毕业设计（论文）-基于MSP430单片机的数字电压表设计.doc

2013届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于MSP430单片机的数字电压表设计 学院名称： 电气工程学院 班 级： 电气F0902 学生姓名： 学 号： 200948720411 指导教师： 教师职称： 高级工程师 2013年 5 月 9 日目次1 概述11.1 数字电压表的背景及研究意义11.2 本次设计主要研究的内容22 方案论证22.1 设计方案的提出22.2 设计方案的比较22.3 设计方案的选择33 方案实现33.1 模块介绍33.1.1 MSP430F149单片机33.1.2 ADC1253.1.3 1602液晶63.2 系统硬件设计73.2.1电源电路的设计73.2.2单片机的时钟电路设计83.2.3 单片机的复位电路设计93.2.4 ADC转换系统电路设计103.2.5 超出量程报警指示电路设计103.2.6 显示电路设计103.3 系统软件设计113.3.1软件的整体设计113.3.2程序流程图113.3.3 开发工具和语言介绍133.4 仿真验证133.4.1 proteus 简介133.4.2 proteus 仿真图133.4.3 结果对比144 功能扩展144.1 扩展内容144.2扩展电路原理图154.3 工作原理154.4 功能演示16结论18致谢19参考文献20附录A:系统原理图21附录B:实物照片22附录C:程序代码251 概述1.1 数字电压表的背景及研究意义数字电压表简称DVM，它通过一定的手段，如数字化测量，把那些连续的模拟量，如直流电压，转换成离散的、不连续的数字量，并且对数字量进行加以显示的仪表。传统的那些电压表大都是指针式的，其功能少，测量精度低，读数困难（相对于数字电压表），并且读数误差大，不能满足现在社会发展的需求了。现在的数字电压表，采用单片机为控制系统，具有很多的优点，如测量精度高，仪表工作时具有很强的抗干扰能力，集成起来比较方便，另外它的扩展也很灵活，还可以与上位机（如PC）之间进行实时的通信。目前，由单片机配合着模数转换器构成的各种数字电压表，已在工业自动化仪表和电工测量等测量领域得到广泛的应用，由于现代的数字电压表具有很强的扩展能力，从而衍生出很多其它的数字仪器仪表。新型的数字仪表发展方向主要有以下四个： (1) 要广泛采用先进的技术，不断研发出新的产品。 (2) 要向模块化发展，新一代的数字仪表正在向标准的模块化方向发展，在不久的将来，许多产品可能将由标准化、系列化、通用化的模块所组成，这样就会给电路的设计、安装调试和维修带来很大的便利。 (3) 多重显示仪表，为从根本上解决数字仪表不易观察连续的变化量的问题，“数字/模拟条图”双显示的仪表已占据国际的主流，它同时具有数字仪表的高精确度，模拟式仪表易于观察被检测量的变化过程和变化趋势的两大好处。 (4)仪表的制作工艺要简单化。国外对数字电压表有比较深入的研究，它们利用新型技术把数字电压表推向了低功耗，高精度，智能化的道路，同时DSP的出现，加强了仪器仪表对数字信号的处理能力，这也加速了数字电压表的发展。我国的仪器仪表行业总体发展良好，但是目前仪器仪表的产品档次偏低，我国用的高档产品大多依靠进口，和那些发达国家还有一定的差距，为尽快改变我国仪器仪表的发展状况，国家要多投入人力对这方面的研究，多多学习国外的先进技术，同时要多办些中外合资的企业，多多学习国外的技术工艺，这样才能缩小和别的国家的差距。1.2 本次设计主要研究的内容传统的电压表大多是由量程较小的电流表和一定阻值的电阻串接而成，其指针的偏转是由内部的电流所决定的，这种电压表制造起来也比较麻烦，同时其精度也不高，读数误差大。本设计则采用MSP430单片机设计出来的一款低功耗，高精度的数字电压表，从一定程度上解决了传统电压表带来的劣势。本次设计采用TI生产的MSP430单片机作为控制系统，模数转换采用其内部集成的12位的ADC。把ADC采集的数据经过一定的处理，其结果显示在1602液晶上，从而实现了电压测量的功能。本设计电压的测量范围为03.3V的直流电压，测量精度能达到0.01V，当测量值大于3.3V时， 1602液晶还会有超出量程提示信息。2 方案论证基于单片机的数字电压表设计的方法有很多，数字电压表的核心大致可以分为3个模块，分别是主控制器，A/D转换器和显示器，然而根据这三部分的不同，就可以有不同的设计法。2.1 设计方案的提出 第一种方案，控制器可选用传统的89C51单片机，AD转换器选用ADC0809,组成数字电压表的核心部分。 第二种方案，控制器选用MSP430单片机，AD转换器选用MSP430内部的ADC，组成数字电压表的核心部分。2.2 设计方案的比较第一种方案选用的控制器是比较熟悉的51单片机，各方面都很成熟，操作起来也很简单，价格便宜，但是其体积比较大，功耗高，且处理速度也一般。AD转换器选用ADC0809,ADC0809操作起来很方便，但是它是一个8位的A/D转换器，这就决定了它的转换精度不会太高。 第二种方案选用的控制器是TI的MSP430单片机，这款单片机超低功耗，且处理速度也相当快，体积也较小，但是它也有缺点，就是操作起来比较复杂（相对于51单片机），价格也较高。AD转换器选用MSP430内部自带的12位的ADC，其转换精度较高，转换速度快，但是它操作起来较麻烦（相对于ADC0809）。2.3 设计方案的选择以上两种方案各有优缺点，第一种方案做起来简单，但是做出来的电压表体积较大，且功耗较高，精度较低。虽然第二种方案做出来相对麻烦点，但是它做出来的电压表不但体积小，而且功率比较低，另外测量精度也相当高。因此我选择了第二种方案，用MSP430单片机加上内部的ADC作为数字电压表的核心部分。3 方案实现方案实现主要分为四个部分，分别是模块介绍，系统硬件设计，系统软件设计和仿真，最后再出实物，并且仿真和实物还要进行对比验证。图 3-1 系统总体框图3.1 模块介绍3.1.1 MSP430F149单片机 MSP430 系列单片机是TI（德州仪器）在1996年推向市场的一种16位的单片机，其功耗比较低，且是精简指令集（RISC）5。MSP430单片机使用的是“冯诺依曼”结构，这种体系的特点是，程序存储区和数据存储区在同一地址空间，使用的是同一组地址数据总线。(1) MSP430F149单片机引脚图 图3-2 MSP430F149引脚图(2) MSP430F149单片机的特点 处理能力强MSP430单片机是一款采用了RISC的16位单片机，它具有较多的寻址方式,许多模拟指令以及 27 条内核指令；大量寄存器和单片机内部的数据存储器都可以进行多种运算和操作。它的这些特点保证了程序执行的高效性。 超低功耗MSP430 单片机之所以有超低功耗的功能，是因为它降低了电源电压和灵活的控制时钟运行。第一，MSP430单片机使用1.8-3.6V 的电压的作为电源电压。当单片机工作在1MHz 的时钟下，芯片的工作电流最低为165A左右，RAM 工作在保持模式下的最低电流只有0.1A。 第二，它的时钟系统设计的也很独特。在 MSP430 单片机中有两种不同的时钟体系，分别是基本时钟系统和内部振荡器（DCO）时钟系统。可以使用一个或两个晶体振荡器。系统时钟产生 CPU 和各功能模块所需要的时钟，这些时钟可以根据用户的需要，通过软件可以控制打开或关闭，以实现对功耗的控制。 片内资源丰富MSP430 单片机片内外设很丰富，主要有看门狗、定时器A0、定时器A1、定时器B0、模拟比较器A、串口（UART）、串行外设接口（SPI）、I2C、LCD驱动器、10位/12位模数转换器、I/O端口、 DMA、USB控制器和实时时钟（RTC）等。 方便高效的开发环境MSP430 单片机有三种类型的器件,分别是FLASH型，ROM型和OTP型，它们的开发方法也有区别，对于 ROM 型和 OPT 型的器件是通过仿真器烧写或者掩膜芯片，而 FLASH 型器件的开发调试环境则十分便利，因为其内部有 JTAG 调试接口，而且还有可进行电擦写功能的 FLASH 存储器，因此采用把程序先下载到 FLASH 中，再利用软件控制程序运行，通过 JTAG 接口获得片内信息供开发者调试，这种方式十分方便，只需一个 JTAG 调试器和一台 PC 机就可以进行开发了。 (3) MSP430F149单片机的应用MSP430单片机有很多的优点，如超低功耗，强大的处理能力，运算速度快，丰富的片内资源，系统工作稳定和方便高效的开发环境等，也正是因为这些优点，才使得其得到广泛的应用，如用于电量计量，用于水表，热表，气表以及用于人体医学监护等。 这些广泛的应用正是由于它具有以上的很多优点。本次毕业设计选用的是MSP430F149单片机，它属于MSP430x1x系列单片机，这是较早的产品，这款单片机体积小，性价比高，使用灵活，由于产品生产比较的早，各方面的技术很成熟，这也便于查阅相关的资料。本次设计是做一个量程为03.3V的数字电压表，其核心就是AD转换，我选用了MSP430单片机内部的12位ADC，其精度比较高，并且也很稳定，通过模拟输入端采集外界的电压信号，然后把它转换为数字信号，本次设计为了其精确性，连续采集了32次，然后对其求平均值，然后把测量值转换成对应的电压值。MSP430f149单片机还要驱动一块1602液晶，把转换的结果显示在液晶上，用户也很清楚的看到测得的电压值。3.1.2 ADC12 MSP430F149内部的ADC12模块支持快速的12-bit的模数转换。该模块有一个12位的SAR内核，采样选择控制，基准发生器和一个16字的转换与控制缓冲器。转换与控制缓冲器允许多达16路独立的ADC采样并进行转换和存储，无需任何CPU干预。 ADC12转换值计算方法 转换值N=4095*（Vin VR-）/(VR+ - VR-)，其中Vin为模拟输入电压，VR+为正的参考电压，VR-为负的参考电压。 3.1.3 1602液晶1602液晶是一种专门用来显示字母、符号、数字等的点阵型液晶模块，它能够同时显示16X2即32个字符（16列2行）。它是由若干个5X11或5X7的点阵字符位组成的。 (1) 1602液晶引脚图图3-3 1602液晶引脚图表3-1 1602液晶引脚说明(2) 1602液晶控制表表3-2 显示模式设置表3-3 显示开/关及光标设置表3-4 数据指针设置表3-5 其它设置3.2 系统硬件设计3.2.1 电源电路的设计电源是整个系统工作的原动力，在整个系统中是相当重要的，本次设计中用到两种电压值，5V和3.3V，3.3V电压是由5V电压通过LM1117-3.3V稳压块转换和电容滤波而来的，系统中用到绝大部分的电源为3.3V,因为MSP430单片机要保证低功耗，5V电压用在一些模块上，如本次设计要用到的1602液晶，它的正常工作电压就要5V。5V电压有两个来源，一个是通过USB供电，因为USB提供的电压正好是5V，还有一个就是直接外接5V电源。图3-4电源电路3.2.2单片机的时钟电路设计时钟电路是单片机最小系统的一部分，它相当于人的心脏，为单片机正常工作产生所需的时钟信号，单片机内部是一系列的复杂的同步时序电路，为了保证单片机正常的工作，要在时钟信号控制下，产生严格的时序。因此，时钟电路显得尤为重要。时钟电路主要由振体振荡器和电容组成的，如下图的两个时钟电路。时钟1的频率为32.768KHZ,可以用于辅助系统时钟（ACLK），主系统时钟（MCLK）和子系统时钟（SMCLK），时钟2为外部高速振荡器，它的频率相对较高，频率为8MHZ，它可分通过分频作为MCLK和SMCLK的时钟源。 图3-5 时钟1 图3-6 时钟23.2.3 单片机的复位电路设计复位电路的主要功能是在上电时对单片机的进行一些初始化，如寄存器等，还有当程序运行失控时或者使系统处于死锁，可以通过手动复位，可以使使单片机重新启动。复位有3种方式，分别是：上电复位，手动复位和外部脉冲复位。本次设计用到的MSP430F149采用的是低电平复位，当上电瞬间，电容两端的电压不能突变，所有RST也就相当于和地相连，这叫上电复位。当程序运行出错时，可通过手动按下S1，使RST与地相连，完成复位，这叫做手动复位。图3-7 复位电路3.2.4 ADC转换系统电路设计 ADC转换系统电路是本次设计中最核心的东西，然而也是最简单的一块，因为它集成在单片机的内部，硬件电路就不用我们自己去设计了，我们只用把模拟量从模拟输入端输入进去，然后编写程序控制它，就可以实现模数转换的功能了。3.2.5 超出量程报警指示电路设计 本次设计电压表的量程为0-3.3V，当被测电压超过3.3V时，1602液晶上就会给出错误的提示信息，用户就知道被测电压超过量程了。3.2.6 显示电路设计 显示电路有很多种，如我们可以通过数码管和液晶，数码管操作简单，很容易编程控制，但是它显示的内容有限，因此本次设计中选择了1602液晶，它能显示16X2（2行16列）个字符，由单片机的P6.3、P6.4和P6.5分别控制RS、RW和E这3个控制端，P2口作为数据的传输端口，与液晶的D0-D7口相连。图3-8 液晶电路3.3 系统软件设计3.3.1软件的整体设计 首先，初始化MSP430单片机，先进行1602液晶和ADC的初始化，当没有进行测量时，1602液晶显示为0.00V。当要进行测量电压时，启动AD转换，连续采集32次值后，把这些值都保存在数组中，在第32次采集结束时，求这32次的平均值，再把测量的平均值转换成相应的电压，调用1602液晶的写数据函数，把电压写在1602液晶上。另外我还加入了超过量程指示功能，当电压值超过量程时，液晶上会有提示信息。3.3.2程序流程图当P6.0（A0）端口有电压信号输入时，单片机开始进行系统初始化，系统初始化主要包括两个部分，分别是ADC的初始化和1602液晶的初始化，然后就开始启动AD转换，判断是否采集32次，采集32次的原因是为了防止偶然性，提高转换的精确性，如果是32次，求这32次的平均值，否则重新开始采集。当求得32次的平均值后，再利用ADC的转换公式，把其转换成电压，如果电压小于3.3V，在1602液晶上显示电压值，否则显示错误信息。图3-9 程序流程图3.3.3 开发工具和语言介绍本次设计使用的开发工具是IAR Embedded Workbench，它对C/C+语言高度优化，同时也是一个强大的编辑器和一个项目工程管理器，更重要的是它的仿真调试方面很强大。这款开发工具适用于许多8位、16位和32位的MCU，本次用到的MSP430单片机属于16位的单片机，因此也适用。MSP430单片机开发语言有两种，分别汇编语言和C语言，传统的汇编语言开发出来的代码，运行效率高，但是开发难度相对较大，并且代码很难移植。尽管C语言没有汇编的效率高，但是现在很多编译器都对C语言进行优化，而且单片机的钟频率也很高，效率方面已经不是问题了，另外C语言开发相当简单，而且很容易移植。因此本次毕业设计采用了C语言。3.4 仿真验证3.4.1 proteus 简介 proteus12这款软件是英国Labcenter electroics公司出版的，它是世界上著名的仿真软件，从原理图的绘制，代码的调试到单片机的仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计，它可以仿真的处理器很多，如我们常用的80C51,proteus还可以与keil实现联调，也就是可以单步调试，为开发带来了极大的方便，本次设计用的MSP430单片机也可以仿真，还有ARM这种高端的处理器也能进行仿真。在编译器方面它也支持很多种，如keil,IAR,MPLAB等。3.4.2 proteus 仿真图图3-10 proteus 仿真图3.4.3 结果对比 仿真验证还是比较重的一部分，因为之前做的都是理论上的。由于元件库里面没有MSP430F149，所以我选择了MSP430F249，通过查看数据手册，了解到这两款单片机的功能基本一样，完全可以用MSP430F249代替MSP430F149。 P6.0口为模拟输入端，在一个电位器上取不同的电压，通过AD转换把它转换为数字电压，显示在1602液晶上，仿真结果和直流电压表的结果基本一样，这也就达到目的了。 另外，还要注意的是使用AD转换时，当一次数据采集完成后，CPU会通知用户，有两种方式，分别是硬件中断和查询状态标志位，我们都知道中断大大提高了CPU的利用率，所以我们首选ADC中断，但是问题来了，proteus无法识别硬件中断，也就是仿真时会报错，因此我选择了查询法。4 功能扩展4.1 扩展内容 前面我已经完成了对直流电压的测量，而且测量值也比较精确了，然后我就想在此基础上对交流电压进行测量，通过查找资料，我找到一款芯片(LTC1966),它能把输入的交流电压转换成其对应的有效值，再经过运放（LM324）等元件进行滤波和阻抗变换，然后就可以把电压送入我们做的直流数字电压表进行测量了，其有效值就在数字电压表上显示出来了。这样就实现了对交流信号有效值的测量。4.2扩展电路原理图图 4-1 交流转换为有效值电路4.3 工作原理 LTC1996能实现把真实的RMS（有效值）转换成直流，并且它有两个输入端，可以接收单端信号，也可以接入差模输入信号，转换信号的频率为50-1KHZ时比较精确,使用时候很简单只用在外接一个电容就可以实现我们的功能了。交流信号Vi通过IN2输入进来，经过LTC1966把其转换成真有效值，而且是一个直流，由于Vout输入端为高阻状态，需要进行阻抗转换，另外还要对Vout的输出信号进行滤波，所以我使用了LM324（运算放大器），解决了上述两个问题，最后把LM324得到的电压就是稳定的直流了，然后把它送给单片机，就可以像测直流一样，把交流电压的有效值显示在1602液晶上了。如果输入的交流信号辐值太大，LTC1996的转换误差大，所以要次设计选用的辐值为200mV,频率为500HZ的交流信号，如果需要测量大电压，可以通过电压互器把其变到200mV,然后再进行测量。4.4 功能演示 图 4-2 功能演示图 上图输入的是幅值为200mV,频率为500HZ的交流信号，它的有效值我们可以根据公式很容易的算出，为142mV左右，通过液晶上显示的为145mV,有3mV的误差，这部分误差主要来源于3个部分，第一个是真有效值转换部分的误差，第二个部分是经过LM324进行滤波和阻抗变换造成的误差，第三个部分是AD转换部分也有微小的误差。结论本次毕业设计，做的数字电表测直流的量程为0-3.3V，分辨率为0.01V,测得电压在1602液晶上显示，当被测电压测出量程时，在1602液晶上会有提示信息。最后又在测直流的基础上，对其进行扩展，让它测交流信号，经过LTC1966和LM324实现了交流信号（A=200mV,f=500HZ）有效值的测量。在制作中遇到很多困难，如当模拟输入端口时，悬空的端口容易受到其它信号的干扰，这时候即使没有被测电压，1602液晶上也有电压显示。为了解决这个问题，我把这个悬空的端口通过一个大电阻进行下拉，这样问题解决了。这个问题在用软件仿真时，不存在的，在实物上才有的。所以理论和实际还是有差距的。还有一个问题,就是在使用proteus仿真时，我在实物上用的有ADC中断，当用这个程序仿真时，proteus仿真出错，通过查阅大量的资料，才知道proteus不能使用硬件中断，于是改用查询法，问题得以解决。像这种问题还有很多很多，我从中也学到很多解决问题的方法。通过这次毕业设计，自己对以前学的单片机，Altium Designer 和proteus得以加深，同时也学会查阅资料的能力。当然本次设计也有很多不足之处，如量程不够大等,今后自己以一定加强对这方面的学习，来解决这些不足之处。 致谢通过这次毕业设计，我学会了很多东西，如解决问题的能力和自学能力，因为这次用的单片机以前也没有接触过，所以只能通过自己自学，还有就是毕业设计会遇到很多困难，这些都要自己动手查阅资料解决。在这里首先要感谢杨勇老师对我的帮助，告诉我解决问题的方法，以及给予我很多建议，如对交流电压有效值测量的扩展等。同时我还要感谢同学们对于我的帮助和支持。参考文献1 阎石.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社,1985.2 秦龙. 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Ocean Engineering, 2009, 36(6):521-524.附录A:系统原理图扩展部分原理图附录B:实物照片附录C:程序代码main.c/*功能描述：对P6.0对应的模拟通道进行多次转换后，将32次平均值转换成电压 在1602液晶上显示特别说明：如果不进行32次平均，则会看到最低位不停的跳变。*/#include #include 1602.huchar table=0123456789;uint res32; /存放ADC的转换结果unsigned long average;int v3=0;int flag1=0;int flag2=0;void adc_init();void data_transform(unsigned long data);void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; adc_init(); lcd_init(); _EINT(); lcd_display_string(,0,0); while(1) if(average=4091) flag1=1; if(1=flag2) lcd_display_string( ,1,0); flag2=0; lcd_display_string(ERROR!,1,0); else flag2=1; data_transform(average); if(1=flag1) lcd_display_string( ,1,0); flag1=0; lcd_display_string(value:,1,0); lcd_display(tablev0,1,6); lcd_display(.,1,7); lcd_display(tablev1,1,8); lcd_display(tablev2,1,9); lcd_display(V,1,10); /ADC初始化函数void adc_init() P6SEL |= 0x01; / 选择通道0 ADC12CTL0 = ADC12ON + SHT0_15 + MSC; / 打开ADC12, 设置采样时间 ADC12CTL1 = SHP + CONSEQ_2; / 使用采样定时器 ADC12IE = 0x01; ADC12CTL0 |= ENC; / 使能转换 ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 开始转换/把转换结果转换成电压，并分离出来void data_transform(unsigned long data) float val_float; int val_int; val_float=(data*3.3/4095.0)*100; val_int=(int)val_float; v0=val_int/100; v1=val_int%100/10; v2=val_int%10; /ADC12的中断服务函数#pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uchar index = 0; resindex+ = ADC12MEM0; if(index = 32) uchar i; average = 0; for(i = 0; i = 5; /除以32求平均值 ind