式應(yīng)變傳感器。 電阻應(yīng)變片種類繁多，但其基本構(gòu)造都是覆蓋層+敏感柵+基盤的模式（如圖 2.2），其中敏 感柵有引線接出，作為應(yīng)變片的輸出端子。 圖 2.2 電阻式壓力應(yīng)變結(jié)構(gòu)圖2)懸臂梁式壓力傳感器懸臂梁式壓力傳感器一端固定，一端加載，利用臂梁上應(yīng)變片拉伸的壓縮的變化而發(fā)生的應(yīng)變效應(yīng)，從而測得壓力的一種壓力傳感器。臂梁上方的應(yīng)變片 稱為工作片，當(dāng)臂梁受到正向壓力時該應(yīng)變片被拉伸。臂梁的的應(yīng)變片稱為補償片，當(dāng)臂梁受到正向壓力時該應(yīng)變片被擠壓。因為臂梁本身一般選擇剛性較好的材料，工

12、作片和補償片的形變引起的電阻變化大小正好等大反向，如果因為溫度、氣壓等環(huán)境因素造成應(yīng)變片靈敏度變化，兩個應(yīng)變片正反兩種變化剛好相互補償。當(dāng)然兩個應(yīng)變片一定要是同批次，特 性相同的。 3)電橋式傳感器對于電阻式傳感器，需要借助適當(dāng)?shù)碾娐?，將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓或者電流信號，以供后 續(xù)電路使用。最常用的辦法是惠斯頓電橋（如圖 2.3）。 圖 2.3 惠斯頓電橋 假定相等的 4 個電阻分為兩組，串聯(lián)構(gòu)成兩個電阻串，由于是等值電阻，因而兩電阻間的節(jié)點電壓是電阻串電壓的一半，V 上沒有變化。假如一個電阻值增長 1%，另一個電阻減小 1%，那么兩個電阻節(jié)點處的電壓將改動 1%。假如將兩個電阻串實行并聯(lián)，如

13、圖 1 所示， 右邊下方的電阻和左邊上方的電阻阻值均減小 1%，另外兩個電阻增長 1%，那么兩個“中” 點間的電壓將從零差值變?yōu)楦膭?2%。兩個并行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。其中涉及計算的步驟，已經(jīng)有無數(shù)前人予以證實，這里不庸贅述。但是，特別提出，這個電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的同時還能對信號予以 4 倍放大。由前例可以看出，R1 和 R4 阻值的增大、與R2、R3 的減小會增大 V 的示數(shù)。若將 R1、R4 固定在懸臂的工作面，R2、R3 固定在補償面，四個電阻阻值的變化就能全部轉(zhuǎn)化為電壓信號， 同時還能完成溫度補償?shù)墓δ堋D 2.4 懸臂梁式/電橋式受力示意圖4）浙科 LDH001

14、 型壓力傳感器工作原理：電阻式電橋式懸臂梁式圖 2.5 LDH001 型傳感器參數(shù)圖項目 數(shù)值 單位 額定負載 5kg輸出電壓 2.00mV/V供電電壓 215V遲滯性 0.02%F.S重復(fù)性 0.02%F.S零點平衡 2.00%F.S安全負載 150%工作溫度 -1040 圖 2.6傳感器實物及支架第三節(jié)信號調(diào)理電路圖 3.1信號調(diào)理部分原理圖P1 為傳感器信號線的正極和地接口。R3、R2 是反饋電阻，用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，反饋電阻和放大倍數(shù)的關(guān)系如圖 3.2，其中 R2 是一個電位器，用于校準(zhǔn) R3 本身的誤差。C3、C6作為濾波電容，濾除噪音。R4 和C7 構(gòu)成一個低通濾波器。 圖 3.2

15、AD623 反饋電阻阻值與放大倍數(shù)關(guān)系 由于電阻型傳感器對于供電紋波敏感，所以其輸出信號中存在明顯的 50Hz 類似正弦波，在干擾環(huán)境較強的時候，正弦波幅度大于 20mV，完全淹沒了傳感器的信號，必須信號調(diào)理，后級的低通濾波器可以濾除大部分的紋波，但是剩余 的干擾仍然對 AD 的采樣有很大地干擾，在單片機程序中還要通過數(shù)學(xué)方法消除。 運算放大電路，不僅可以放大信，提高測量精度還能起到阻抗變換的作用，也是信號調(diào)理、傳感器測量的必要一環(huán)。 第四節(jié) LED 顯示電路 圖 3.3 顯示電路部分原理圖 74LS47 中的A B C D 分別鏈接 IO 口，作為 BCD 數(shù)據(jù)輸入端，abcdefg 分別接

16、數(shù)碼管對應(yīng)的段碼，對應(yīng) ADCD 輸入和 abcdefg 輸出關(guān)系如圖 3.4。LT、RBI、BL 分別為調(diào)試功能用， 沒有用到，LT 和BI 接電源，RBI 接地。 圖 3.4 74LS47 譯碼器真值表 第四節(jié)器件第五節(jié)PCB 設(shè)計整個PCB 尺寸 62mm*67mm，采用雙面設(shè)計，地面覆銅與 GND 連接。 圖 3.5 PCB 頂層設(shè)計圖CommentDesignatorFootprintQuantityAD623AD1DIP-81CAP-TANC1, C2 ,C612063RESR4, R5, RA, RB, RC, RD08056CAPC4, C5C3, C7,08054C61206

17、1DiodeD1080514SegmetDigtalLED low comD4SMG41Res2R1, R308052Res Adj2R2SFM-T3/A2.4V1AMS1117_3.3U1SOT-223174HC48U2DIP-16174F04U3SO-14174HC139U4SOL-161 圖 3.6 PCB 底層設(shè)計圖第六節(jié) 硬件裝配說明1） 焊接元件前檢查 PCB 有無斷裂、扭曲或明顯刮傷，用萬用表測量 PCB 上VCC 端和GND 之間的電阻值，在兆級以上方位正常。 2） 焊接時按照電源=運放=顯示的順序逐步焊接，每焊接完一個部分，檢查各部分電源和地是否短路、引腳有無虛焊或互相斷路。

18、 3） 上電測試前再次用萬用表測量PCB 上VCC 端和 GND 之間的電阻值。 4） 對于二極管和帶極性的電容（如鉭電容）要特別留心正負極性。 5） 切忌在帶電狀態(tài)下用萬用表二極管檔測量。 6） 由AD623 輸入輸出計算放大倍數(shù)，如果和預(yù)期有偏差則調(diào)節(jié)電位器 R2 予以修正。 第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié) 程序流程本軟件實現(xiàn)了將由傳感器的發(fā)送的模擬信號采集后，通過ADC 中斷方式，由 AD 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀取至單片機內(nèi)存，然后通過數(shù)代數(shù)法和統(tǒng)計方法進行電壓和壓力的比例計算，得出壓力值。同時定時器中斷下定時刷新數(shù)碼管顯示器。程序可以大致分為初始化、ADC 和顯示三 部分。 1）初始化處理器上電 初

19、始化完畢圖 3.1 系統(tǒng)初始化程序流程圖空載校準(zhǔn) 開啟ADC 塊 開啟 TIMER 塊 設(shè)置 TIMER 塊 設(shè)置ADC 塊 設(shè)置看門狗 在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開始自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在系統(tǒng)正式啟動前需要對看門狗進行設(shè)置。 MSP 單片機內(nèi)部有著豐富的片上資源，如 ADC、定時器、比較器、DMA、FLASH 等，如并非全部使用而一直啟動著，則造成無謂的電損耗，顯然不利于低功耗設(shè)計，430 特殊寄存器中就設(shè)置了相應(yīng)的寄存器用于控制這些模塊的開啟和關(guān)閉，這些模塊默認(rèn)都是關(guān)閉的，所以在初始

20、化系統(tǒng)的時候需要開啟這些模塊。 ADC 開啟后還不能直接工作，為了適應(yīng)不同情況下的測試要求，還要進行一些細化的設(shè)置， 需要設(shè)置采樣周期、采樣通道、采樣方式（單次、或者連續(xù)）、正負模式，TIMER 模塊也是如此，需要設(shè)置計數(shù)方式、觸發(fā)方式、計數(shù)周期等。 2）ADC 中斷圖 3.2 ADC 中斷流程圖 當(dāng)MSP430ADC 模塊啟動后，ADC 定時采樣轉(zhuǎn)換出數(shù)字信號，每次轉(zhuǎn)換完畢后觸發(fā)一次ADC 中斷，進入中斷后開始，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入緩存數(shù)組，然后數(shù)組計數(shù)器加一，然后判斷數(shù)組計數(shù)器是否滿，若滿對整個數(shù)組求和換算，送入顯示緩存，清空數(shù)組計數(shù)器，清除中斷標(biāo)志位，方能退出中斷。若計數(shù)器沒滿，則直接清空標(biāo)

21、志位，退出中斷。 3）定時器中斷圖 3.3 定時器流程圖 當(dāng)計數(shù)器計時滿時（設(shè)計為 21000 即為 2ms），進入定時器中斷服務(wù)子程序。進入中斷后，判斷周期數(shù)是否滿足（設(shè)計為周期數(shù)達到 25 個周期，即每 50ms 刷新一次，數(shù)碼管刷新頻率一般為 25 至 75Hz），如果不滿足則周期數(shù)加一，中斷返回；如果滿足刷新條件，則執(zhí)行 刷新顯示子程序，然后清零周期數(shù)，中斷返回。 第二節(jié) 子程序 API 介紹1） 函數(shù)名：void ConfigTimerA2(void)； 輸入輸出變量：無 功能：定時器A2 初始化 2） 函數(shù)名：void ConfigADC10(void)； 輸入輸出變量：無 功能：

22、AD 轉(zhuǎn)換模塊初始化 3） 函數(shù)名：void SHOWWEIGHT(void)輸入輸出變量：無功能：刷新顯示器 4） 函數(shù)名：void HC481(int x)輸入輸出變量：輸入 int x功能：指定數(shù)碼管第一位顯示X 4）函數(shù)名：void HC481(int x) 輸入輸出變量：輸入 int x 功能：指定數(shù)碼管第一位顯示X 5）函數(shù)名：void HC482(int x)輸入輸出變量：輸入 int x 功能：指定數(shù)碼管第二位顯示X 6）函數(shù)名：void HC483(int x)輸入輸出變量：輸入 int x 功能：指定數(shù)碼管第三位顯示X 7）函數(shù)名：void HC484(int x)輸入輸出

23、變量：輸入 int x功能：指定數(shù)碼管第四位顯示X第三節(jié) 調(diào)試與校準(zhǔn)1）在CCS 下編寫完程序后，執(zhí)行編譯（Build） 圖 3.4 Build 按鈕示意2）編譯通過后，執(zhí)行調(diào)試（Debug） 圖 3.5 Debug 按鈕示意 3）點擊調(diào)試后，分別打開 Debug、Watch、Regesiter 窗口。 圖 3.6 調(diào)試功能按鈕示意 Debug 窗口下，自左向右依次是去掉斷點、全速運行、暫停、停止、進入、單步、匯編進入、匯編單步、返回、同步時鐘、復(fù)位。 在程序運行后，暫停時可以打開 Watch 和Regesiter 窗口內(nèi)觀察寄存器和變量的變化。 圖 3.7 變量檢測窗口示意第四章總結(jié)與思考本次設(shè)計旨在完成對壓力傳感器信號采集處理顯示的數(shù)據(jù)流程簡單實現(xiàn)，通過此次設(shè)計完成G2 系列單片機的一個實例應(yīng)用。 在