20120802电子系统设计基础讲义

电子系统设计基础电子系统设计基础 讲讲 义义 吉林化工学院信控学院吉林化工学院信控学院 电气工程及自动化专业电气工程及自动化专业 刘刘 刚刚 2008 3 172008 3 17 编写编写 2009 6 222009 6 22 改写改写 2012 8 22012 8 2 改写改写 2012 电子系统设计基础讲义 1 目录目录 第 1 章 基于运算放大器的电路设计 2 1 0 课程简介 2 1 1 直流稳压电源设计 2 1 2 运算放大器概述 4 1 3 精密整流电路设计 5 1 4 方波和三角波发生器电路设计 6 第 2 章 基于 Protel 的原理图设计与仿真 9 第 3 章 基于 Protel 的 PCB 板图设计 2 学时 9 第 4 章 MSP430 单片机简介 10 4 1 MSP430 系列单片机的特点 10 4 2 MSP430F413 单片机结构概述 10 4 3 PIO 端口 13 4 4 程序设计及下载举例 14 第 5 章 C 语言编程基础 15 第 6 章 基于 C430 语言的程序设计 15 第 7 章 基于 MSP430 单片机的时钟系统设计 16 7 1 时钟系统硬件设计 16 7 2 程序流程图设计 17 7 3 看门狗定时器模块使用说明 18 7 4 程序设计 18 第 8 章 LCD 显示驱动和带设置按键时钟系统设计 22 8 1 液晶驱动模块使用说明 22 8 2 带设置按键的时钟系统设计 25 第 9 章 定时器 A 的使用 32 第 10 章 直流电机控制系统制作 40 10 1 直流电机驱动电路工作原理 40 10 2 直流电机控制系统硬件设计 43 10 3 电机控制程序设计 45 第 11 章 单相正弦逆变电源设计 51 11 1 单相正弦逆变电路设计 51 11 2 产生双路互补 PWM 信号原理 52 总结及考试 56 附录 焊装练习项目及实验电路图 57 2012 电子系统设计基础讲义 2 第第 1 1 章章 基于运算放大器的电路设计基于运算放大器的电路设计 1 01 0 课程简介课程简介 电子系统设计基础 24 学时 1 5 学分 公共选修课 电子系统功能框图如图 1 0 所示 图 1 0 电子系统功能框图 本课程所含主要内容 1 直流稳压电源和基于运算放大器的电子线路设计 仿真 焊装和制板 2 基于 MSP430F413 单片机的电子系统设计和焊装 学习要点 1 电子设计中的件 路 调 2 MSP430 微控制器 MCU 芯片功能 3 用 C430 语言调用这些功能 专用控制字和外引脚 4 编写 调试 C430 系统监控程序 1 11 1 直流稳压电源设计直流稳压电源设计 使用三端稳压器780和7905构成的 5V直流稳压电源电路如图1 1所示 由 电源变压器 整流桥 滤波电容和三端稳压器组成 2012 电子系统设计基础讲义 3 Vin 1 2 Vout 3 GND 7805 Vin 1 2 Vout 3 GND 7905 12 C 1 470 16V C 2 470 16V C 3 470 16V C 4 470 16V 3 2 1 4 D1 T 7 5V 7 5V 220V GND 5V 5V 图1 1 输出 5V稳压电源的电路图 电源变压器 将交流电网电压变为合适的交流电压 功率损耗约10 整流桥 将交流电压变为单向脉动的电压 功率损耗P IDUD ID和UD是整 流管导通电流和管压降 应选用低压降整流管 滤波电路 将脉动电压转变为平滑的直流电压 利用电容储能原理或充放 电原理滤波 电容滤波适用于小电流电源 三端稳压器 消除电网波动 15 及负载变化的影响 保持输出直流 电压的稳定 输出固定电压的稳压芯片分为78XXX系列和79XXX系列 是最简单的集成 稳压器 每个稳压器只有输入 输出和公共引出端 故称之为三端集成稳压器 78系列是正电压稳压器 79系列是负电压稳压器 通常两者配对使用制作 正负电压对称电源 78系列额定输出电压有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V七个档次 由最后两位数字区分 如7805为5V稳压器 7824为24V稳压器 79系列额定输出电压 额定输出电流表示方法与78系列完全相同 但引脚 顺序不同 使用时必须注意 7800 7900系列外形及引脚定义如图1 2所示 图1 2 外形及引脚定义 焊装时注意整流桥 稳压器和电解电容极性 2012 电子系统设计基础讲义 4 1 21 2 运算放大器概述运算放大器概述 1958 年美国德州公司 TI Texas Instrument 设计出第一片集成电路 只 含有 7 个三极管 能将信号按运算规则放大的器件 1 组成 运算放大器内部结构框图如图 1 3 所示 图 1 3 运算放大器内部结构框图 Vp 与输出同相输入端 Vn 与输出反相输入端 Vo 输出端 输出电压 Vo Av1 Av2 Av3 Vp Vn Avo Vp Vn 2 电路符号 如图 1 4 所示 a 国家标准 b 国际标准 a 国家标准 b 国际标准 图 1 4 运算放大器电路符号 3 运算放大器主要参数及理想模型 运算放大器模型如图 1 5 所示 是压 控电压源模型 2012 电子系统设计基础讲义 5 图 1 5 运算放大器模型 ri 输入端等效电阻 阻值大于 1 M i vv r i np i ro 输出端等效电阻 阻值小于 200 Avo 开环放大倍数 约为 100dB 105 10 万倍 由于运算放大器开环放大倍数很大 输入电阻大 输出电阻小 在分析时 常将其理想化 称其为理想运放 分析和推论如表 1 1 所示 表 1 1 运算放大器理想模型分析和推论 参数实际值理想值推论 ri1 M ip in 0 同相 反相端之间无电流 ro小于 200 0Vo 理想受控电压源 输出不受负载影响 Avo105 线性区 Vom Vo Vom Vp Vn Vo Avo 0 Vp Vn 理想运放工作在线性区 Vp Vn ip in 0 的特点 1 同相端与反相端电位相等 短路 但电流为 0 虚短 2 同相端与反相端电流为 0 断路 但电位相等 虚断 虚短 虚断 是分析运放线性放大电路的关键点 2012 电子系统设计基础讲义 6 1 31 3 精密整流电路设计精密整流电路设计 精密全波整流 也称绝对值 电路如图 1 7 所示 要求电阻 R1 R2 R4 0 5R3 具体元件参数如图中所示 Ui 正半周时 Uo1 为正 D1 截止 D2 道通 构成负反馈闭环 运放 U1 和 U2 反相输入端 2 脚 等电位 电阻 R2 R3 R4 上无电流 Uo Ui Ui 负半周时 Uo1 为负 D1 导通 D2 截止 运放 U1 构成同相比例放大 电路 输出电压 Uo2 1 R2 R1 Ui 2Ui 电阻 R3 与 R4 中电流相等 得 Ui 负半周电路总输出电压 Uo 计算公式如下 4 2 3R UiUo R UiUo Uo 实为正值 UiUiUiUo R R Uo 2 4 3 10K R 1 10K R 2 10K R 4 10K R 5 20K R 3 D1 D2 VC C VC C VEE VEE Ui Uo2 Uo Uo1 2 3 1 A 84 U1A LM 358D 5 6 7 B 84 U1B LM 358D 图 1 7 绝对值电路 实现了 Uo Ui 输入 输出波形如图 1 8 所示 2012 电子系统设计基础讲义 7 图 1 8 绝对值电路输入输出波形图 1 41 4 方波和三角波发生器电路设计方波和三角波发生器电路设计 方波和三角波发生器电路如图 1 9 所示 100k R 2 50k R 1 10k R 3 10k R 5 0 01uF C V 5V 5V 5V 5V GND Vo1 动动动动 2 3 1 A 84 U1A LM 358AD 5 6 7 B 84 U1B LM 358AD 图 1 9 三角波和方波发生器 比较器 A1输出的方波 经积分器 A2积分可得到三角波 三角波又触发比 较器自动翻转形成方波 这样即可构成三角波 方波发生器 图 1 10 为方波 三角波发生器输出波形图 电路振荡周期 2 314 R CRR T 电路振荡频率 CRR R f 314 2 方波幅值 UzUo 三角波幅值 Uz R R Vo 2 1 改变比值可调节三角波的幅值 2 1 R R 2012 电子系统设计基础讲义 8 图 1 10 方波和三角波发生器输出波形图 上述实验电路中集成运放选用 LM358 双运放芯片 引脚排列如图 1 11 所 示 图 1 11 LM358 双运放引脚图 电源电压范围 单电源 GND 0V VCC 3 30V 双电源 1 5 15V GND 接负电源 VCC 接正 2012 电子系统设计基础讲义 9 第第 2 2 章章 基于基于 ProtelProtel 的原理图设计与仿真的原理图设计与仿真 一 绘制电路原理图 见自编 Protel DXP 在电子线路设计中的应用 讲义 第一章 Protel DXP 概述及绘制电路原理图 部分 多媒体演示第一讲所用电路图的绘制 二 电路仿真 见自编 Protel DXP 在电子线路设计中的应用 讲义 第二章 电路仿真 部分 多媒体演示第一讲所用电路图的仿真 三 电路焊装 第第 3 3 章章 基于基于 ProtelProtel 的的 PCBPCB 板图设计板图设计 见自编 Protel DXP 在电子线路设计中的应用 讲义 第三章 印刷电路 板设计 部分 多媒体演示第一讲所用电路图的 PCB 板绘制 2012 电子系统设计基础讲义 10 第第 4 4 章章 MSP430MSP430 单片机简介单片机简介 4 14 1 MSP430MSP430 系列单片机的特点系列单片机的特点 MSP430 系列单片机是德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品 已 在许多领域得到了广泛应用 MSP430 系列单片机具有以下主要特点 1 超低功耗 2 强大的处理能力 3 高性能模拟技术及丰富的片上外 围模块 4 方便高效的开发环境 5 系列化产品 MSP430 系列单片机的各系列产品型号 研发顺序如图 4 1 所示 图 4 1 MSP430 系列单片机各系列产品 4 24 2 MSP430F413MSP430F413 单片机结构概述单片机结构概述 MSP430F413 单片机结构框图如图 4 2 所示 外型如图 4 3 所示 其结构特 点如下 1 16 位 CPU 通过总线连接到存储器和外围模块 2 直接嵌入仿真处理 具有 JTAG 接口 MSP430F413 系列单片机包含以下主要功能部件 1 CPU MSP430 系列单片机的 CPU 和通用微处理器基本相同 只是 在设计上采用了面向控制的结构和指令系统 具有较高的执行速度和效率 增 强了 MSP430 的实时处理能力 2012 电子系统设计基础讲义 11 2 存储器 存储程序 数据以及外围模块的运行控制信息 分为程序存 储器和数据存储器 MSP430F413 的 F 是指该单片机采用 FLASH 型程序存储器 图 4 2 MSP430F413 单片机结构框图 图 4 3 MSP430X413 系列单片机外形图 3 外围模块 片内外设 经过 MAB MDB 中断服务及请求线与 CPU 相连 MSP430F413 单片机包含的外围模块有 时钟模块 看门狗模块 2012 电子系统设计基础讲义 12 定时器 A 比较器 A 液晶驱动器输入输出端口 基本定时器器等 MSP430F413 各引脚定义如表 4 1 所示 表 4 1 MSP430F413 引脚定义 引脚名称编号I O描述 AVCC64模拟正电源端 向电压检测电路 晶体振荡电路 所频环 电路 比较器 A 端口 1 以及液晶分压电阻网络供电 上电不必早于 DVCC AVSS62内部连接于 DVSS DVCC1数字正电源端 提供所有部件电源 由 AVCC 供电的除 外 DVSS63数字地 所有部件的接地端 由 AVCC AVSS 供电的除外 NC7 1 0 1 1 空脚 P1 0 TA053I O通用数字 I O 定时器 A 捕获方式 CCIOA 输入 比 较方式 OUT0 输出 P1 1 TA0 MCLK52I O通用数字 I O 定时器 A 捕获方式 CCIOB 输入 MCLK 输出 注意 在这个引脚上 TA0 只能输入 P1 2 TA151I O通用数字 I O 定时器 A 捕获方式 CCI1A 输入 比较 方式 OUT1 输出 P1 3 SVSOut50I O通用数字 I O SVS SVS 比较输出端 P1 449I O通用数字 I O P1 5 TACLK ACL K 48I O通用数字 I O 定时器 A 输入时钟 ACLK 输出 P1 6 CA047I O通用数字 I O 比较器 A 输入端 P1 7 CA146I O通用数字 I O 比较器 A 输入端 P5 0 S113I O通用数字 I O LCD 段 1 输出端 见注 1 P5 1 S012I O通用数字 I O LCD 段 0 输出端 见注 1 COM036OLCD 公共输出端 COM0 P5 2 COM137I O通用数字 I O LCD 公共输出端 COM1 P5 3 COM238I O通用数字 I O LCD 公共输出端 COM2 P5 4 COM339I O通用数字 I O LCD 公共输出端 COM3 R0340ILCD 模拟电平第四极输入端 P5 5 R1341I O通用数字 I O LCD 模拟电平第三极输入端 P5 6 R2342I O通用数字 I O LCD 模拟电平第二极输入端 P5 7 R3343I O通用数字 I O LCD 模拟电平第一极输入端 RES NMI58 I抚慰输入或非屏蔽中断输入端 TCK57I测试时钟端 TCK 是芯片编程和测试的时钟输入端 TDI55I测试数据输入端 TDI 用作数据输入 芯片的保护熔丝与 TDI 相连 TDO TDI54I O测试数据输出端 TDO TDI 用作数据输出或编程数据输 入端 2012 电子系统设计基础讲义 13 TMS56I测试模式选择端 TMS 在芯片编程和测试时是输入端 XIN8I基本振荡器 XT1 输入端 可以连接标准晶体或晶体振荡 器 XOUT TCLK9I O晶体振荡器 XT1 输出端或测试时钟输入端 注 1 当 LCD 模块控制位置位 不需要 PxSEL 位设置 LCD 功能自动被选择 4 34 3 PIOPIO 端口端口 PIO 端口是并行输入输出端口 8 位 MSP430 单片机 PIO 端口特点 1 类型丰富 P1 P2 P3 P4 P5 P6 S 和 COM 2 功能丰富 I O 中断能力 其它片内外设功能 驱动液晶 具有中断功能的数据输入 输出端口 P1 和 P2 各寄存器符号和功能如下所 述 以 P1 口为例 1 P1IN 输入寄存器 2 P1OUT 输出寄存器 3 P1DIR 方向选择寄 存器 为 1 位输出 为 0 位输入 4 P1IFG 中断标志寄存器 5 P1IES 中断触发沿选择寄存器 6 P1IE 中断使能寄存器 7 P1SEL 功能选择寄 存器 不有中断功能的数据输入 输出端口 P3 P4 P5 和 P6 各寄存器符号和功 能如下所述 以 P3 口为例 1 P3IN 输入寄存器 2 P3OUT 输出寄存器 3 P3DIR 方向选择寄 存器 4 P3SEL 功能选择寄存器 例 1 1 利用 32768Hz 基本时钟 看门狗定时器和 PIO 端口 控制发光二级 管 LED 每秒闪烁 2 次 电路图如图 4 4 所示 2012 电子系统设计基础讲义 14 12 32768H z X TA L 1K R 2 100k R 1 0 1uF C 1 D 1 DVcc 1 P6 3 2 P6 4 3 P6 5 4 P6 6 5 P6 7 6 NC 7 XIN 8 XOUT TCLK 9 NC 10 NC 11 P5 1 S0 12 P5 0 S1 13 P4 7 S2 14 P4 6 S3 15 P4 5 S4 16 P4 4 S 5 17 P4 3 S 6 18 P4 2 S 7 19 P4 1 S 8 20 P4 0 S 9 21 P3 7 S 10 22 P3 6 S 11 23 P3 5 S 12 24 P3 4 S 13 25 P3 3 S 14 26 P3 2 S 15 27 P3 1 S 16 28 P3 0 S 17 29 P2 7 S 18 30 P2 6 C A O U T S 19 31 P2 5 S 20 32 P2 4 S21 33 P2 3 S22 34 P2 2 S23 35 COM0 36 P5 2 COM1 37 P5 3 COM2 38 P5 4 COM3 39 R03 40 P5 5 R13 41 P5 6 R23 42 P5 7 R33 43 P2 1 44 P2 0 TA2 45 P1 7 CA1 46 P1 6 CA0 47 P1 5 TACLK ACLK 48 P1 4 49 P1 3 S V S O ut 50 P1 2 TA 1 51 P1 1 TA 0 M C LK 52 P1 0 TA 0 53 TD O TD I 54 TD I 55 TM S 56 TC K 57 R S T N M I 58 P6 0 59 P6 1 60 P6 2 61 A V ss 62 D V ss 63 A V cc 64 U 1 MSP430F413 V C C S V C C 3 6V 510 R 3 510 R 4 510 R 5 510 R 6 LED 1 LED 2 LED 3 LED 4 G N D 图 4 4 驱动发光二极管电路 4 44 4 程序设计及下载举例程序设计及下载举例 程序清单如下 调出头文件 必须写 includevoid main void 主程序 初始化程序 WDTCTL WDT ADLY 250 基本时钟驱动看门狗定时器 WDT 250ms 中 断 IE1 WDTIE 使能 WDT 中断 FLL CTL0 XCAP14PF 设置时钟电容 P6DIR 0 xF0 设置 P6 4 P6 7 为输出端口 P6OUT 0 xA0 输出 P6 4 P6 7 端口状态 EINT 使能单片机中断 初始化结束 for 主循环程序 BIS SR LPM3 bits 进入低功耗模式 3 LPM3 2012 电子系统设计基础讲义 15 NOP 空操作 为开发软件设断点用 pragma vector WDT VECTOR 中断程序入口地址 interrupt void watchdog timer void P6OUT 0 xF0 异或 P6 4 P6 7 端口状态 2012 电子系统设计基础讲义 16 第第 5 5 章章 C C 语言编程基础语言编程基础 见 C 语言基础 PPT 讲稿 第第 6 6 章章 基于基于 C430C430 语言的程序设计语言的程序设计 见 C 语言基础 PPT 讲稿和 IAR Embedded Workbench 编程演示 2012 电子系统设计基础讲义 17 第第 7 7 章章 基于基于 MSP430MSP430 单片机的时钟系统设计单片机的时钟系统设计 7 17 1 时钟系统硬件设计时钟系统硬件设计 MSP430F413 单片机构成的时钟系统电路如图 7 1 所示 12 32768Hz XTAL 500K R11 500K R9 500K R10 1K R2 100k R1 22pF C1 D1 DVcc 1 P6 3 2 P6 4 3 P6 5 4 P6 6 5 P6 7 6 NC 7 XIN 8 XOUT TCLK 9 NC 10 NC 11 P5 1 S0 12 P5 0 S1 13 P4 7 S2 14 P4 6 S3 15 P4 5 S4 16 P4 4 S5 17 P4 3 S6 18 P4 2 S7 19 P4 1 S8 20 P4 0 S9 21 P3 7 S10 22 P3 6 S11 23 P3 5 S12 24 P3 4 S13 25 P3 3 S14 26 P3 2 S15 27 P3 1 S16 28 P3 0 S17 29 P2 7 S18 30 P2 6 CAOUT S19 31 P2 5 S20 32 P2 4 S21 33 P2 3 S22 34 P2 2 S23 35 COM0 36 P5 2 COM1 37 P5 3 COM2 38 P5 4 COM3 39 R03 40 P5 5 R13 41 P5 6 R23 42 P5 7 R33 43 P2 1 44 P2 0 TA2 45 P1 7 CA1 46 P1 6 CA0 47 P1 5 TACLK ACLK 48 P1 4 49 P1 3 SVSOut 50 P1 2 TA1 51 P1 1 TA0 MCLK 52 P1 0 TA0 53 TDO TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST NMI 58 P6 0 59 P6 1 60 P6 2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 U1 2422231817212019 MSP430F413 LCD No ACD I9013 COM0 COM1 COM2 COM3 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 12345678910111213141516 VCC S VCC Battery 3V 图 7 1 时钟系统电路 复位电路 低电平复位 高电平启动正常工作 时钟电路 32768Hz 晶振提供辅助时钟脉冲 DCO 片内数控振荡器产生 32 32768 1 048MHz 主时钟 副时钟 LCD 七段码显示电路 三个电阻串联分压构成阶梯电压发生电路 供四个 2012 电子系统设计基础讲义 18 COM 使用 使一条段线 S 驱动四个段码 两条段线驱动一位七段显示器 二十 条段线驱动十个七段显示器 7 27 2 程序流程图设计程序流程图设计 MSP430F413 单片机构成的时钟小系统程序流程如图 7 2 所示 图 7 2 时钟小系统程序流程 2012 电子系统设计基础讲义 19 7 37 3 看门狗定时器模块使用说明看门狗定时器模块使用说明 顾名思义 看门狗电路设计的本意是在软件程序执行过程中 若发生程序 跑飞故障 则电路强行使软件重新启动 恢复正常工作状态 随着器件质量的 提高 此类故障发生机率极小 因此 在 MSP430 单片机中又赋予了该电路第 二种功能 即定时器功能 由于看门狗电路中断优先权高 并默认在启动状态 在编程时应先确定其工作模式 看门狗定时器的使用是通过设定看门狗定时器控制寄存器 WDTCTL 的控 制字来完成 WDT 由辅助时钟 fACLK 驱动 其频率为 32KHz 作为定时器时 控制字符号及含义如下 1 WDT ADLY 1000 1000ms 间隔 2 WDT ADLY 250 250ms 间隔 3 WDT ADLY 16 16ms 间隔 4 WDT ADLY 1 9 1 9ms 间隔 7 47 4 程序设计程序设计 程序设计要注意与硬件电路关系 1 控制字与使用模块对应 2 模块的定义符号与芯片引脚对应 3 芯片引脚与外接电路对应 MSP430F413 单片机构成的时钟小系统程序清单如下 文件名称 MSP413C 语言定时程序 文件说明 用 MSP413 看门狗定时器作为定时中断源 include 文件说明 LCD 模块 define LCD IN USE 10 数据定义七段译码表 2012 电子系统设计基础讲义 20 const unsigned char NUM LCD 17 0 xd7 0 x06 0 xe3 0 xa7 0 x36 0 4 0 xb5 0 xf5 0 x07 0 xf7 0 xb7 5 9 0 x77 0 xf4 0 xd1 0 xe6 0 xf1 A E 0 x71 0 x00 F 全熄 unsigned char lcd Buf LCD IN USE 自定义显示缓冲区 用于要显 示的数据 unsigned int cont y0 y1 y2 秒 时 分存储变 量 LCD 模块初始化 void init LCD void char tmpv BTCTL BT fLCD DIV32 set LCD 时钟 P5SEL 0 xfc 置为外围模块 LCDCTL LCDON LCD4MUX LCDP1 4Mux 模式 for tmpv 0 tmpv 10 tmpv LCDMEM tmpv 0 x00 clear LCD LCD 清零模块 void cl LCD void char tmpv for tmpv 0 tmpv 10 tmpv LCDMEM tmpv 0 x00 clear LCD 2012 电子系统设计基础讲义 21 更新 LCD 缓冲区的内容 把数据显示到 LCD void lcd Display void char tmpv lcd Buf 0 y2 10 lcd Buf 1 y2 10 lcd Buf 2 16 lcd Buf 3 y1 10 lcd Buf 4 y1 10 lcd Buf 5 16 lcd Buf 6 y0 10 lcd Buf 7 y0 10 lcd Buf 8 16 lcd Buf 9 16 for tmpv 0 tmpv LCD IN USE 1 tmpv LCDMEM tmpv NUM LCD lcd Buf tmpv 更新 LCDMEM 中的 内容 WDT 中断服务程序 pragma vector WDT VECTOR 中断程序入口地址 interrupt void watchdog timer void cont cont 1 if cont 4 cont 0 y0 y0 1 秒加 1 if y0 60 2012 电子系统设计基础讲义 22 y0 0 y1 y1 1 60 秒为 1 分 分加 1 if y1 60 y1 0 y2 y2 1 60 分为 1 小时 小时加 1 if y2 24 y2 0 24 小时再清零 cl LCD lcd Display NOP 主程序 void main void WDTCTL WDT ADLY 250 WDT 间隔时间为 250ms ACLK IE1 WDTIE 使能 WDT 中断 SCFQCTL SCFQ 4M 设定 TA 时钟为 4MHz init LCD EINT 使能中断 cont 0 y0 0 y1 0 y2 0 for BIS SR CPUOFF 关 CPU NOP C spy 使用 2012 电子系统设计基础讲义 23 第第 8 8 章章 LCDLCD 显示驱动和带设置按键时钟系统设计显示驱动和带设置按键时钟系统设计 8 18 1 液晶驱动模块使用说明液晶驱动模块使用说明 1 概述 液晶段码显示器 又称为 LCD 作为低功耗显示器件广泛应用各类仪器 仪表当中 由于液晶显示机理是吸光型 各段需加交流电压驱动 使得驱动电 路复杂 为了简化外围电路 德州仪器公司生产的 MSP430F4x 系列单片机片内 包含了液晶驱动模块 该模块的特点如下 1 具有显示缓存器 2 所需的 SEG COM 信号自动产生 多种扫 描频率 3 段输出端口可以切换为通常输出端口 4 用 ACLK 经 Basic Timer 产生 LCD 所需频率信号 使用 MSP430F4x 驱动 LCD 时 采用最多的是 4MUX 模式 4MUX 模式是 指 LCD 带有 4 条 COM 线 一条 段线 可驱动 4 段液晶 4MUX 方式驱动七 段码时 COM 与段线连接图如图 8 1 所示 图 8 1 COM 与段线连接图 液晶显示缓存器各个位与液晶的各段对应 液晶显示缓存器和段 COMx 对应关系如图 8 2 所示 缓存器为 1 位对应的液晶段显示 缓存器位为 0 位液 晶段不显示 段 COMx 输出控制能够自动从显示缓存器读取数据 送出相应 信号到液晶玻璃屏上 因为不同器件驱动液晶的段数不同 所以液晶显示缓存 器的数量也不一样 数量越大 驱动能力越强 显示的内容就越多 2012 电子系统设计基础讲义 24 图 8 2 缓存器和段 COMx 对应关系 图 8 3 MSP430F413 单片机阶梯电压产生电路 MSP430F4x 驱动液晶显示时 必须与液晶模拟电压多路器配合使用 在电 压多路器 4 个端子 R33 R23 R13 R03 上产生阶梯电压 MSP430F4x 芯片 R03 引脚必须接于 GND 该点电位为 0V R33 端子输出电压约等于 VCC 当 外接电阻 R9 R10 R11 时 在 R33 R23 R13 R03 端上产生四个等差阶梯 电位 VCC 2VCC 3 VCC 3 和零电位 该阶梯电位供四个 COM 端使用 设 计电路时 R9 R10 和 R11 必须相等 但阻值可在 10K 500K 选取 阻值大 时 静态电流小 功耗低 效果好些 MSP430F413 单片机的 COM 端与液晶显 示器的 COM 连接方法及液晶模拟电压多路器外接分压电阻电路图如图 8 3 所 示 2 液晶驱动译码表设计 按所给电路设计液晶显示驱动程序时要注意以下几个问题 1 各 LCD 显示缓存器位与单片机段线 COM 线的对应关系 如图 8 4 所示 2012 电子系统设计基础讲义 25 图 8 4 显示存储单元位与单片机段线 COM 线的对应关系 图 8 5 LCD 显示屏说明图 2 单片机段线 COM 线与 LCD 显示屏段线 COM 线的连接关系 如 图 7 1 时钟小系统电路图所示 注意 LCD 显示屏 1 脚接 MSP430F413 段线 S0 LCD 显示屏 2 脚结 S1 依此类推 3 LCD 显示屏段线 COM 线与显示数字位和七段码的对应关系 本设 计中使用的 LCD 屏生产厂给出的说明图如图 8 5 所示 将图 8 5 和图 8 4 比对 可设计出单片机驱动显示的七段译码表 如表 8 1 所示 将译码表中的七段码按表中的先后顺序存入单片机常量数组中 译码时 以要显示的十六进制数为索引 查表后的到相应的七段码 送到显示缓存器 LCDMEM 0 对应最左侧数字 最高位 编程时要注意存储单元序号与所显示字 符位置的关系 译码表中设置的第十七个码是全熄码 使显示器的对应位什么都不显示 将此码送入各个显示存储单元即完成整个显示器清屏 若要显示小数点位 包括所对应的汉字 将对应缓存器的相应位 bit3 置 1 即可 2012 电子系统设计基础讲义 26 表 3 1 七段译码表 显示 十六 进制 数字 LCD 偶数段 线 COM3 D 段 LCD 偶数段 线 COM2 E 段 LCD 偶数段 线 COM1 G 段 LCD 偶数段 线 COM0 F 段 LCD 奇数段 线 COM3 小数点 LCD 奇数段 线 COM2 C 段 LCD 奇数段 线 COM1 B 段 LCD 奇数段 线 COM0 A 段 七段码 011010111d7H 10000011006H 211100011e3H 310100111a7H 40011011036H 510110101b5H 611110101f5H 70000011107H 811110111f7H 910110111b7H A0111011177H B11110100f4H C11010001d1H D11100110e6H E11110001f1H F0111000171H 全灭0000000000H 8 28 2 带设置按键的时钟系统设计带设置按键的时钟系统设计 带设置按键的时钟系统如图 8 6 所示 要求通过按键 SW1 SW4 设定时钟 的时 分 秒初始值 系统由 MSP430F413 芯片 时钟晶体振荡器 32768Hz 复位电路 LCD 显示器和电阻分压电路构成 2012 电子系统设计基础讲义 27 12 32768Hz XTAL 500K R11 500K R9 500K R10 1KR2 100k R1 22pF C1 D1 DVcc 1 P6 3 2 P6 4 3 P6 5 4 P6 6 5 P6 7 6 NC 7 XIN 8 XOUT TCLK 9 NC 10 NC 11 P5 1 S0 12 P5 0 S1 13 P4 7 S2 14 P4 6 S3 15 P4 5 S4 16 P4 4 S5 17 P4 3 S6 18 P4 2 S7 19 P4 1 S8 20 P4 0 S9 21 P3 7 S10 22 P3 6 S11 23 P3 5 S12 24 P3 4 S13 25 P3 3 S14 26 P3 2 S15 27 P3 1 S16 28 P3 0 S17 29 P2 7 S18 30 P2 6 CAOUT S19 31 P2 5 S20 32 P2 4 S21 33 P2 3 S22 34 P2 2 S23 35 COM0 36 P5 2 COM1 37 P5 3 COM2 38 P5 4 COM3 39 R03 40 P5 5 R13 41 P5 6 R23 42 P5 7 R33 43 P2 1 44 P2 0 TA2 45 P1 7 CA1 46 P1 6 CA0 47 P1 5 TACLK ACLK 48 P1 4 49 P1 3 SVSOut 50 P1 2 TA1 51 P1 1 TA0 MCLK 52 P1 0 TA0 53 TDO TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST NMI 58 P6 0 59 P6 1 60 P6 2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 U1 2422231817212019 MSP430F413 LCD No ACD I9013 COM0 COM1 COM2 COM3 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 12345678910111213141516 VCC S VCC Battery 3V VCC SW1 SW2 SW3 SW4 10K RS1 10K RS2 10K RS3 10K RS4 RST 58 P6 0 59 P6 1 60 P6 2 61 P6 3 2 图 8 6 带按键时钟系统电路图 1 按键电路 在图 8 6 中按键没有按下时 按键所接单片机引脚被下拉电阻拉低 单片 机 P6 端口低四位读入该位数据是 0 有按键按下时 按键所接单片机引脚直 接接于电源正端 单片机读入该位数据是 1 利用秒定时中断进行巡回检测按 键 发现有键按下时标志位 flag 置 1 停止计时 初始化和确认键按下时 flag 清零 开始计时 按键定义如下 SW1 秒设定键 按下时 秒变量 y0 加 1 到 60 回 0 SW2 分设定键 按下时 分变量 y1 加 1 到 60 回 0 SW 3 小时设定键 按下时 小时变量 y2 加 1 到 24 回 0 SW 4 确认键 按下时 计时程序在设定值基础上重新开始计时 2 程序设计 看门狗定时中断服务程序流程框图如图 8 7 所示 2012 电子系统设计基础讲义 28 图 8 7 看门狗定时中断服务程序流程框图 带按键时钟系统程序清单如下所示 文件名称 MSP430F413 的 C430 语言定时程序 带调时按键 文件说明 用 MSP430F413 看门狗定时器作为定时中断源 include define LCD IN USE 10 数据定义七段译码表 2012 电子系统设计基础讲义 29 const unsigned char NUM LCD 17 0 xd7 0 x06 0 xe3 0 xa7 0 x36 0 4 0 xb5 0 xf5 0 x07 0 xf7 0 xb7 5 9 0 x77 0 xf4 0 xd1 0 xe6 0 xf1 A E 0 x71 0 x00 F 全熄 unsigned char lcd Buf LCD IN USE 自定义显示缓冲区 用于要显示 的数据 unsigned int cont y0 y1 y2 s num flag 秒 时 分存储变量 LCD 模块初始化 void init LCD void char tmpv BTCTL BT fLCD DIV32 set LCD 时钟 P5SEL 0 xfc 置为外围模块 LCDCTL LCDON LCD4MUX LCDP1 4Mux 模式 for tmpv 0 tmpv 10 tmpv LCDMEM tmpv 0 x00 clear LCD LCD 清零模块 void cl LCD void char tmpv for tmpv 0 tmpv 10 tmpv LCDMEM tmpv 0 x00 clear LCD 2012 电子系统设计基础讲义 30 更新 LCD 缓冲区的内容 把数据显示到 LCD void lcd Display void char tmpv lcd Buf 0 y2 10 lcd Buf 1 y2 10 lcd Buf 2 16 lcd Buf 3 y1 10 lcd Buf 4 y1 10 lcd Buf 5 16 lcd Buf 6 y0 10 lcd Buf 7 y0 10 lcd Buf 8 16 lcd Buf 9 16 for tmpv 0 tmpv LCD IN USE 1 tmpv LCDMEM tmpv NUM LCD lcd Buf tmpv 更新 LCDMEM 中 的内容 WDT 中断服务程序 pragma vector WDT VECTOR 中断程序入口地址 interrupt void watchdog timer void s num P6IN 读入低四位 if s num 0 flag 1 switch s num case 1 y0 y0 1 if y0 60 y0 0 break case 2 y1 y1 1 if y1 60 y1 0 break 2012 电子系统设计基础讲义 31 case 4 y2 y2 1 if y2 24 y2 0 break case 8 flag 0 break if flag 0 cont cont 1 if cont 4 cont 0 y0 y0 1 秒加 1 if y0 60 y0 0 y1 y1 1 60 秒为 1 分 分加 1 if y1 60 y1 0 y2 y2 1 60 分为 1 小时 小时加 1 if y2 24 y2 0 24 小时再清零 cl LCD lcd Display NOP 主程序 2012 电子系统设计基础讲义 32 void main void WDTCTL WDT ADLY 250 WDT 间隔时间为 250ms ACLK IE1 WDTIE 使能 WDT 中断 SCFQCTL SCFQ 4M 设定 TA 时钟为 4MHz init LCD EINT 使能中断 cont 0 y0 0 y1 0 y2 0 flag 0 P1DIR 0 xe0 设置 P1 5 P1 6 P1 7 为输出端口 P1OUT 0 xa0 P1 5 P1 7 为 1 输出高电平 P1 6 为 0 输出低电平 for BIS SR CPUOFF 关 CPU NOP 调试程序使用 2012 电子系统设计基础讲义 33 第第 9 9 章章 定时器定时器 A A 的使用的使用 MSP430F413 芯片中含有 TimerA3 模块 如图 4 2 所示 其常用的外引线 有三条 TACLK TA1 和 TA2 TACLK 定时器 A 输入时钟 48 脚 与 P1 6 和 ACLK 输出共用同一引 脚 TA1 定时器 A 的第一通道输入 输出引脚 51 脚 捕获方式 CCI1A 输入 比较方式 OUT1 输出 TA2 定时器 A 的第二通道输入 输出引脚 45 脚 捕获方式 CCI2A 输入 比较方式 OUT2 输出 1 定时器 A 功能及结构 定时器 A 基本结构是一个十六位计数器 由时钟信号驱动工作 结构框图 如图 9 1 所示 图 9 1 定时器 A 结构图 定时器 A 具有多种功能 其特性如下 2012 电子系统设计基础讲义 34 1 输入时钟可以有三种选择 可以是慢时钟 ACLK 快时钟 SMCLK 与单片机主时钟同频 和外部时钟 2 能产生的定时中断 定时脉冲和 PWM 脉宽调制 信号 没有软件 带来的误差 3 不仅能捕获外部事件发生的时间 还可选择触发脉冲沿 由上升沿或 下降沿触发 定时器 A 功能模块主要包括 1 计数器部分 输入的时钟源具有 4 种选择 所选定的时钟源又可以 1 2 4 或 8 分频作为计数频率 Timer A 可以通过选择 4 种工作模式灵活的 完成定时 计数功能 2 捕获 比较器 用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔 捕获比较 功能的引入主要是为了提高 I O 端口处理事务的能力和速度 不同的 MSP430 单片机 Timer A 模块中所含有的捕获 比较器的数量不一样 每个捕获 比较器 的结构完全相同 输入和输出都取决于各自所带控制寄存器的控制字 捕获 比 较器相互之间完全独立工作 3 输出单元 具有可选的 8 种输出模式 用于产生用户需要的输出信号 支持 PWM 输出 2 定时器工作模式 1 停止模式 停止模式用于定时器暂停 并不发生复位 所有寄存器现 行的内容在停止模式结束后都可用 当定时器暂停后重新计数时 计数器将从 暂停时的值开始以暂停前的计数方向计数 例如 停止模式前 Timer A 工作 于增 减计数模式并且处于下降计数方向 停止模式后 Timer 仍然工作于增 减 计数模式 从暂停前的状态开始继续沿着下降方向开始计数 如果不需这样 则可通过 TACTL 中的 CLR 控制位来清除定时器的方向记忆特性 2 增计数模式 捕获 比较寄存器 CCR0 用作 Timer A 增计数模式的周 期寄存器 因为 CCR0 为 16 位寄存器 所以该模式适用于定时周期小于 65536 的连续计数情况 计数器 TAR 可以增计数到 CCR0 的值 当计数值与 CCR0 的 值相等 或定时器值大于 CCR0 的值 时 定时器复位并从 0 开始重新计数 增 计数模式的计数过程如图 9 2 所示 通过改变 CCR0 值 可重置计数周期 图 9 2 增计数模式示意图 3 连续计数模式 在需要 65536 个时钟周期的定时应用场合常用连续计 2012 电子系统设计基础讲义 35 数模式 定时器从当前值计数到单增到 0FFFFH 后 又从 0 开始重新计数如图 9 3 所示 图 9 3 连续计数模式 4 增 减计数模式 需要对称波形的情况经常可以使用增 减计数模式 该模式下 定时器先增 计数到 CCR0 的值 然后反向减计数到 0 计数周期仍由 CCR0 定义