基于MSP430单片机的电子测重仪设计.doc

金金 华华 职职 业业 技技 术术 学学 院院 JINHUAJINHUA COLLEGECOLLEGE OFOF PROFESSIONPROFESSION ANDAND TECHNOLOGYTECHNOLOGY 毕业教学环节成果毕业教学环节成果 题 目 基于 MSP430 单片机 的电子测重仪设计 学 院 信息工程学院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 金华职业技术学院毕业教学成果金华职业技术学院毕业教学成果 目目 录录 摘要 1 英文摘要 2 引言 3 1 单片机的发展 4 2 电子测重仪的相关理论与技术 5 2 1 MSP430 单片机的特点 5 2 2 MSP430FW427 芯片 6 2 2 1 MSP430FW427 的模数转换器 ADS1110 7 2 3 压力传感器 8 2 3 1 压力传感器的选择 8 3 系统硬件设计 9 3 1 电子测重仪系统的构成及工作原理 9 3 2 电子秤系统压力传感器电路 9 3 3 电子秤系统的显示电路 10 3 4 电子测重仪系统的电源电路 11 3 5 小结 11 4 电子测重仪系统的软件设计 12 4 1 电子测重仪系统的程序总流程图 12 4 2 初始化程序流程图 12 4 3 压力传感器程序流程图 13 4 4 小结 13 结论 14 致谢 15 参考文献 16 附件 1 程序清单 17 附件 2 硬件电路图 23 理工类 1 基于基于MSP430MSP430单片机的电子测重仪设计单片机的电子测重仪设计 信息工程学院应用电子技术专业信息工程学院应用电子技术专业 摘要 摘要 随着生活的快速发展 人们对重量这个词使用率越来越高目前 大到航 空航天小到商场家庭 为了准确快捷的测量出物体的重量 人们对测重仪器的 要求也不断地提高 由原来的机械称发展到现在电子侧重仪 而电子测重仪的 使用非常普及 逐渐会取代传统的机械称 由压力传感器制作的电子测重仪已 广泛地应用到各行各业 特别是微处理机的出现 工业生产过程自动化程度的 不断提高 压力传感器已成为过程控制中的一种必需的装置 本文介绍了一种以MSP430单片机微处理器最小系统 并配以几个主要的集 成电路器件设计成的电子测重仪 本系统是利用压力传感器采集当前压力 准 确快速的计算出物品重量并显示到LED上 关键词 关键词 压力传感器 测重仪 单片机 2 MSP430 microcontroller based electronic weighing instrument design Major of Applied Electronic Technology Information and Engineering college Jin Hua College of Vocation And Technology Liang Yan yan Abstract With the rapid development of life people have the weight of the growing use of this word now small to large shopping malls aerospace family for accurate and efficient measure the weight of objects people weigh equipment requirements continue to increase from the original machine said electronic focus on instrument development to the present The use of electronic weighing instrument is very popular and gradually will replace the traditional mechanical said Produced by the pressure sensor electronic weighing instrument has been widely applied to all walks of life especially the emergence of the microprocessor the degree of automation of industrial production rising the pressure sensors in process control has become an essential device This paper introduces a microprocessor MSP430 MCU minimum system and supported by several major electronic integrated circuit designed for weighing instrument This system is the use of pressure sensor to collect the current pressure quickly and accurately calculate the weight of items and displays to LED digital tube Keywords pressure sensor The test apparatus microcontroller 3 引言引言 随着时代科技的迅猛发展 微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传 统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响 单片机技术的出现给 工业测控领域带来了一次新的技术革命 随着单片机技术的不断提高 功能不 断完善 使其应用日趋成熟 应用领域日趋扩大 目前 台式电子测重仪在日常生活中的使用已相当普遍 但存在较大的局 限性 体积大 成本高 需要工频交流电源供应 携带不便 应用场所受到制 约 现有的便携秤为杆秤或以弹簧 拉伸变形来实现计量的弹簧秤 居民用户 使用的基本是杆秤 弹簧盘秤制造工艺要求较高 弹簧的疲劳问题无法彻底解 决 一旦超过弹簧弹性限度 弹簧秤就会产生很大误差 以至损坏 影响到称 重的准确性和可靠性 只是一种暂时的代用品 也被列入逐渐取消的行列 多 年来 人们一直期待测量准确 价格低廉的投放市场 基于电子测重仪的现状 本课题拟研究一种用MSP430单片机控制的电子测重仪设计方案 这种电子测重 仪体积小 测量准确 携带方便 能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求 50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展 60年代初期出现机 电结合式电子衡器以来 经过40多年的不断改进与完善 我国电子衡器从最初 的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型 我国电子衡器的技术装备 和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平 电子衡器制造技术及应用得 到了新发展 电子称重技术从静态称重向动态称重发展 计量方法从模拟测量 向数字测量发展 测量特点从单参数测量向多参数测量发展 但就总体而言 我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距 其主要差 距是技术与工艺不够先进 工艺装备与测试仪表老化 开发能力不足 产品的 品种规格较少 功能不全 稳定性和可靠性较差等 4 1 单片机的发展单片机的发展 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个 计算机系统集成到一个芯片上 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 学习 使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 还有它的体积小 质量轻 价格便宜 而且它低电压 低功耗 便于生产便携式产品 因此为学习 应用 和开发提供了便利的条件 单片机内部也用和电脑功能类似的模块 比如CPU 内存 并行总线 还有 和硬盘作用相同的存储器件 不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电 脑弱很多 不过价钱也是低的 一般不超过10元即可 用它来做一些控制电器 一类不是很复杂的工作足矣了 我们现在用的全自动滚筒洗衣机 排烟罩 VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影 它主要是作为控制部分的核心部件 它 是一种在线式实时控制计算机 在线式就是现场控制 需要的是有较强的抗干 扰能力 较低的成本 这也是和离线式计算机的 比如家用PC 的主要区别 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片 机的踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数 据传输 工业自动化过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能IC卡 民用豪华轿车的安全保障系统 录象机 摄象机 全自动洗衣机的控制 以及 程控玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更高级的还有自动控制领域 的机器人 智能仪表 医疗器械等等 综合所述 单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面 另一方面 单片机应用的重要意义还在于 它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和 设计方法 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能 现在已能用单 片机通过软件方法来实现了 因此单片机的学习 开发与应用是十分重要的 5 2 电子测重仪的相关理论与技术电子测重仪的相关理论与技术 2 1 MSP430 单片机的特点单片机的特点 处理能力强 MSP430系列单片机是一个16位的单片机 采用了精简指令集 RISC 结构 具有丰富的寻址方式 7 种源操作数寻址 4 种目的操作数寻 址 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令 大量的寄存器以及片内数 据存储器都可参加多种运算 还有高效的查表处理指令 这些特点保证了可编 制出高效率的源程序 运算速度快 MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下 实现40ns的指 令周期 16位的数据宽度 40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器 能实现 乘加运算 相配合 能实现数字信号处理的某些算法 如FFT等 超低功耗 首先 MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1 8 3 6V 电压 因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时 芯片的电流最低会在 165 A左右 RAM 保持模式下的最低功耗只有 0 1 A 其次 独特的时钟 系统设计 在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统 基本时钟系统 锁频 环 FLL 和FLL 时钟系统和 DCO数字振荡器时钟系统 可以只使用一个晶 体振荡器 32768HZ 也可以使用两个晶体振荡器 由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟 并且这些时钟可以在指令的控制下 打开和关闭 从而实现对总体功耗的控制 在系统中共有一种活动模式 AM 和五种低 功耗模式 LPM0 LPM4 在实时时钟模式下 可达 2 5 A 在RAM 保持 模式下 最低可达 0 1 A 片内资源丰富 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设 它们分别是看门狗 WDT 模拟比较器 A 定时器A0 TIMER A0 定时 器A1 TIMER A1 定时器B0 TIMER B0 UART SPI I2C 硬件乘法 器 液晶驱动器 10位 12位ADC 16位 ADC DMA I O端口 基本定 时器 BASIC TIMER 实时时钟 RTC 和USB控制器等若干外围模块的不 同组合 其中 看门狗可以使程序失控时迅速复位 模拟比较器进行模拟电 压的比较 配合定时器 可设计出 A D 转换器 16 位定时器 TIMER A 和 TIMER B 具有捕获 比较功能 大量的捕获 比较寄存器 可用于事件 计数 时序发生 PWM 等 有的器件更具有可实现异步 同步及多址访问 6 串行通信接口可方便的实现多机通信等应用 具有较多的 I O 端口 P0 P1 P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入 10 12位硬件 A D 转换器有较高的转换速率 最高可达 200KBPS 能够满足大多数数据 采集应用 能直接驱动液晶多达 160 段 实现两路的 12 位 D A 转换 硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展 以及为了增加 数据传输速度 而采用的DMA模块 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方 案提供了极大的方 便 方便高效的开发环境 MSP430 系列有 OPT 型 FLASH 型和 ROM 型三种 类型的器件 这些器件的开发手段不同 对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用 仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片 对于 FLASH 型则有十分方便的开发调 试环境 因为器件片内有 JTAG 调试接口 还有可电擦写的 FLASH 存储器 因 此采用先下载程序到 FLASH 内 再在器件内通过软件控制程序的运行 由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发 这种方式只需要一 台 PC 机和一个 JTAG 调试器 而不需要仿真器和编程器 开发语言有汇编语 言和 C 语言 2 2 MSP430FW427 芯片芯片 MSP430系列单片机是美国德州仪器 T I 推出的一款1 6 位超低功耗的 混合信号处理器 其在我国推出的时间也已经很久了 它以低功耗著称 并且 将许多模拟电路 数字电路和微处理器集成在一个芯片上 因此一经推出便在 我国得到迅速推广 针对目前普遍使用的51系列单片机局限性 为了很好地满足控制器的准确 性 精确性的要求 采取了一系列措施 首先 考虑系统所接的外部模块比较 多 需要的I O 口比较多 一般的8 位单片机是不够用的所以考虑选择8 位以 上的单片机 再者32 位的单片机功能又太过了 不仅I O 口比较多 而且好多 集成的资源用不上都会浪费 所以考虑使用16 位的单片机 而16 位单片机中 的TI 公司MSP430 系列的较为成熟 适用于在仪表仪器中使用 而且用在本系 统中也正好合适 其次该控制器本身部分集成了12 位的A D 转换器进行高精度 转换 并可采用软件配置采样通道 确定采样序列 保存采样结果 用于本系 统中进行采样也比较合适 再次考虑控制器对功能性接口要求较高 而且存在 7 较大数量的计算任务 基于以上的考虑 选择了性价比比较高的MSP430FW427 单片机 图2 1 MSP430FW427的图 2 2 1 MSP430FW427 的模数转换器的模数转换器 ADS1110 MSP430FW427内嵌模数转换器模块 其采样频率为每通道200kb s 可以对 生物 机械等传感器给出的模拟量进行AD转换 内置的模数转换器又由带有采 样和保持的ADC内核 参考电压发生器 转换时钟的选择和控制电路 采样与转 换时序控制电路4部分组成 采样系统中数模转换速度与转换时钟有密切关系 利用msp430fw427单片机 通用IO口模拟I2C总线扩展16位A D转换器ads1110完成数据采集工作 并把采集 到的数据显示到显示缓冲区 对于要求精确的转化 则需要稳定的转换时钟信 号 因此使用由晶体产生的时钟信号 为了得到正确可靠的转换 模拟输入信 号必须在采样期间保持稳定 在整个采样与转换期间 不允许有相邻的其他通 道引脚有数字信号活跃 这样可减少对模拟信号转换的干扰 以得到正确的结 8 果 该程序可以测量的电压误差为0 001V 精度高 MSP430FW427内置模数转换器有4种转换模式 单通道单次转换 单通道多 次转换 多通道单次转换 多通道多次转换 图2 2 ADS1110 2 3 压力传感器压力传感器 2 3 1 压力传感器的选择压力传感器的选择 压力传感器又称荷重传感器 考虑到使用地点的重力加速度 g 和空气浮 力 f 的影响后 通过把其中一种被测量 质量 转换成另外一种被测量 输 出 来测量质量的力传感器 压力传感器由敏感元件 转换元件 后续处理部 分组成 压力传感器一般应用应变片来实现压力的测量 应变片的制造原理是 依据桥式电路 当在桥臂上的电阻满足这样的条件 R1R3 R2R4时电桥平衡 则 输出的电压为零 当电阻由变化的时候 电桥不平衡 有一定的电压输出 可 分为单臂电桥 双臂电桥 全臂电桥 其输出的电压与电阻的变化量成近似的 线性变化 应变片是很薄的薄片 上表面镶嵌两个有电阻丝制成的电阻 同时 下表面也有两个同样的电阻 在连接上形成桥式电路 当应变片上没有压力是 输出的电压为零 当有压力作用时 上边的电阻变大 下面的电阻变小 电桥 不平恒 而且是相同的电阻丝 其电阻的变化量相同 输出的电压与电阻的变 化量成线性关系 再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号 电压或 电流 从而完成了将外力变换为电信号的过程 这样就可以测量出压力的大 小 本设计中称重范围定为999 9g 测量精确到0 1g 考虑到秤台自重 振动 9 和冲击分量 还要避免超重损坏传感器 所以传感器量程必须大于额定称重 999 9g 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 电子测重仪系统的构成及工作原理电子测重仪系统的构成及工作原理 电子测重仪电路主要由传感器电路 调理电路 显示电路 电源电路等组 成 系统原理方框图如图 3 1 所示 显示电路 调理电路MSP430FW427 压力传感器 电 源 图 3 1 系统原理方框图 系统工作原理 当电子测重仪上放上重物时 压力传感器把模拟信号传送 到处理器的AD转换器 由AD转换器转换成数字信号 然后由数码管显示出重物 的重量 并显示在数码管上 3 2 电子秤系统压力传感器电路电子秤系统压力传感器电路 系统的压力传感器电路如图3 2所示 在图的电路中 传感器的正端接模数转换器ADC12内部基准电压的正输入端 Vref 负端接模数转换器ADC12内部基准电压负端 在本系统中 通过单片机 提供激励电压 由于采用这样的方法 在测量期间或在电子秤工作于待机状态 的情况下 就可以不用为电桥提供激励电压 从而降低功耗 传感器的电桥电 阻为1200欧 电源电压为3 V 激励状态下耗电2 5 mA 将桥接传感器的输出 10 信号连接至放大器之后输入AD转换通道P6 0 图3 2 压力传感器电路 3 3 电子秤系统的显示电路电子秤系统的显示电路 LED显示电路如图3 4所示 本电路的作用是用来显示重量 单价及金额 为了保证LED的工作安全 电路中必须加上上拉电阻 上拉电阻电路如图3 5所 示 通过网络标号与LED相连 图 3 3 电子秤系统的显示电路 11 3 4 电子测重仪系统的电源电路电子测重仪系统的电源电路 在单片机应用中需要稳定的电压信号 因此必须提供电源电路 如图3 6所 示为电源电路 它可以为整个系统提供3 3V和5V的电压 图3 4 电源电路 3 5 小结小结 本章在上一章的基础上 结合电子测重仪系统的基本功能介绍了它的工作 流程 硬件组成和工作原理 设计了压力传感器的称重放大电路 LED显示电路 键盘扫描电路和电源电路 各电路根据需要连接到MSP430FW427单片机的接口上 就构成了一个功能强大的基于MSP430的智能电子秤 12 4 电子测重仪系统的软件设计电子测重仪系统的软件设计 电子测重仪系统的顺利工作 需要合适的软件来协调系统的各个硬件组成 部分 根据电子测重仪系统的工作需要来工作 从而达到特定的功能 本章主 要设计电子测重仪系统的各个硬件组成部分的程序流程图 4 1 电子测重仪系统的程序总流程图电子测重仪系统的程序总流程图 系统总程序流程图如图4 1所示 系统初始化之后 要顺次执行压力传感器 程序 预处理程序 称重程序 LED显示程序 开 始 初始化 压力传感器程序 LED 显示程序 称重程序 预处理程序 图 4 1 电子秤系统的程序总流程图 4 2 初始化程序流程图初始化程序流程图 初始化程序流程图如图4 2所示 进入初始化阶段 电子测重仪系统的各个 部分依次初始化 即依次执行压力传感器初始化 LED初始化初始化后返回 13 开 始 压力传感器初始化 LED 初始化 返 回 图 4 2 初始化程序流程图 4 3 压力传感器程序流程图压力传感器程序流程图 压力传感器程序流程图如图4 3所示 这个程序用来启动ADC转换器 将转 换的二进制结果换算成BCD码 以便显示程序和计算程序可以随时调用 开始 AD 转换 保 存转换结果 将转换结果换算为 BCD 码并存储 开始 返回 图 4 3 压力传感器程序流程图 4 4 小结小结 本章首先设计了电子测重仪系统程序的总流程图 并在系统程序的总流程 图的框架下有序地设计了初始化程序流程图 压力传感器程序流程图 预处理 程序流程图 称重计价程序流程图 键盘程序流程图 LED程序流程图 并就各 个部分的主要功能作了进一步的介绍和说明 14 结论结论 电子测重仪是一种在实际工作和生活中经常用到的电子测量器具 本文主 要介绍了数字电子秤的硬件电路结构及其中的原理 所设计的电子秤具有基本 称重 键盘输入 计算价格 显示 置零 清除 去皮功能 电子秤的测量范 围为0 999 9g 测量精度达到 0 1g 首先用传感器把重量转换成电压信号 再 将电压信号放大输入A D转换 利用A D转换工具将模拟信号转化为数字信号 将得到的数字信号传送至单片机 通过程序对信号进行处理 实现称重功能 然后将重量与键盘输入单价相乘计算出总价 并将重量和价格用LED显示出来 随着电子秤系统相关技术的不断完善 数字化 智能化 小型化的电子秤 必将为人们的生活带来极大的便利 电子秤的发展前景也必将更加广阔 15 致谢致谢 大学三年的时光悄然流逝了 但是却给我提供了良好的学习环境 在此期 间让我学到了更多的知识 而我所学到的能使我终身受益 在这开心和艰辛的 时光里体验到了更多的生活和社会 让自己学会了成长 首先要感谢我的母校 因为我们都在这里成长 每一刻都很宝贵 在整个毕业设计的过程中 我多次麻烦到了我的指导老师余红娟老师 很 感谢余老师在百忙之中给与的悉心指导 给与我帮助和资料 MSSP430单片机是 我第一次接触 所以不论是提醒还是指导方面 余老师都让我学到了很多东西 是在51单片机以外的知识 顺利的完成这项毕业设计 还有要谢谢一路帮助我的杨同学 以及在设计中被我引用或参考的论著的 作者 让我从毫无所知 到现在认识到它 良师益友在此时给了我最大的帮助 让我试着去吸收新的东西 接受新的挑战 以及面对新的问题并且去迎刃而解 16 参考文献参考文献 1 沈建华 杨艳琴 翟晓曙 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 M 北京 清华大学出版社 2004 2 陆伯勤 电子称重技术和自动称重系统的进展 J 自动化博览 1999 1 3 胡大可 MSP430 系列单片机 C 语言程序设计与开发 M 2 版 北京 北 京航空航天大学出版社 2003 4 胡宴如 模拟电子技术 高等教育出版社 2007 5 MSP430 x4xx用户指南 17 附件附件 1 程序清单 程序清单 使用 I O P1 4 SCL P1 5 SDA define SCL 0 x10 define SDA 0 x20 define ADDRESS 0 x49 U1 ads1110 的地址在其背面标注有以下对应关系 ED0 0X48 ED1 0X49 ED2 0X4A ED3 0X4B ED4 0X4C ED5 0X4D ED6 0X4E ED7 0X4F 例如 芯片背面标注 ED0 那么 define ADRESS 0X48 include msp430 xw42x h int ad void delay int a while a a char read byte void 读时序 char Rx Buffer char a Rx Buffer 0 P1OUT NOP NOP NOP NOP P1DIR for a 0 a 8 a 18 P1OUT SCL Rx Buffer 1 if P1IN else Rx Buffer P1OUT NOP NOP NOP P1OUT P1DIR SDA NOP NOP NOP P1OUT SCL NOP NOP NOP return Rx Buffer void write byte char Tx Buffer 写时序 char a P1OUT NOP NOP NOP NOP P1DIR SDA for a 0 a 8 a P1OUT if Tx Buffer else P1OUT Tx Buffer 1 P1OUT SCL NOP NOP NOP P1OUT NOP NOP NOP NOP NOP NOP P1OUT SCL 19 void start void 开始时序 P1DIR SCL SDA P1OUT SCL SDA NOP NOP NOP P1OUT NOP NOP NOP void stop void 停止时序 P1DIR SCL SDA P1OUT NOP NOP NOP NOP NOP NOP P1OUT SCL NOP NOP NOP NOP NOP NOP P1OUT SDA void Tx byte char dataddr char data char addr addr ADDRESS addr addr 1 addr start write byte addr P1DIR while P1IN write byte dataddr P1DIR while P1IN write byte data P1DIR while P1IN 20 stop unsigned int Rx byte void char addr RxData0 RxData1 RxData2 unsigned int RxData addr ADDRESS addr addr 1 addr 0 x01 start write byte addr P1DIR while P1IN RxData2 read byte 读高 8 位 RxData1 read byte 读低 8 位 RxData0 read byte 读控制字 stop RxData unsigned int RxData2 RxDa