毕业设计（论文）-基于MSP430单片机的系统工程板开发.pdf

本科毕业论文（设计） 题 目 基于msp430单片机的系统工程板开发 计科 系 电子信息工程 专业 学 号 0711220004 起讫日期 2010.11.07 2011.04.09 i 目 录 绪论 . ( - 1 - ) 1 课题总体介绍 ( - 1 - ) 1.1 课题介绍 ( - 1 - ) 1.2 课题意义 ( - 1 - ) 1.3 课题要求 ( - 2 - ) 2 设计 ( - 3 - ) 2.1 设计目的 ( - 3 - ) 2.2 单片机的选择和设计 ( - 3 - ) 2.3 模块设计 ( - 3 - ) 2.3.1 电源管理模块 . ( - 3 - ) 2.3.2 按键控制模块 . ( - 4 - ) 2.3.3 流水灯显示模块 . ( - 4 - ) 2.3.4 远程红外收发模块 . ( - 5 - ) 2.3.5 声光报警模块 . ( - 6 - ) 2.3.6 ad电压监测模块 ( - 7 - ) 2.3.7 温度感应模块 . ( - 7 - ) 2.3.8 液晶显示模块 . ( - 7 - ) 2.3.9 光耦隔离模块 . ( - 8 - ) 2.3.10 继电器控制模块 . ( - 9 - ) 2.3.11 数据存储模块 . ( - 9 - ) 2.3.12 实时时钟管理模块 . ( - 10 - ) 2.3.13 串口rsr323通讯模块 ( - 10 - ) 2.3.14 扩展接口 . ( - 11 - ) 2.3.15 单片机更换接口 . ( - 11 - ) 2.3.16 jtag仿真和晶振接口 ( - 12 - ) 2.4 pcb设计 ( - 13 - ) 3 测试及结果 ( - 16 - ) 3.1 单片机系统板各模块测试 ( - 16 - ) 3.1.1 电源测试 . ( - 16 - ) 3.1.2 按键测试 . ( - 16 - ) 3.1.3 流水灯测试 . ( - 16 - ) 3.1.4 红外测试 . ( - 17 - ) 3.1.5 声光报警测试 . ( - 17 - ) 3.1.6 ad电压输入测试 ( - 18 - ) 3.1.7 测温模块测试 . ( - 19 - ) 3.1.8 液晶显示模块测试 . ( - 19 - ) 3.1.9 光耦隔离测试 . ( - 20 - ) 3.1.10 继电器模块测试 . ( - 20 - ) 3.1.11 非易失性存储测试 . ( - 20 - ) 3.1.12 实时时钟测试 . ( - 21 - ) 3.1.13 串口通讯测试 . ( - 21 - ) 3.2 单片机系统板的测试参数和规格 ( - 21 - ) ii 4 系统板工程应用 ( - 23 - ) 4.1 嵌入式系统移植 ( - 23 - ) 4.2 软件功能设计 ( - 23 - ) 4.3 系统工程测试 ( - 23 - ) 4.3.1 温度报警控制系统测试 . ( - 23 - ) 4.3.2 电压（采样）报警控制系统测试 . ( - 24 - ) 4.3.3 电话本功能测试 . ( - 25 - ) 4.3.4 多输入和多显示测试 . ( - 26 - ) 4.3.5 固件升级功能测试 . ( - 27 - ) 总结 . ( - 29 - ) 参考文献 . ( - 30 - ) 附录 . ( - 31 - ) iii 基于基于msp430单片机单片机的的系统工程板系统工程板开发开发 摘要摘要 随着单片机的广泛使用，通用的单片机外围电路越来越被广泛的关注，设计一块通用且功能完 善的单片机系统板成为当今学习、研究、开发、设计的一大热门项目。本文主要阐述了msp430系统 工程板的原理图设计、pcb设计以及软件系统的设计。以创新的视角设计了：电源管理模块、按键 控制模块、流水灯显示模块、远程红外收发模块、声光报警模块、电位调节输出模块、音调输出模 块、温度感应模块、12864和1602液晶显示模块、光耦隔离模块、继电器控制模块、数据保存且掉电 数据不丢失模块、实时时钟管理模块、串口rsr323通讯模块。并且开创性的使用了分离式的mcu 设计，通过插槽就可以实现mcu的更换，使得应用范围更加广泛。全io的输出更是方便系统板的二 次开发。最终的系统工程更是为系统板所定制的嵌入式系统，日后软件的开发更加方便。而独创的 msp430的bootloader使得系统板可以摆脱昂贵的下载器，而可以达到烧录程序的目的。 【关键词】msp430 单片机 系统板 pcb 设计 ucos 嵌入式系统 bootloader iv msp430 microcontroller board based on the development of systems engineering abstract with the widespread use of microcontrollers, general-purpose mcu peripheral circuits more and more extensive attention, and functional design of a common system board for todays single-chip learning, research, development, design of a popular project. this paper describes the systems engineering board msp430 schematic design, pcb design and software system design. the perspective of design innovation: the power management module, key control module, water lights display module, a remote infrared transceiver modules, sound and light alarm module, adjust the potentiometer output module, output module pitch, the temperature sensing module, 12864 and 1602 lcd module, opto-isolation module, relay control module, data storage module and the power-down data is not lost, real-time clock management module, communication module by serial rsr323. the perspective of design innovation: and pioneering the use of separate mcu design, the slot can be achieved by replacing the mcu, allowing a wider range of applications. the output of all io is to facilitate the secondary development of the system board. end systems engineering for the system board is customized for embedded systems, the future of software development easier. the original msp430-bootloader makes the system board can be expensive to get rid of the downloader, and can achieve the purpose of the burning program files. 【key words】 msp430 microcontroller pcb design systems board ucos embedded systems - 1 - 绪论绪论 单片机系统板，是以单片机为核心，以各种外围的模拟、数字、高频电路为辅助的系统板。这 种系统板，不仅适合于学生学习单片机之用，而且广泛的使用在实验室或者工厂研发的各种实验项 目上。 每个单片机的设计厂商，为了推广自己的单片机，都会为自己的单片机定制一块demo板。这种 系统板，主要对象是工程师，所以一般不会有太多的外围器件，仅仅是将io接口引出，其他的留给 工程师的二次开发。然而这种demo板，售价极为昂贵，但是能够提供单片机的相关技术支持，因此 受到科研、研发机构的青睐。 除了单片机的设计厂商外，一些单片机的爱好者以及一些工程师，也会自己制作一些不同种类 和功能的单片机系统板。这类系统板一般是根据自己的需要，来选择单片机及其外围元件。一般没 有技术支持，售价也相对便宜。而且这类系统板，单片机选择较为固定，一般不可随意更换。少量 51的系统板，虽然设计了拔插的接头，但是由于该种封装的芯片型号却不多，且多为即将淘汰的小 ram、低速的8位单片机，基本没可能在上面嵌入热门的各种系统。 一块廉价、高效，不但拥有各种常见的硬件模块，而且还要有软件支持（驱动）的单片机系统 板成为眼下热门的讨论问题。 1 课题总体介绍 1.1 课题介绍 目前单片机系统板，质量良莠不齐，而单片机系统板对学生学习单片机，加深对单片机的理解 大有好处。介于目前系统板的价格高，功能少，种类杂乱不适合学生学习单片机之用。于是本设计 就致力于开发一块功能完备、价格低廉，不仅适合学生自己使用，而且能够方便工程师二次开发的 单片机系统板。 学生仅凭上课和实验，难以将单片机、微机原理及接口技术、数字电路等完全理解透彻，甚至 是听不懂课程。而眼下用人单位又特别器重单片机方面的人才，甚至是用人单位选拔人才时的必备 条件。而工程师、科研人员也很难找到一块能够满足自己设计需要，功能齐全的系统测试（调试） 板。 本课题目标是设计一个优质的，兼容性强、扩展性好的单片机开发板，学习使用方便，易学易 用，方便灵活，能够很好的满足二次开发的需要。 1.2 课题意义 大多数人使用系统板的目的是：学习或者熟悉该种型号系列的单片机。而眼下，demo板的售价 昂贵，且仅仅只将io引出；其他公司或者个人出品的单片机，又没有保障和全面的功能，且价格偏 高。 基于这种需求和供给不平衡的状态，本设计的目的就是设计一款单片机的系统板。这款系统板， 具有板上资源丰富：独立的电源管理、有按键可以输入、能够红外通讯、能声光报警、有ad可以检 测模拟量、可以输出不同音调、能温度感应、有12864和1602液晶显示、有光耦隔离、有继电器控制、 有存储单元、可以对实时时钟进行管理、可以通过串口rsr323通讯、且具有很强的可扩展性等等。 不仅仅是板上的丰富资源，也重视软件的搭配，让丰富的资源能够有条不紊的各司其责。 除此以外，考虑到国内的消费水平，在不降低系统性能和稳定性的情况下，使用廉价的替代芯 片，优化外围的电路。能够保证质量的情况下有效的降低成本，通过计算实现上述全部的功能，将 会比目前市场上功能逊于这块系统板的价格还要低 （市场上具备全部功能的8位、 16位单片机系统板， 暂时还是处于空白状态） 。 本设计不仅仅是切合当前的社会需要，开发满足学习、工作、研发所需的硬件平台。而且突出 软硬件的创新，例如：能够在液晶的背光、对比度可以调节达到省电的目的；红外遥控能够更好的 满足短距离的无线操作；创新的隔离输出能够控制高压市电；最终的软件平台更创新的将测量与自 动控制结合在一起，开辟了双头显示、三种输入控制方式、自由模拟量挂载、双温度控制（片上和 探头）的全新多线程的操作系统平台。 - 2 - 1.3 课题要求 做一个单片机的系统板，至少包含以下模块： 8位的led灯，至少3个按键；有串口可以和上位 机或者其他单片机系统板通讯（rs232） ；有显示模块，至少可以显示数字和英文、符号；有存储的 芯片，且掉电后数据不丢失；有红外接口，可以实现红外控制或者通讯；有声光报警模块，且可以 调节出不同的音调；有温度采集模块，可以采集当前温度；有继电器模块，可以控制220v的灯泡的 亮灭（40w） ；常用接口引出，方便2次开发；供电方式采用usb供电；预留jtag接口可以下载和仿 真。最终使用这些模块，开发独特的软件，实现一个大型的自动化控制的项目。 - 3 - 2 设计设计 2.1 设计目的 本设计的系统板，主要从实用性和性价比出发，同时注重低功耗和高性能。当然其中的某些因 素相互制约，在平衡利弊后做出了最终的设计方案。 设计的实用性，考虑到单片机系统板的使用者大多是学生和工程师（底层软件开发） 。也倾向与 选择更为贴近当下最常见热门的功能，来做开发。了解了他们的需求和市场的前景，本设计的各种 模块均是现在工业控制、智能仪器、家用电器、信息和通讯等行业中常用的模块。 设计的低成本与高性能。这两者存在着矛盾，成本和性能自古就相互对立，设计本着在保证性 能不错的前提下，最求性价比的最大化。也就是说在比较高的性能下选择成本较低的优质产品。 2.2 单片机的选择和设计 单片机种类繁多，从intel公司古老的mcs-51系列开始衍生到现在各种51系列单片机如：cygnal 公司的c8051f系列单片机。 而现在各个厂家的单片机， 如： motorola公司的m68xx系列单片机、 atmel 公司的avr系列单片机、microchip公司的pic系列单片机、texas instrument公司的msp430系列单片 机，arm公司的基于arm内核的各种厂家定制的arm单片机等等各种各样的单片机被广泛的应用 于工业控制、智能仪器、家用电器、信息和通讯、汽车系统、智能家居等等领域。 cygnal公司推出的c8051f系列单片机就是在mcs-51系列单片机基础之上进行更新开发的一种 产品。c8051f系列单片机采用流水线的结构，单周期指令速度是原先的8051的12倍，全指令集速度 是先前的9.5倍。c8051f系列单片机其内部资源比较丰富，如c8051f020单片机内部除包含8051微控 制器内核、 rom、 ram、 普通i/o口、 定时器/计数器等mcs-51 系列的配置之外， 还具有adc、 dac、 spi和等片上资源模块。但是由于其耗电量比较大，能耗性能比比较低，而成本也比较高。 美国microchip公司设计生产的pic系列单片机，从8位到32位的单片机全系列可供选择。优秀的 哈佛结构、流水线结构，功能全、种类多，便于选择和开发使用。因此也广泛应用于汽车电子、消 费电子、及工业控制等领域，其产量以及市场份额在世界单片机领域的排名靠前。但是目前基于pic 的单片机系统板网上的成品板比较多，相对与其他单片机的系统板种类较为丰富。 atmel公司的avr系列单片机，情况和pic基本相同，只是avr系列的单片机型号较少，稍微好 一点的单片机芯片价格太高。 texas instrument公司的msp430系列单片机，最初的设计msp430就被定为成16位采用精简指令 集的超低功耗混合型单片机。因此msp430系列单片机，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵 活的开发手段。它具有运算能力强，超低功耗设计（1m时钟下芯片耗电200400 a左右，最低维 持电流只有0.1 a） ，丰富的片上外设（看门狗定时器、模拟运算放大器、硬件乘法器、液晶驱动器、 10/12位adc、12位dac、i2c总线、spi接口和直接数据存取即dma） ，其温度适应力强（-40 +80） 。加上又是全国大学生电子大赛湖北、山东、上海等教育大省的指定赞助厂商，另外市场上 销售的msp430系列单片机系统板少之又少， 而可以随意更换430系列的单片机的系统板则更是没有。 于是设计就选定了基于msp430为核心的单片机开发板，并且具备单片机更换功能，可以随时更新到 所需的型号。 单片机选型的说明：在这里设计和开发是基于msp430系列的单片机。但是本设计设计通过，模 块跳线帽、全io口引出、mcu插座，本设计是完全可以通过更换mcu的小板的形式，来获得更多系 列的单片机的支持。 2.3 模块设计 本着实用至上， 性价比优先的原则， 加上方便用户在日后的使用和扩展甚至是更换mcu的系列， 设计和开发了以下的模块。 2.3.1 电源管理模块 电源管理其实是单片机系统板中最重要的一个部分，不论是模拟的还是数字的都需要供电。传 统的电源设计中，都是把数字的vcc和模拟的vcc接到一起。这样做虽然单片机可以工作，但是这 样的弊端是模拟和数字接在一起，会导致数字的干扰噪声加载在模拟部分，出现ad采样不准，内部 oa运放噪音过大的问题，其实是浪费芯片资源。 本模块设计创新之处在于，电源模块完全将模拟部分和数字部分隔开，两者独立供电互不影响， 同时对ad的参考源做独立的处理。ad参考源原理图如图2.1所示： - 4 - 图2.1 ad参考源模块 取电方面，设计采用了当下最火热的usb接口，通过usb接口来为系统板供电。usb接口是标 准的5v电压，由于msp430、pic等芯片均在3.3v正常工作，于是增加了一个线性降压稳压模块 lm1117-3.3v，另外为了显示按下开关系统板已经上电，设计了一个led发光管来显示，当前有没有 上电。usb取电、线性降压稳压模块原理图，如图2.2： 图2.2 usb取电和1117稳压模块 2.3.2 按键控制模块 按键是单片机最直接的输入方式，市场上的按键模块，一般都会有按键后io抖动的现象。而市 场上的产品一般都是通过单片机的软件来消除抖动，这样浪费了单片机的内部资源。 本设计提出了廉价的硬件滤波考方式，来为mcu减轻负担，采用了104的电容并联的方式，完 美的实现了低成本按键的消抖。另外出于兼容性的考虑到，有些单片机没有内部的输入上下拉电阻， 于是设计加入了一个上了电阻。这样使用msp430f1xxx单片机的时候，就可以方便的采集按键的状 态；而使用msp430f2xxx单片机的时候，可以在io初始化时配置为上拉电阻。如下原理图2.3所示： 图2.3 独立按键模块 2.3.3 流水灯显示模块 流水灯显示模块，是最简单、最方便、最直观的一种显示方式。它能够将8位的io一次性显示出 来，有助于工程师或者学生发现和分程序错误，同时也能够显示各种低频的时序情况等等。所以设 - 5 - 计和使用了这个模块。其原理图就是8只共阳的led二极管，串联一只1k的限流电阻。在这里为了减 少焊接的麻烦，采用了排阻（pr_1k） ，既节约成本又节约pcb空间。原理图如下图： 图2.4 led流水灯模块 2.3.4 远程红外收发模块 创新的设计，红外收发模块，即接收模块和发送模块，这样就能以低成本实现无线的数据。 红外接收模块，采用了一体红外化接收头。本设没有采用的红外光二极管，而是采用了一体化 的红外接收头。这是因为目前绝大多数的红外传输是采用38k调制的，这样就可以避免了采用分立 元件滤波的麻烦，增加了设计的稳定性和可靠性。另外一体化的接收器拥有分立元件不可比拟的体 积和功耗，最重要的是一体化接收器有金属的屏蔽罩，能够有效防止外部的噪声或者干扰信号影响 系统。hx1838的官方接线图如下图2.5： 图2.5 官方推荐红外接收原理图（截图） 截图中out是接到单片机的io口上。本设计省去了这里的电容和电阻。这里我们通过实验发现 3.3v供电的系统中串入电阻和电容反而使得接收器无法正常工作。因此设计的时候将其省去，另外 为了保证供电的稳定性省去了100欧姆的限流电阻，以减小电阻上的分压。省去以上不必要的元件可 以有效的节约成本，最主要的是可以节约板材的空间。 红外发送模块，设计中加入了三极管扩流，这样可以增大发射功率，能够适应远距离的红外控 制的需要。实际的实验也证明了三极管的必要性。实际测试表明，没有加入三极管的红外最多能够 发射到10m且能被接收器识别；而加入三极管之后，受场地尺寸限制，仅测试到35m，信号依然稳 定，相信可以传输的更远。另外加入三极管之后抗干扰性能倍增，在室外充足的阳光下，没有扩流 的仅能在1m之内稳定传输；而扩流之后可以高达25m的远距离传输。 改进的红外发送模块如右下图，以及简化后的红外接收模块原理图如左下图： - 6 - 图2.6 改进后的红外发送和接收模块原理图 考虑到红外的接收的pcb制板的需要，要红外的接收，软件上要靠定时器的捕获来完成，于是 接到了msp430 的timer a的捕获输入脚p1.2上，通过软件选择第二功能，就可以实现红外数据的接 收。另外考虑到其他单片机的需要，任然采用跳线帽的方式供用户自由选择这个功能模块的引脚。 而红外发送模块，在pcb制板的时候，三极管、电阻均采用贴片封装，压缩pcb的体积。考虑 到红外发送的led要采用较大功率的红外发光二极管，采用了插件的方式，并预留了空间来放下这 个led，这样能够有效的利用气流来对led散热。同时将发送和接收模块绘制在整个pcb的左下方， 并尽可能的靠近边缘，这样有利于，用户的调试。 2.3.5 声光报警模块 声光报警模块，主要应用于监测的被测控的量超出设定的范围后，单片机通过分析和判断后， 发出声音和光提示。设计这个模块主要是出于现代工业的远程操作，往往人不在现场，有必要对监 测量超标报警提示。同时考虑到“全国大学生电子设计大赛”常常会出现要求控制或者测量结束给 予声光提示，于是设计了声光控制模块。出于压缩成本的考虑选择了分立元件来制作，使用一个三 极管对io进行扩流。当控制信号为高电平时，蜂鸣器鸣叫同时led发光，其中两只电阻主要起限流 作用避免三极管和led烧毁。其原理仿真控制如图2.7所示： io_h io_l io_h io_l q1 bc337 buz1 buzzer r1 330r q2 bc337 buz2 buzzer r2 330r d1 led-yellow d2 led-yellow r3 1k r4 1k 图2.7 声光报警模块仿真图（截图） 左边是模拟单片机的io口输入高电平的情况，此时led灯亮且蜂鸣器鸣响；右边是模拟单片机 的io输入低电平的情况，此时led灯熄灭蜂鸣器不鸣响。若io交替经行就可以实现声光报警功能。 - 7 - 2.3.6 ad电压监测模块 ad电压监测模块是通过一个电位器调节输出电压并送到ad端口，这样的设计能够让工程师和 学生来在使用单片机片上的ad模块时能够有所参考，并校准调节ad的数值或者算法。甚至可以改 造为一个角度传感器。 该模块通过电位器的转动，来调节中间脚位的点电压，然后将该点连结到单片机的ad采样的引 脚上，就能通过软件实现对电压的检测功能。如果加入一块电压表，对着电压表显示的值，就能方 便快速的校准当前的ad采样数值了。 当然同样可以用来校验单片机的ad采样算法，检测冲击信号对ad软件算法的影响，以及检测 波纹的信号的稳定数字滤波的算法。 改装传感器，其实完全可以在电位器上加上一个重锤，然后测出板子平放时的零点电压，当板 子转动时，这个电位器也会随着重锤的影响而转动，然后测出转动后的点电压，这样就能计算出传 动的角度了。事实上2007年的“全国大学生电子大赛”中有道“跷跷板”的题目，很多学生都采用 了这个办法实现了角度的测量，并最终成功的完成了题目的要求，并取得了较好成绩。 2.3.7 温度感应模块 温度的感应模块，是通过集成芯片传感器ds18b20实现的。它的单总线传输方式，使得操作和 控制都非常简单。另外，较高的精度，让现在很多公司在工业控制上越来越多采用的这个芯片来测 量温度。 温度感测是通过热传递的方式传到ds18b20芯片上，然后被芯片内部的转化成为数字信号，再 传到单片机上，这样就不会像模拟信号会因损耗而产生误差。其测试的范围是在55125， 因此完全可以作为日常所用，利用这个模块可以实现整套的温度控制系统，通过加热装置和冷却装 置来达到控温的目的。2007年的全国大学生电子大赛有道题目就是做一个温度可以调节的冷室，绝 大多数的参赛队都是采用ds18b20来测量温度的。本设计的ds18b20温度感应模块原理图如下图所 示： 图2.8 ds18b20温度感应模块原理图 2.3.8 液晶显示模块 再好的系统板没有显示设备，也只能是摆设。而市场上绝大多数的单片机系统板都只有8位的数 码管，并没有配备现在流行的液晶。8位数码管，显示字符很少只能显示8位数字，因此输出的信息 量就很小，而液晶不仅可以显示数字、英文、中文，更能画图、显示图片。另外8位数码管，耗电量 比较大，如果8位同时都显示8，理论耗电128ma，而液晶仅仅只有20ma的耗电量，若关闭背光，耗 电量将是微安级几乎不耗点。综合考虑，数码管占用较大空间，有没有实际存在的意义，因此舍弃 了数码管，采用了热门的液晶，并且能支持两种不同规格的液晶。 市场上的液晶比较多且杂，接口也不统一。考虑到板子尽可能的兼容多种常见的液晶，设计了 两个不同的液晶接口：1602字符型液晶，12864点阵图形液晶。 1602液晶，是一种字符液晶，能显示8*5点阵的数字、英文、图形，且一个8*5为一个字符。一 屏能显示16 （个）* 2（行）个这样的字符，因此成为1602字符型液晶。这种液晶自带有数字和英文 的字库，可以不用单片机来制作字库。另外他还具有耗电量小，成本低，接口相对较为统一等等优 势，因此广泛应用在工业控制领域。所以设计了1620接口，并且设计并支持1602液晶的对比度调节。 - 8 - 12864液晶，是全点阵的图形液晶，分为带字库和不带字库两种。接口上有串口和并口两种。考 虑到常用的接口为并口，因为它速度快、成本低，此外又设计了一个12864的图形点阵液晶接口，方 便用户使用。 两种液晶接口的原理图如下图2.9： 图2.9 两种液晶接口原理图 由于两种液晶一般不会同时使用，所欲这里将两种液晶的并口数据连在一起，且同样采用跳线 的方式便于用户更改其他的io，在12864的液晶接口设计上，是对照金鹏的12864ocm-9来设计和制 作的，只要满足这个接口的定义都是可以通用的。另外1620和12864都是采用的3.3v供电，背光可以 选择由io来提供一个pwm波来调节背光的亮度，达到省电的目的。如果不采用pwm方式也可以通 过跳线选择到vss这样背光不用io控制也能电量。在1602的v0脚上接上了一个电位器，通过这个电 位器的电位调节就可以实现1602的对比度的调节。 2.3.9 光耦隔离模块 现在的各个系统中的隔离基本上都是采用光耦来隔离，因为他速度快，干扰小。相对于普通的 继电器，光耦具有开关速度快的特点完全可以适应高速的数据通讯，另外光耦本身没有线圈不会产 生电磁干扰。 选用了tlp521-2，它成本低廉，且驱动的电流很小。这里设计这个模块，主要是用来驱动和隔 离继电器模块。当然这个模块也是可以单独使用来作为一个普通的隔离通讯模块来使用的。其原理 图如下图2.10所示： - 9 - 图2.10 光耦控制原理图 2.3.10 继电器控制模块 继电器控制模块，可以用来控制强电。能够实现智能家电的模拟控制。比如可以实现一个可以 定时打开或者关闭的台灯，如果再配合光感元件，就能实现智能的台灯控制了。如果和红外接收模 块混合使用，还可以实现使用遥控器远程的无线控制台灯的亮灭。 这个模块的核心是一个继电器，采用了一个5v的继电器，触点能够支持1a以上的电流，完全能 支持220v的台灯或者其他家用电器的控制。继电器的控制脚可以直接连到单片机上，但是考虑到继 电器线圈可能对单片机产生干扰，所以配合前面的光耦隔离控制模块来实现强电的完全隔离控制。 这个继电器控制模块的原理图，如下图2.11所示： 图2.11 继电器控制模块原理图 2.3.11 数据存储模块 有的单片机片上集成了eeprom模块，如：avr的单片机，但是考虑到大多数单片机是不具备 这个模块的。因此无法对现场的数据进行保存，这样在某些应用场合就无法满足数据记录和保存的 目的。因此加入了这个模块，采用的是i2c总线接口的at24cxx非易失性芯片。它具有外部元件少， 功耗低，价格便宜，数据保存时间长的特点。如果使用at24c64的容量是64*1024*8 bit，这个容量 是普通的51单片机ram的256倍，完全够用户使用。 有这个模块就可以对数据进行现场的保存，即使电源突然断电，也能将数据保存起来。因此这 个模块可以实现诸如游戏存档、工程中的用户参数和数据的保存，即用户在使用中设置的诸如时间、 液晶的背光亮度、当前工作状态等等。 数据存储模块（掉电数据不丢失）的原理图如下图2.12所示： - 10 - 图2.12 数据存储模块原理图 考虑到可能某些用户要保存的数据过多，甚至于保存液晶的中文字库。这就是，尽管贴片的体 积小成本更低，但是没有采用贴片的原因。使用插件可以接上芯片座，以备用户更换更大的存储空 间的芯片（这个系列的芯片的管脚的定义完全相同从atc01atc512只是容量不同从1k512k） 。 另外有不少其他的系统板厂商（如周立功的miniarm板）在设计的时候省掉了hold脚和io的 连线， 而是直接拉到地， 这样做虽然能节约一个io， 但是在单片机跑飞的情况下就可能导致at24cxx 中的数据被改写，导致用户数据丢失，且不可找回。因此本设计没有通过io口的跳线可以选择控制， 防止意外的出现。 2.3.12 实时时钟管理模块 实时时钟模块是一个可以存储和读出当前时间的模块， 采用的主控时钟芯片是dallas公司设计的 ds1302时钟芯片，他通过spi总线，能写入和读出当前的日期时间等信息。它内置了时钟模块能独 立工作（走时） ，这样可以节约单片机的片上资源。另外双电源的设计也能够让主系统在掉电的时候 能够继续走时。 考虑设计第二电源需要另外购买电池和电池座而电池座的体积较大，因此在这里使用一个电容 作为他的第二电源，通过软件置位给电容涓流充电，当主电源断电时，他能继续工作一段时间。由 于ds1302的功耗非常小，同时采用的贴片钽电容漏电极小，因此能够在主电源掉电的较长时间内持 续的工作。 实时时钟管理模块的原理图，如下图2.13所示： 图2.13 实时时钟模块原理图 2.3.13 串口rsr323通讯模块 目前使用最广泛的通讯接口就是rs232接口了，不仅单片机和pc机都拥有这个接口，而且在工 业上的各种机床设备仪器都有这个接口。因此设计了串口rs232接口来满足单片机对外部通讯的需 要。 这里使用了一片max3232芯片来做电压转换，将+3v0v的电压升到+15v-15v的标准rs232 通讯电压，而一片max3232有2个完全独立的通道，因此可以支持两个串口，因此也设计了可以使 用单片机上两个不同的串口模块来支持这个接头，使用的时候只需要改下跳线就可以了。 串口rs232通讯模块原理图，如下图2.14所示： - 11 - 图2.14 串口rs232通讯模块原理图 2.3.14 扩展接口 丰富的扩展接口是本设计的一大优势和亮点， 绝大多是的系统板都没有将全部的io口按照8位一 组的全部分立出来，有的系统板更是没有全部引出。为了日后使用方便，将所有的io口都引出来， 按照寄存器分成6组即io1对应p1口、io2对应p2口以此类推。另外常用的电源网络也全部引出如5v、 3.3v、gnd，且每组都可以方便的介入其他的模块，方便二次开发。在这些基础上又设立了两排4 组的连结跳线，可以用于同一个节点的扩展。 部分扩展和跳线接口的原理图如下图2.15： 图2.15 部分扩展和跳线接口图 2.3.15 单片机更换接口 本设计与众不同的一项设计就是这个可以更换的插座，这项创新设计的意义不仅仅在于可以更 换同系列的msp430单片机，甚至于可以兼容其他的型号和系列的单片机。 由于有模板的插座设计，就不能不设计的小板插头，这个小板上加入了两个去耦电容，分别挂 接在数字和模拟的电源上，这样的设计能有效地减少长距离的供电出现的寄生电容和电感，能够提 高抗干扰的性能。这里是以msp430f1611为示例来设计的小板，若采用其他的只需要设计相应的小 板就可以实现和共享全板的功能和资源。 母板插座和小板插头原理设计图2.16如下： - 12 - 图2.16 母板插座和小板插头原理设计图 2.3.16 jtag仿真和晶振接口 设计的jtag接口完全遵循ti官方公布的jtag引脚定义标准。通过这个接口，msp430全系列单片机 就能连接至pc机实现在线调试、 程序下载、 仿真实验。 由于ti官方规定的jtag可以有输出电压的功能， 但是不少仿真器（如并口）却不支持对目标板供电，因此设计了一个跳线帽，可以根据实际的情况 灵活的调整切换供电方式。 由于设计对兼容性有要求，因此在高速晶振这里不能固定到某一个频率，否则可能出现性能被 其限制或者，系统处于超频的不稳定状态。在这里用了一个插座来解决这个问题。利用圆孔的插座 - 13 - 就能灵活的根据单片机的要求来更换需要的高速晶振。很多单片机如msp430系列都支持双时钟，即 可以有两个不同的时钟输入，一般一个作为高速的系统时钟，一个作为低速的实时时钟。在设计上 也使用了双时钟。除了一个高速的晶振接口外，另外增加了一个32.768k的标准的低速时钟晶振。 jtag接口和晶振接口的原理图如下： 图2.17 jtag接口和晶振接口原理图 2.4 pcb设计 pcb的设计中，所有的电容、电阻都没有采用传统的插件元件，而是采用了更为小巧的贴片元 件。这样做的好处是：节约了pcb板的面积，降低了成本，更加美观，集成度更高。电容采用的贴 片钽电容，有着更出色的滤波去耦的效果。电阻采用0805封装的贴片电阻体积小巧，同时也利于焊 接的方便。 同时为了方便传感器、电源、串口通讯、红外无线通讯、jtag仿真、继电器控制等等需要，都 将这些接口放置在了pcb的边缘，方便用户的接插和使用。 另外各个模块的连接都采用了排针引出，并通过跳线帽短接到单片机的io上，这样做的好处是， 可以根据需要选择连接需要的模块，而用不上时可以去下跳线帽释放占用的io资源。 各个模块中的pcb设计考虑如下： 电源设计中，布线时采用了1.5mm的宽线，来减小线上电阻。同时将usb接头的外壳接上数字 地，以减小外界的干扰。这里为了节约板子的尺寸，10uf采用了贴片的钽电容，而104的0.1uf的同 0805电阻封装的贴片电容。 按键设计中，使用了常见的轻触开关（6*6） ，大小适中，按键舒适，抖动干扰小。并接的104 电容放在按键的回路上，可以更好的起到滤波消抖的效果。io方面设计考虑到每款单片机都需要这 个模块，即使不使用时，也不会对内部、外部电路造成太大的干扰，于是将io直接连接在msp430 单片机的p2.4/5/6/7上。 流水灯模块的设计中，除了采用排阻的设计外，io部分均用排针引出。这样的设计的好处是后 期用户可以自由、方便的更换不同的io口进行试验，提高了系统的兼容性。如若不然，不仅浪费了 io口，并且如果想更换时就会很复杂，严重时可能对外部电路造成干扰。 声光报警的设计中，考虑到蜂鸣器的电流可能会比较大，采用了加宽pcb布线线路的方式，来 避免大电流下可能出现的不稳定的情况。另外考虑到兼容性和自由切换，io引出后并不是直接送入 模块，中间隔了一个跳线，使用时用跳线帽短接，默认是接到p5.7口上。这种创新的做法能够满足 不同用户的需要，同时也提高了系统的兼容性。 温度传感器设计时，考虑到ds18b20可能会需要拆下来、或者是要放置到里系统板较远的地方， 设计上没有直接将ds18b20放在pcb板上，而是通过排针跳线来连接ds18b20，这样的好处是 ds18b20就可以通过连接导线方便的拔插或者延长至较远的地方。 光耦的设计上使用了插件dip8封装的tlp521-2，虽然比贴片体积稍大，但是市场上容易购买 dip8封装的元件，且成本低廉。另外第一路的隔离控制是通过一个跳线帽输出到继电器，也可以自 由更换其他io管脚。由于光耦的输出可能会被用到其他外部扩展电路中，因此将ctr_go的插座设计 在系统板靠边的地方，方便扩展和使用。 考虑到继电器在pcb设计的后端可能接到220v的强电上，因此考虑到可能的高压或者高电流， 这里采用了5.08mm脚间距的接线端子， 方便连接外部的导线。 另外在pcb布线时， 也布上了宽达2mm 的粗线，也放在最左上角，远离系统板的模拟和数字电路，减轻可能的emc干扰。 存储模块采用了dip8的直插封装，可以方便的更换其他容量的芯片增加了系统的兼容性。 - 14 - 时钟模块在布线的设计的时候，为了减小第二电源的损耗，将这个电容尽可能的靠近ds1302芯 片，同时采用so-8贴片的ds1302体积更小，成本更低。 串口模块设计时采用so-16的贴片max232芯片，其他的0.1uf的电容也都采用0805封装的贴片。 另外，还将db9母头的外壳接地，以提高传输时的抗干扰性能。两组单片机的模块可以通过跳线切 换，选通到max3232芯片，并连接到外部设备上。第二组同样引出到跳线上，共用户选择自己制作 rs232插线时使用。 io口的pcb设计上，突出了每个io第0口和第7口的区别，特别的在每个io的第0口处加上了一个 丝印层的“io”不仅能显示当前的io位数还能只是第0口的位置。为了防止在后面使用时丝印层因磨 损而消失，在线路层同样也用“*”来表示该io的第0口。这样方便用户识别io的顺序。在电源的跳 线上，考虑到有可能会接上较大功率的模块或者用电器，所以设计时，使用了2mm的粗线来满足可 能出现的大电流。 mcu小板pcb设计时，为了避免在安装时可能出现的误差，将64个芯片的引脚分成4组，再分成 2排，且分布在单片机的四周，这样就能准确的保证每个引脚能够一一对应，在小班的设计上，对双 面进行了覆铜设计（覆铜连接到数字地）这样即能提高散热能力，又能增强抗干扰能力。 晶振设计pcb线路时，考虑到某些时钟对线长有一定的要求（等长） 。因此在布线的后除了让晶 振尽量的接近单片机之外，还采用了蛇形走线的方式，让晶振两端到单片机的端口线长相等，以减 小高频时的相位误差。 通过上述模块的设计和整合之后，将pcb整板都覆上铜箔接在数字地上，以减小整个pcb的电 流回路，提高了抗干扰的水平。 下图为pcb（top层）线路图： 1514 1211109876543210 131211109876543210 131211109876543210 0123456789101112131415 1514131211109876543210 0123456789101112131415 1514131211109876543210 0123456789101112131415 1514131211109876543210 0123456789101112131415 1514131211109876543210 21212121 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 21 21 21 21 21 21 21 21 21 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 12 34 56 78 2 1 21 12 34 56 4 3 2 1 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 321 2 1234 8765 123 465 321 1 3 4 5 6 7 8 9 2 3 2 1 12 2 1 21 2 1 2 1 3 21 2 1 21 21 12 2121 21 21 21 21 21212121 12 23 1 2 3 1 2 3 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1234567 891011121314 123 1234567891011121314151617181920 1 2 3 4 5 6 7 8 21 1 2 16151413121110987654321 1 153 42 8 7 6 5 4 3 2 1 87654321 1 2 3 1 2 123 1 2 3 4 5 6 7 8 9 bo1 bo2 1 2 1 2 12 1 2 2 1 21 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1234567812345678 1 2 3 4 5 6 7 8 321 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 1 2 3 45 6 7 8 12 34 56 123 21 12 12 12 12 12 12 12 12 21 12 3 2 1 3 2 1 321 2 1 21 2 1 21 21 21 21 21 21 21 12 1 2 1 2 12 21 2 1 2 1 21 12 12 k a 1 2 1 2 3 4 5 6 5 6 7 8 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 12 12 5 1 2 4 3 5 图2.19 线路截图top层 pcb整体仿真的效果图，如下图（模拟效果为采用蓝色的阻焊层油墨） ： - 15 - 图2.21 正面蓝色阻焊的3d效果图 在设计的时候考虑到以后的再次开发，设计了一个矩阵的万用板，如上图的左下角。另外还设 计了可能的贴片芯片会与这个矩阵板不