毕业设计（论文）-数字流量计设计.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录第一章引言11.1 智能流量计的历史意义11.2 流量测量分类11.3节流式差压流量计概述21.4 本毕业设计的主要工作2第二章差压事流量计的原理3第三章智能流量计的硬件设计53.1硬件设计概述53.2传感器63.2.1温度传感器632 .2标准孔板732 .3 取压装置的安装93.2.4差压变送器103.2.5绝对压力传感器113.3信号的调理123.3.1温度的补偿123.3.2信号的放大133.3.3滤波电路143.4 A/D转换器163.4.1 A/D转换器简介163.4.2 MSP430F149内置A/D转换器173.5单片机MSP430的选型173.6 16位单片机MSP430F149183.7外围电路203.7.1 电源电路203.7.2复位电路223.7.3看门狗电路223.7.4 键盘键入电路233.7.5 显示电路243.7.6通讯接口25第四章结论31参考文献32谢 辞33第一章 引言1.1 智能流量计的历史意义随着微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，不明白的细节可以到我的群里讨论问我 4429-3550以微型计算机(单片机和嵌入式系统)取代传统仪表的常规逻辑电子线路，开发新一代的具有某种智能的灵巧仪表，已成为仪表开发领域的新趋势。MCU(微控制器或单片机)及嵌入式系统等的问世和性能的不断改善，大大加快了仪器仪表微机化和智能化的进程。MCU本身具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，用它们开发各类智能产品更具有周期短、成本低等优点，因此在计算机和仪表一体化设计中有着更大的优越性和潜力。流量仪是在线测量管道内流体流量的测量仪表，在电力、石油、化工、冶金等行业有着普遍的应用，但目前流量仪的电源功耗普遍比较高，需要铺设专用的电源线和信号传输电缆，给用户造成了较大的不便。MSP430新型智能流量仪是一种超低功耗的流量仪表，仪表具有多种丰富的接口，当采用电池供电和无线数据传输时，无需铺设电缆，方便用户使用，提高仪表的性价比。仪表也可由外部提供电源该流量计适用于各种复杂环境便于携带，并可以和其他上下游设备结合，实现现场流量测量的智能化和多功能化。1.2 流量测量分类测量管流的流量和总量的仪器称为流量计。流量计是工业自动化仪表装置中最重要的大类之一，流量测量己经从过去单纯以生产过程稳定为目的，发展到今天的大规模集中和最佳控制，其应用范围也延伸到医疗、环保、河流测量和农业生产等各个方面。现在，流量计的测量对象已经从液体、气体扩展到了双相、多相流体；测量温度从高温到极低温：压力有低压、中压、高压甚至超高压；测量粘度范围也在不断扩大；流量状态也涉及到层流、紊流、脉动流等。为适应各种测量条件，老式流量计仍在不断完善，新式流量计也层出不穷。流最计的分类一般按照用途分为指示型、记录型、计算型、远传型等；按照测量流体状态分为微流量测最型、小流量测量型、脉动流测量型、双向流测量型等；按照结构和测量原理，国际标准化组织(ISO)制定了流量仪表的分类标准，将所有的流量计分为差压式、浮子式、容积式、涡街式、电磁式、超声式、涡街式、热式、科氏力质量流量计和其他式共十大类，目前正在使用的流量计已经超过100种，而且随着微电子技术、计算机技术和传感器技术的不断发展新式的流量计将不断出现。1.3节流式差压流量计概述差压流式量计是跟据安装在管道中节流件前后的压差，已知的流体条件和节流件的几何尺寸来推算流量的仪表。差压流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表。目前工业流量测量领域中，差压式流量计占流量仪表总数的l3以上，其中用的最多的是由节流装置和差压计组成的节流式流量计。节流式流量计得到如此广泛的应用，主要是因为它具有两个非常突出的优点.结构简单，作可靠，成本低，又具有一定的准确度，基本能满足工程测量的需要。研究设计和使用历史悠久、有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。只要按照标准设计加工的节流式流量计，不需要进行定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。1.4 本毕业设计的主要工作根据毕业设计任务书和电厂实际工况的要求，此次毕业设计的主要工作是对蒸汽压力、蒸汽压差、以及蒸汽的温度三种主要模拟信号的采集并转换为数字信号。通过信号的放大和滤波以及信号强度的调理，最后送入msp430f149单片机中进行较为复杂的运算。并把运算结果输出到显示器。传感器、单片机等主要器件的选择，完成硬件电路设计，包括以单片机为核心组成具有数据采集、数据显示、按键控制、和穿行通道，各种电路的绘制工作。第二章 差压事流量计的原理温度、压力补偿流量计的基本原理是，测量流体的体积流量、温度和压力值，根据已知的被测流体密度与温度压力之间的关系，通过计算，吧测量的体积流量数值自动换算到标准状态下的体积流量值。由于被测流体种类一定后，其标准状态下的密度是定值，所以标准状态下的体积流量就代表而来流体的质量流量值。连续测量温度、压力比连续测量密度容易。因此工业上所用的质量流量计多采用这种原理。对于现在热力发电厂高温高压蒸汽流量测量来说，采用标准标准节流装置的变压降流量计是目前唯一的测量方法。这种测量方法的基本公式为： （2-1）式中 为瞬时质量流量； 为流量系数； 为流束膨胀系数； 为工作温度下截留件开孔直径； 为工质密度； 为节流件前后的压差根据标准节流装置变压降流量测量原理，式(2-1)中的a，和都随使用条件的变化而发生变化，必须求的使用条件下的各参数值，才能达到准确测量的目的。 a是直径比（节流件开孔直径与管道直径D的比值）、管道直径D、管道粗糙度K和雷诺系数的函数；在确定的适用场合中仅雷诺系数是变量，a与的关系近似为a=。式中 ； 是由直径比和管道直径决定的常数。在计算雷诺数时，必须知道瞬时质量流量，而流量值又是待定的，因此在计算中要反复迭代。 可以表示为=，式中的为节流元件前的压力值，k是工质定熵指数。同样，在确定的使用场合中，仅仅是的函数，有以下近似关系：（2-2） 式中是由和k决定的常数。 （2-3）为时实测的节流软件的开孔直径； 是节流件的膨胀系数。工质密度是工质温度和压力的函数，对水蒸气来说，密度和温度、压力关系的非线性非常严重，密度随温度、压力变化较大，因此求得的准确的密度函数计算公式，是提高仪表准确度的关键之一。经采用一元正交和二元正交拟合的方法，得到了干饱和蒸汽的过热蒸汽的密度公式。对于干饱和蒸汽，密度计算公式为 （2-4） （2-5）式为（2-3）的范围为0.11Mpa式为（2-4）的范围为15Mpa。对于过热蒸汽，在0.417Mpa、100580范围内，拟合最大大误差为，其中p为过热蒸汽压力；T为热力学温度；A（i）为常数。可由式（2-1）得出瞬间流量，再由以下公式得出累积流量 （2-6）将温度传感器、压差传感器和绝对压力传感器所采集的数据代入公式便可得到瞬时流量和累积流量。第三章 智能流量计的硬件设计3.1硬件设计概述智能流量仪系统硬件体系结构的选择，主要是根据应用系统的规模大小、控制功能性质及复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。硬件设计过程中，器件在选择和筛选，在布线和安排时，要注意制作技术和装配技术，以克服电气干扰。根据系统规模及可靠性要求考虑，本智能流量仪采用单片机系统。系统硬件组成主要有：压力传感器、压差传感器、绝对压力传感器、16位单片机MSP430F149、RS232串口通信、电源、LED显示器、键盘输入电路等。在电路部分设计中，尽可能采用典型的线路，力求标准化；电路中的相关器件性能必须匹配；为确保仪表能长期可靠运行，还须采取相应的抗干扰措施，包括去耦滤波、合理的走线与布局以及通道隔离等。系统总体框图如2-1。MSP430F149单片机差压传感器温度传感器信号调理信号调理LED通讯接口复位电路键盘绝对压力传感器图2-1 硬件设计总框图3.2传感器3.2.1温度传感器 温差电势（汤姆逊电势）是一根导体上音量端温度不同而产生的热电动势。当同一导体两端温度不同时，高温端的电子能量比低温端导体的电子能量大，因而从高温端跑到低温端跑到低温端的而电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果，高温端失去电子而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，从而在高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。该电厂阻止电子从高温端跑到低温端,最后达到动态平衡状态，既从高温端跑向低温端的电子书等于从低温端跑向高温端的电子数。动态平衡时产生一个电位差，该电位差成为温差电势。此电势至于导体性质和导体两端温度有关，而与导体长度、截面大小、沿导线上的温度分布无关。如均匀导体A两端的温度为t和则在导体之间的温差电动势为 （3-1）图3-1 塞贝克效应示意图温度传感器采用镍镉-康铜热电偶（E型）。镍镉-康铜热电偶是一种贱金属热电偶，测量范围为-200900,热电偶直径在0.33.2mm。直径不同使用温度也不同，本次选用的直径为3.2mm，长期使用温度为750，短期使用温度可达900。远超过本次毕业设计的检测范围，而且镍镉-康铜热电偶（E型）热电偶在高湿度的气氛中不易被腐蚀，其分度表见表2-1镍镉-康铜热电偶（E型）在0摄氏度时产生5.648mv的电动势而在500摄氏度时产生37.005mv的电动势。也就是说温度模拟信号的范围是037.005mv。 温 度 0102030405060708090热 电 动 势 mV00.0000.5911.1921.8012.4193.0473.6834.3294.9835.6481006.3176.9967.6838.3779.0789.78710.50111.22211.94912.68120013.41914.16114.90915.66116.41717.17817.94218.71019.48120.25630021.03321.81422.59723.38324.17124.96125.75426.54927.34528.14340028.94329.74430.54631.35032.15532.96033.76734.57435.38236.19050037.00537.80838.61739.42640.23641.04541.85342.66243.47044.28660045.08545.89146.69747.50248.30649.10949.91150.71351.51352.31270053.11053.90754.70355.49856.29157.08357.87358.66359.45160.23780061.02261.80662.58863.36864.14764.92465.70066.47367.24568.01590068.78369.54970.31371.07571.83572.59373.35074.10474.85775.608100076.358表 3-1镍铬-康铜热电偶（E型）分度表（冷端温度为0）32 .2标准孔板如果在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，当流体流经节流件时就会造成局部收缩。在收缩处，流速增加，静压力降低，在节流件前后产生静压差。实践证明，对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段，在一定的流体参数情况下，节流件前后的差压p与流量q，之间有一定的函数关系。因此，可以通过测量节流件前后的压差来测量流量。流体通过孔板的流动情况如图 所而且还有逆向运动，是一种非常复杂的流动状态，所以孔板的压力损失较高，就是由这些涡流造成的。我国国家标准GBT2624-1993对标准节流件作了规定，详细规范了标准节流装置的形状、结构参数、使用范围等。目前已经规定的标准节流件有标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、文丘里管及文丘里喷嘴。图3-2 标准孔板的示意图标准孔板是一块具有圆形开孔、与管道同心、直角入口边缘非常锐利的薄板，其轴向界面如图123所示（1）上游端面A连接孔板表面忍一两点的直线相对于轴线的表面的斜度应小于0.5%，平面偏差h如图所示。上有端面A的表面粗糙上游端面A的表面粗糙度Rad。（2）下游端面B下游端面B应该是平的，且与上游端面A平行，下游端面B的表面粗糙度可以放宽些。（3）孔板厚度E和节流件厚度e孔板厚度E=e-0.05D节流孔板厚度e=0.05D-0.02D50mm在孔板的任意点上测得的各个E值之间不大于0.001D(4)斜角F为45.32 .3 取压装置的安装每个取压装置至少有一个上游取压孔和一个下游取压孔，不同取压方式的上、下游取压孔位置都必须符合国家标准的规定。节流件上下游取压孑L的位置不同，所取得的差压亦不同，如图25所示。取压口的位置表征标准孔板的取压方式，一般分为角接取压、法兰取压、径距取压、缩流取压和管接取压五种，标准孔板常用角接取压法和法兰取压法。取压方式不同的标准孔板，其取压装置的结构，孔板的适用范围。法兰取压装置图3-3 法兰取压装置示意图标准孔板的上下游两侧均用法兰连接，在法兰中钻孔取压如图27所示。取压孔的轴线离孔板上下游端面的距离s和S名义上均为254mm，并必须垂直于管道的轴线；当p06和DO60但150mmD1000nun时，应为25，41111f之间。取压孔的轴线应与管道轴线直角相交，孔口与管内表面平齐，孔径bO13D并小于13mm。3.2.4差压变送器在孔板两侧安装压差传感器以完成差压信号的采集，在电厂蒸汽的工况下一般的传感器难以承受如此高的温度，但是因为安装压差变送器时，在孔板两侧法兰开孔上方一般采用压力采集管，高温蒸汽在温度在此得以降低，不会对压差变送器造成损坏，所以使用120摄氏度左右的变送器是能够达到设计要求的。差压变送器选用德国SENSE公司生产的sdps3单晶硅智能压力传感器图3-4 Sdps3单晶硅智能压力传感器主要技术参数：工作电压：4.5-5.5（典型值：4.7V）工作电流：0.6-0.7mA量程范围:1Kpa-4Mpa输出信号：0 1000mV零点输出：0100mV允许容性负载：300pF阻性负载: 1k工作温度：-40-120摄氏度该压差传感器是基于HART的传输协议的传感器，可通过HART协议直接读出差压值的数字量，本设计还是用其模拟信号进行A/D转换分别获得压力和温度的A/D值。输出的模拟信号采用AD620运算放大器3.2.5绝对压力传感器绝对压力传感器是采集绝对压力信号的，就没有压差传感器要求那么严格，绝对压力传感器的安装不和孔板在一处，应该在附近管道没有弯曲部分寻找一处以安装绝对压力传感器PTB2133 壳体型工业压力变送器，蒸汽压力传感器高质量的传感器，特别适合用于对液压、气压等介质的压力进行测量，甚至用于恶劣环境如污水、蒸汽、轻度腐蚀性、气体测量。图3-5 PTB2133 壳体型工业压力变送器技术性能：量程 ： 0-150MPa准确度 ： 0.5FS（包括非线性重复性迟滞性在内的综合误差）输出信号： 05VDC供电电压：24VDC介质温度： -30105环境温度： -30105零点温度漂 移： 0.02FS量程温度漂移： 0.02FS补偿温度： 0-70安全过载： 150FS极限过载： 200FS响应时间： 5 mS（上升到90FS）振动影响： 对频率为10100KHZ,加速度为10g,全部影响小于0.1FS测试介质： 与17-4PH不锈钢兼容的各种液体，气体外壳材料： 304或 316不锈钢长期稳定性： 0.2FS/年压力连接： M20*1.5,M14*1.5,M12*1,G1/2,G1/4,G1/8,1/2NPT,1/4NPT,1/8NPT螺纹或根据客户需要定做电气连接：密封端子直接引线、3.3信号的调理3.3.1温度的补偿从热电偶的测温原理中知道没热电偶的电势大小不但与热电偶的温度有关，而且与冷高端温度有关，只有在冷锻温度恒定的情况下，热电势才是正确的反应热端的温度高低。在实际应用时，热电偶的冷端放置在距热端很近的大气中，受高温设备和环境温度的影响较大，因此冷端温度不可能是恒定值。为消除冷端变化对测量的影响，可采用以下几种补偿方式：计算法、冰点槽法、多点冷端温度补偿法和补偿电桥法。根据本题目的条件本毕业设计选择了补偿电桥法。补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势温度变化。冷端温度补偿电桥是一个不平衡电桥，如下图所示：图3-6补偿电桥原理图桥臂电阻R1、R2、 R3和Rcu与电阻冷端处于相同环境下。其中R1=R2= R3=1欧姆且都是锰铜线绕电阻，Rcu是铜导线绕制而成的补偿电阻。E=220伏是交流电源；Rs是限流电阻通过改变限流电阻的阻值来改变流过桥臂的电流，可是电桥与不同类型的热电偶配合使用。本此毕业设计采用WBC-02型补偿电桥配合镍镉-康铜热电偶使用。WBC-02型补偿电桥性能指标如下：供电电源：220V交流电源补偿温度：050电桥平衡时温度：20内阻：1功耗：8W外形尺寸：22011372（mm）补偿误差：0.18mv3.3.2信号的放大运算放大器采用仪器用放大器AD620，它具有精度高（最大非线性为40ppm，最大失调电压为50，最大失调漂移为0.6/）、低价格、使用方便等优点。他只需外接一个电阻，便可得到11000以内的任意增益。工作电压范围为2.318V。AD620的增益是由Rg决定的。增益公式：（3-1） AD620是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整芯片内部点组绝对值，只需一个电阻百年可实现对增益的精确编程（G=100时可达0.15%）。单芯片结构和激光晶片圆调整允许对电路原件进行严格匹配与跟踪，从而可确保此电路本身具有高性能。经过计算电压信号放大81倍便可达到MPS430F149单片机模拟输入接口的工作电压范围内，因为AD620放大器在增益为100左右倍时放大失真最低，故达到了低失真放大的效果。当增益为81时Rg=67.15，其模拟信号范围为02.997V。图3-7 AD620运算放大器原理图3.3.3滤波电路通常，按照滤波电路的工作频率带为滤波电路命名，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。设置截止频率为，频率低于的信号能够通过，而高于被衰减的滤波器为低通滤波器。介于信号为直流电压信号为增强信号质量出去杂波考虑使用一个一阶低通滤波器。其结构图如下：图3-8一阶低通滤波器同相输入低通滤波器式中成为特征频率。令,可获得通带放大倍数（3-2）当时，故通带的截止频率.3.4 A/D转换器3.4.1 A/D转换器简介A/D转换器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/数转换器,即是将模拟信号(电压或是电流信号形式)转换成数字信号。这种数字信号可让仪表,计算机外设接口或是微处理机来加以操作。 A/D 转换器 (ADC)的型式有很多种，方式的不同会影响测量后的精准度。A/D 转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D 转换芯片。A/D 转换器按分辨率分为4 位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的31/2 位、51/2 位等。按照转换速度可分为超高速（转换时间等于330ns），次超高速（3303.3S），高速（转换时间3.3333S），低速（转换时间大于330S）等。 A/D 转换器按照转换原理可分为直接A/D 转换器和间接A/D 转换器。所谓直接A/D 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。 其中积分型A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，且能做到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D 转换功能，使用十分方便。ADC 经常用于通讯、数字相机、仪器和测量以及计算机系统中，可方便数字信号处理和信息的储存。ADC 具备一些特性，包括：1.模拟输入，可以是单信道或多信道模拟输入；2.参考输入电压，该电压可由外部提供，也可以在ADC 内部产生；3.频率输入，通常由外部提供，用于确定ADC 的转换速率；4.电源输入，通常有模拟和数字电源接脚；5.数字输出，ADC 可以提供并行或串行的数字输出。在输出位数越多(分辨率越好)以及转换时间越快的要求下，其制造成本与单价就越贵。 一个完整的A/D转换过程中，必须包括取样、保持、量化与编码等几部分电路。3.4.2 MSP430F149内置A/D转换器在MSN30F149单片机里， ADC模块为12位的ADC模块，叫做ADCl2。ADC12模块支持快速的12位AD转换。ADCl2模块应用了12位的SAR核、采样选择控制、参考产生和16位的转换控制缓冲区。转换控制缓冲区可以支持多达16个ADC采样转接存储。ADCl2模块主要有以下特点。1.采样速度快。2.在采样周期可以编程的情况下，采样保持的时间可以由软件或者定时器控制。3.转换开始可以由软件、定时器A和定时器B实现。4.片内参考电压的产生可以由软件编程选择，也可以由软件选择内部参考还是外部参考。 5.每个信道可以单独选择正极性或者负极性的参考源。6.可以选择的转换时钟源。7.具有单通道单次转换、单通道多次转换、序列通道单次转换和序列通道多次转换种转换模式。8.ADC转换核和参考电压能够单独关断以节省功耗。9.具有中断矢量寄存器，这样可以快速解码ADC的各个不同中断。10.16位的转换结果存储寄存器。3.5单片机MSP430的选型用单片机进行适当扩充和接口，可满足一般智能仪器的需要。单片机技术的发展，在许多方面都展示出它的优越性，如芯片集成度高，可靠性高，支援芯片种类多，体积重量小等。单片机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从如下几个方面考虑是否符合控制系统的要求。1、字长与一般计算机一样，单片机字的长短会直接影响数据的精度、指令的数目、寻址能力和执行操作的时间。一般说来，字越长，对数据处理越有利，但从减少辅助电路的复杂性和降低成本的角度考虑，字短些为宜。所以应根据不同对象和不同要求，恰当选择。在过程控制领域中，一般选用16位的单片机，就能达到一般的控制要求。2、寻址范围和寻址方式单片机地址码长度反映了它可寻址的范围。寻址范围表示了系统中可存放的程序和数据量，用户应根据系统要求选择与寻址范围有关的合理的内存容量。单片机的寻址方式一般有直接、间址、变址寻址等，选择恰当的寻址方式，会使程序量大大减少。3、指令种类和数量一般来说，指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快，程序量减少。字越短的单片机，通常指令条数也会少一些。4、内部寄存器的种类和数量单片机内部结构也是关系到系统性能的重要方面。单片机一般都包含有通用寄存器组、程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、累加器等。它们的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加快了执行速度。5、单片机的速度单片机的速度应该与被控制对象的要求相适应，有时盲目追求高速度会给系统的安装、调试带来不必要的麻烦，如高速工作时引线之间的串扰就是令人头痛的问题。6、中断处理能力在控制系统中，中断处理往往是主要的一种输入输出方式。单片机中断功能的强弱往往涉及到整个系统硬件和应用程序的布局。除上述六个方面外，单片机的外围电路的配套、器件的来源、软件的支持等，也是设计人员必须考虑的因素。在工业控制系统中，对常规外围设备一般要求不高。在多数情况下，只要考虑显示和键盘及串行通信口即可。3.6 16位单片机MSP430F149本课题研制开发的基于MSP430单片机的智能流量仪采用美国TI公司的超低功耗16位单片机MSP430F149作为系统芯片。它使得整个系统设计成本降低，降耗节能，而且测量精度也大大提高，满足了测量流量系统的设计要求。MSP430F149单片机，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。其存储器模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，同其它微处理器相比，既缩小了线路板空间，又降低了系统成本，在系统设计、开发调试及实际应用都表现出较明显的优点，它具有以下特点：1.超低功耗 MSP430F149运行在1MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0.1400A，工作电压为1.83.6V。2.强大的处理能力 MSP430F149具有丰富的寻址方式，片内寄存器数量多，存贮器可实现多种运算，有高效的查表处理方法，这些特点保证了可以编制出高效的程序。MSP430F149的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6ps。3.丰富的片上外围模块MSP430F149集成了较多的片上外围资源，可实现多种功能。它由以下部分组成：基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器；看门狗定时器Watchdog Timer可用作通用定时器；带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器TimerA和TimerB；2个具有中断功能的8位并行端口P1和P2；4个8位并行端口P3、P4、P5和P6；模拟比较器ComparatorA；12位A/D转换器ADCl2；2个串行通信接口USARTO和USARTI；60KB+256字节Flash，2KB的RAM，以便进行运算处理。图3-9 MSP430F149单片机4.方便高效的开发方式 MSP430F149具有Flash存储器，这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的JTAG接口或片内BOOT ROM，可以在一台PC及一个结构小巧的JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。5.系统工作稳定 MSP430F149单片机在上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，保证程序从正确的位置开始执行，同时也保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。在完成上述工作后，软件可以设置特定的寄存器的控制位来确定最后的系统工作时钟频率。在CPU运行中，如果MCLK发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作，如果程序出错的话，可以通过设置看门狗来解决。在程序跑飞的时候，看门狗会出现溢出的情况，这时看门狗产生复位信号，使系统重新启动，从而保证系统运行的稳定性。6.适应工业级运行环境 MSP430F149的运行环境温度范围为-4085，所设计的产品适合运行于工业环境下。7. 图中RST/NMI是复位信号输入端不可屏蔽中断输入端。TCK是测试时钟，用于器件编程和测试时的时钟输入端。TMS是测试方式选择，器件编程和测试输入端。TDI是测试数据输入轨，TDO/TDI是测试数据输出端编程时数据输入端。3.7外围电路3.7.1 电源电路因为部分电路采用5V直流电源，而部分采用3.3V供电电源所以先设计一个5V的供电电源，再利用5V的电源产生3.3V的电源。5V电路部分三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。 三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。图3-10 5V电源电路设计图最后在C2两端接一个输出电源的插针。 虽然7805最大电流是一安培，但实际使用一般不要超过500mA,否则会发热很大，容易烧坏。一般负载电有200mA以上时需要散热片。3.3V供电源部分本部分的电路的供电电源是5V供电正是上一部分电路的输出电源。考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此该硬件系统的电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现，该芯片能很好满足该硬件系统的要求，另外该芯图3-3 电源电路片具有很小的封装，因此能有效节约PCB板的面积。为了使输出电源的纹波小，在输出部分用了一个2.2F和0.1F的电容，另外在芯片的输入端也放置一个0.1F的滤波电容，减小输入端受到的干扰。电源电路具体如图3-3所示。3.7.2复位电路在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以采用R-C复位电路，也可以采用复位芯片实现的复位电路。R-C复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，该系统采用复位芯片实现的复位电路，该系统采用MAX809芯片。为了减小电源的干扰，还需要在复位芯片的电源输入腿加一个0.1F的电容来实现滤波以减小输入端受到的干扰。复位电路如图3-4所示。图3-4 复位电路3.7.3看门狗电路图3-5 看门狗电路电路如图3-5所示，MR和WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P5.4脚，RESET接单片机的复位输入脚RESET该电路的主要功能有：1)系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压465V，RESET端输出200MS的复位信号，使系统复位。2)对+5v电源进行监视：当+5v电源正常时，RESET为低电平，单片机正常运行；当电源电压降到+465V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位3)看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在16s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR 端有一个内部250MA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平总之，在该应用电路中，仅外接一个二极管，芯片即可完成以上三个功能在系统对抗干扰要求不太高的情况下，这种电路就可以满足需要另外，在调试中将D断开，就可以不考虑“喂狗”信号Max813l管脚电气特性：MR：人工复位输入端Vcc：+5V电源GND：电源地PFI：电源故障监测输入端PFO：电源故障输出端WDI：看门狗检测输入端REST：复位信号输出端WDO：看门狗输出3.7.4 键盘键入电路键盘电路主要是用来输入数据，从而实现人机对话。该系统的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。键盘的电路图如图3-5所示。由图3-5可以看出该矩阵扫描键盘由行线和列线组成，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3构成了键盘的列线，P1.4、P1.5、P1.6和P1.7构成了键盘的行线。键盘的行线作为键盘的控制输出端，键盘的列线作为键盘的输入端。在设计时为了程序设计的方便性，键盘的列线采用的是P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。这样可以利用该管脚的中断功能。键盘的列线P1.0、P1.1、P1.2和P1.3通过上拉电路将该四个管脚拉高，这样在没有按键按下的情况下，该四个管脚的电平为高电平，如果有按键按下时，则相应的列线管脚为低电平，这时通过设置P1.0、P1.1、P1.2和P1.3为低电平触发中断方式，低电平就触发中断而进入中断服务程序，从而获得输入的数据。具体分析下键盘的工作原理，首先将P1.4、P1.5 、P1.6和P1.7设置为输出，将P1.0、P1.1、P1.2和P1.3设置为输入，并将P1.0、P1.1、P1.2和P1.3图3-5 键盘输入电路设置成低电平中断触发方式；将P1.7设置为低电平，如果该行上有按键按下的话，则P1.0、P1.1、P1.2或P1.3上为低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，获得输入的数据。如果没有键按下的话，则P1.0、P1.1、P1.2和P1.3均为高电平，不会进入中断服务程序。依次将P1.6、P1.5和P1.4设置为低电平来判断该行是否有输入，如果没有输入的话，P1.0、P1.1、P1.2和P1.3均为高电平，如果有输入的话，P1.0、P1.1、P1.2或P1.3上为低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，获得输入的数据。键盘的扫描时间时很短的，仅仅几微秒的时间，然而按键的时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有键按下的话是都可以被扫描到的，但是按键按下时有一定的时间抖动，因此软件设计一定要考虑键盘的抖动处理。3.7.5 显示电路系统的显示电路采用的是简单的LED显示方式，这样的方式能满足该系统的要求，也可以减低系统的成本。图3-6为该系统的显示电路。图3-6 LCD显示电路通过图3-6可以看出，该显示电路直接与单片机的数据I/O口进行连接，由于MSP430F149具有丰富的I/O口资源，这样采用并行的接口方式非常容易，减小了系统设计的复杂度，也可以增加系统的可靠性。P4.0P4.6是用来显示数据，P2.1是用来控制小数点的显示，P2.2、P2.3、P2.4、P2.5和P2.6是用来控制数码管的选通状态，比如要在DISO上显示，则要在P2.2管脚上给出高电平，通过三极管选通数码管进行显示。3.7.6通讯接口SP3220芯片1、SP3220芯片介绍SP3220是一款低功耗的RS232驱动芯片，该芯片有以下特性。（1） 宽电压供电，供电电压为：3.3V5.0V。（2） 上传速率可达235Kbps。（3） 低功耗的电流为1uA。（4） 增强性ESD规范。为了便于硬件电路的设计，下面图3-7给出该芯片的管脚图：由图3.7可以看出，该芯片具有16个管脚，下面是具体的管脚功能。图3-7 SP3220EEN/:接收使能管脚。SHDN/:低功耗控制管脚。C1+、C1-:电压增倍的充电电容的正极和负极。C2+、C2-:倒置充电电容的正极和负极。V+、V-:由充电电容产生的5.5V的正极和负极。Vcc:电源管脚。GND:接地管脚。T1OUT:RS232驱动的输出。T1IN:TTL/CMOS的输入。R1OUT:TTL/CMOS的输出。R1IN:RS232的输入。 RS232电路该系统实现的RS232电路上要是与上位机进行通信，实现单片机系统与上位机进行通信处理。由单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转换，这里采用SP3220芯片来完成接口电平的转换。关于SP3220芯片在前面给出介绍，在这里不再进行说明。为了加深对RS232电路的了解，下面给出该电路的设计图，图3-7为采用SP3220芯片实现的RS232电路图。由图可以看出，通过一个上拉电阻将SHDN管脚拉高，使该芯片一直处于待机状态，如果系统需要处于低功耗状态，也可以通过单片机来控制该管脚，工作的时候将该管脚设置为低电平，在需要处于低功耗的时候将该管脚设置为高电平，这样很容易实现芯片工作状态的控制。在管脚C1+、Cl-、C2+、C2-、V+和V-分别放置0.1F的电容实现充电作用，满足相应的充电泵的要求。管脚TIOUT、TIN、RIOUT和RIN分别是RS232转换的输入输出脚，实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。考虑到减小电源的干扰，还需要在芯片的电源输入腿加一个0.1F的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。图3-8 RS232电路图RS485电路由于rs232接口传输速率低，通讯距离短，为了达到远距离传输的的目的，所以用RS-485转换接口来实现远距离传输的的功能。RS-485采用差分信号负逻辑，2V6V表示“1”，- 6V- 2V表示“0”。RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。RS-485电气特性项目条件最小值最大值驱动器开路输出电压逻辑11.5V6V逻辑0-1.5V-6V驱动器带负载输出电压,逻辑11.5V-5V,逻辑0-1.5V-5V驱动器输出短路电流每个输出对公共端驱动器输出上升时间总周期的30%驱动器共模电压接收器灵敏度-7VVCM12V200mV接收器共模电压范围-7V+12V接收器输入电阻12kMAX481芯片是用于RS-485接口的收发器，含有一个驱动器和一个接收器，满足RS-485的标准，总线最多允许32个收发器。MAX481芯片是专门为在多点总线传输上实现数据双向通信而专门设计的，他们也可以作文通信中继使用。为了减少MAX481芯片在线路上的反射，线路两端应接上与之匹配的额特性抗阻，并且要使其竟可能短的主线路支线。引脚序号引脚名称电气特性1RO接收器输出，若A大于B200mV，RO为高；若A小于B200Mv，RO为低2RE接收器输出使能端，低有效3DE接收器输出使能端，DE为高时，器件为线驱动器，DE为低时器件为线接收器4DI驱动器输入5GND地6A同相接收器输入和同相驱动器输出7B反相接收器输入和反向驱动器输出8Vcc电源争端输入MAX481芯片管脚说明书图3-9 RS-485电路很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单