基于MSP430单片机的数字流量计的设计

基于MSP430单片机的数字涡街流量计的设计摘要涡街流量计因其介质适应性强，无可动部件，结构简单、使用寿命长等诸多优点，在许多行业得到了广泛的应用。但涡街流量计还存在一些问题，特别是在低流速、小流量的情况下，涡街流量计受到多种干扰噪声的影响，其涡街信号的信噪比很低，难以实现精确测量。本课题基于MSP430单片机单核结构对数字涡街流量计进一步研究，在保证测量精度与实时性地基础上降低了系统整体功耗。本次设计中数字涡街流量计采用MSP430单片机为控制器的硬件结构，在低流速小流量的情况下，由单片机来计算涡街信号频率，由MSP430单片机对涡街信号前置放大电路输出的方波进行计频，同时具有常规模拟涡街流量计在高信噪比的情况下测量准确、实时性好的优点。本次设计基于前人的成果，选取成熟的已经市场化的涡街流量传感器作为信号采集装置，以MSP430单片机作为核心处理器，可以实现自动采集瞬时流量信息，自动处理流量积累值等功能。其主要优点在于应用超低功耗的MSP430单片机可以长时间的持续工作，这对于需要持续采集流量信息的行业至关重要，而选取涡街测量又能准确并无接触的测量大直径大流量大密度的流体流量，更提高了本设计的实用性。关键词MSP430涡街流量计低功耗实时检测DESIGNOFDIGITALVORTEXFLOWMETERBASEDONMSP430MICROCONTROLLERABSTRACTBECAUSEOFITSADVANTAGESSUCHASSTRONGADAPTABILITYTOMEDIUM,LACKINGOFMOVINGPARTS,SIMPLEOFSTRUCTUREANDLONGSERVICELIFE,VORTEXFLOWMETERISWIDELYUSEDINALOTOFINDUSTRIESBUTVORTEXFLOWMETERSTILLHASSOMEPROBLEMS,ESPECIALLYWHENITCOMESTOSOMELOWFLOWRATEANDSMALLQUANTITYOFFLOWSITUATIONVORTEXFLOWMETERISDISTURBEDBYMANYKINDSOFNOISE,SOTHESNROFTHESIGNALISVERYLOW,THUSMAKESITDIFFICULTTOREALIZEACCURATEMEASUREMENTTHISDESIGNISBASEDONMSP430MICROCONTROLLERANDHASFURTHERSTUDYABOUTDIGITALVORTEXFLOWMETER,ITREDUCESTHEOVERALLPOWERCONSUMPTIONOFTHESYSTEMONTHEBASISOFGUARANTEEINGITSACCURACYANDREALTIMEMONITORINGINTHISDESIGNMSP430MICROCONTROLLERISUSEDASTHEHARDWAREOFTHECONTROLLEROFDIGITALVORTEXFLOWMETERWHENITCOMESTOTHESITUATIONWITHLOWFLOWRATEANDSMALLQUANTITYOFFLOW,MICROCONTROLLERCALCULATESTHEFREQUENCYOFVORTEXSIGNAL,MSP430MICROCONTROLLERCALCULATESTHEFREQUENCYOFTHESIGNALPRODUCEDBYVORTEXSIGNALPREAMPLIFIERCIRCUITITALSOHASTHEADVANTAGEOFACCURATEMEASUREMENTANDREALTIMEPERFORMANCEOFCONVENTIONALSIMULATINGVORTEXFLOWMETERINHIGHSNRCONDITIONTHISDESIGNISBASEDONFORMERACHIEVEMENTSANDSELECTSMATUREMARKETIZEDVORTEXTRANSDUCERASSIGNALCOLLECTDEVICEITUSEMSP430MICROCONTROLLERASCENTRALPROCESSORANDCANCOLLECTINSTANTFLOWQUANTITYAUTOMATICALLYANDCALCULATETHEQUANTITIESTOGETHERITSMAINADVANTAGELIESINITSAPPLICATIONOFULTRALOWPOWERCONSUMPTIONCANACHIEVELONGTIMECONTINUEDWORK,WHICHISSEQUENTIALTOTHEINDUSTRIESTHATNEEDTOCOLLECTFLOWQUANTITYINFORMATIONCONTINUOUSLYVORTEXSTREETSURVEYCANSURVEYLARGEDIAMETER,LARGEFLOWQUANTITYANDLARGEDENSITYLIQUIDUNTOUCHED,WHICHMAKESTHEPRACTICABILITYOFTHISDESIGNBETTERKEYWORDSMSP430MICROCONTROLLERVORTEXFLOWMETERLOWPOWERCONSUMPTIONREALTIMEDETECTION目录1前言111涡街流量计的发展历程112涡街流量计的优点及局限性213MSP430单片机简介及发展历程214立题的目的及意义315设计主要内容4151设计内容4152技术要求4153设计方法42设计总体方案分析521方案综述522总系统框图53硬件部分731CPU及时钟复位单元7311MSP430单片机特点7312单片机选型8313MSP430F149单片机特点10314硬件电路介绍103212864LCD液晶显示单元1132112864LCD概述1132212864液晶屏基本特性1232312864LCD模块接口说明12324控制器接口信号说明13325模块主要硬件构成说明14326应用说明1533涡街流量传感器模块16331涡街流量传感器简介16332涡街流量传感器工作原理16333涡街流量计结构17334涡街流量计优点18335技术参数19336涡街流量计选型19337流量传感器的安装要求与注意事项20338流量传感器模块硬件电路2034独立按键模块2135电源模块21351硬件电路介绍21352ASM111733芯片介绍214软件部分2341主程序及流量传感器模块23411主程序及流量输入换算流程图23412主程序及流量输入换算程序2442独立按键模块26421独立按键部分程图26422独立按键部分程序274312864液晶显示模块2843112864中断显示流程图2843212864中断显示程序295结论306致谢31参考文献32附录A所有程序33附录B所有图集50唐山学院毕业设计11前言11涡街流量计的发展历程涡街流量计属于流体振动式流量计，在特定的流动条件下，一部分的流体动能转化为流体振动，其振动的频率与流速流量有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称之为流体振动流量计。早在1878年，斯特劳哈STROUHAL就发表了关于流体振动的频率与流速关系的文章，斯特劳哈数就是用来表示旋涡频率与旋涡发生体直径、流速关系的相似准则。早期人们对于涡街的研究主要是为防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将会产生共振而破坏设备。50年代涡街开始用于测量的研究，如风速计和船速计等。60年代末则开始研制涡街流量计，诞生了热丝检测法以及热敏检测法涡街流量计。70、80年代涡街流量计的发展异常迅速，开发出了众多类型检测法的涡街流量计，如应力式、电容式、超声式、振动式、应变式、光电式和光纤式等。90年代中又出现了差压式、超声式等检测方法的涡街流量计。近几年来，由于材料以及技术的飞速发展，涡街流量计正在向一体化、多参数检测、智能化等方向迈进，也均取得了不同程度的进步。在各种类型的检测方式中，应力式又称为压电式涡街流量计以其响应快、信号强、工作温度范围宽、现场适应性强、可靠性高等优点，已经成为涡街流量计的主要产品类型。在应力式涡街流量计中，检测元件将其受到的升力以应力形式作用在压电检测元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大滤波整形后得到旋涡信号。压电传感器响应速度快、信号强度高、工艺性好、制造成本低，但是对振动比较敏感。对于涡街信号检测方法有如下几种（1）BERLINSKIT等人用热线风速仪通过计算平均流速的方法对涡街流量计中的流场进行研究。（2）TERAO等人利用热线风速仪证明了圆柱体在管道中产生的旋涡强度要比自由流场中旋涡的强度大，而且管壁对涡街的影响很大，他们还发现管道中的涡街稳定值要比自由流场中的稳定值小。（3）HANS和MENZ根据涡街旋涡对超声波信号具有调制作用的原理设计出了超声波检测系统用来检测涡街产生的频率，并得到了较低测量下限，但受气泡、固体颗粒和温度的影响比较大。（4）KENT公司生产的涡街流量计首次采用了电容的方法。电容检测一般采用差分电路因此抗震性能好，缺点是不适合测量脏圬以及有腐蚀性的流体。（5）FISCHERPORTE和FOXBOROL在自己生产的涡街流量计中较早的使用电元件来检测漩涡频率。唐山学院毕业设计2（6）EASTECHI最近介绍了一种方法，在旋涡发生体的内部放置一个小的镍球，当旋涡发生体上旋涡脱落时会引起小镍球的振动，通过检测镍球的振动可以检测旋涡的发生频率。12涡街流量计的优点及局限性主要优点（1）涡街流量计的结构简单牢固，安装维护方便。（2）适用流体的种类多，如液体、气体、蒸汽以及部分混相流体。（3）与差压式、浮子式流量计相比较，精确度较高，一般可达1左右。（4）范围宽度可达101或201。（5）压损较小，约为孔板流量计的1/21/4。（6）输出与流量成正比的脉冲信号，适用于总量计量，没有零点迁移。（7）一定雷诺数范围内，输出的频率信号不受流体物性（密度、黏度）和组分影响，仪表系数与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，可以在一种典型介质中校验而适用于各种介质。（8）可以针对不同对象选用相应的旋涡检测技术。局限性（1）涡街流量计不适用于低雷诺数RED2104的测量，在高黏度、低流速、小口径情况下应用受到限制。（2）在管道有振动的场所应选用耐振检测方式的仪表。（3）旋涡分离的稳定性受会到流速分布畸变和旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段，一般可以参照节流式差压流量计的直管段长度要求安装。（4）与涡轮流量计相比较，仪表系数较低，分辨率低，且口径越大越低，一般应用于中小口径（DN25DN300）测量。（5）仪表在脉动流、混相流中的应用尚缺试验数据。13MSP430单片机简介及发展历程MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）自1996年开始推向市场的一种16位的超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MIXEDSIGNALPROCESSOR）。之所以称之为混合信号处理器，是由于它针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。德州仪器在1996年到2000年初，先后推出了31X、32X、33X等几个系列，唐山学院毕业设计3这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较为有利。每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）和EPROM型（E）等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了几个系列的开发模式，即用户可以用EPROM型开发样机，用OTP型进行小批量生产，而ROM型适应于大批量生产的产品。2000年推出了11X/11X1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格相对低廉。这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等一系列的技术特点，但它也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备，但是33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。2000年7月推出了F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出了F41X、F43X、F44X。这些全部是FLASH型单片机。F41X系列单片机有48个I/O口，96段LCD驱动。F43X、F44X系列是在13X、14X的基础之上增加了液晶驱动器，并将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。而且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。MSP430系列的部分产品有FLASH存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较为明显的优点。TI公司推出的具有FLASH型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSPFET430X110，将国际上先进的JTAG技术和FLASH在线编程技术引入MSP430。这种以FLASH技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，为用户提供了一个较为理想的样机开发方式。2001年TI公司又发布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可以在烧断熔丝以后只要几根线就能够更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达32个字节的长度。TI公司在2002年底到2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。从存储器方面来说，它将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB；从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。14立题的目的及意义流量是一个基本的物理量，涉及方面却十分广泛，流量检测广泛应用于我国现代化建设的各行各业中，大到石油运输、化工液体检测、河流水流量监测，小到厨房用水、浴室用水等家庭用水检测。唐山学院毕业设计4流量检测的准确性和实时性至关重要，不但涉及到经济问题，还涉及到资源环境保护问题。如果流量不能在规定的误差范围内准确的检测，对与原料出售部门而言就可能积少成多造成巨大的经济损失，对于化工行业来说就可能造成工业事故。如果流量不能保证实时性的话，可能因为数据过期而造成很多无法预计的危害和损失。在许多精密行业中，流量数据需要隔一定时间采集一次，一定要保证数据的准确和新鲜，因此，我们要不断研发更先进的方法来统计流量值。针对低信噪比情况下信号的不可测性问题，国内外学者及科研机构纷纷研究并提出各种解决方案，即应用数字信号处理的方法解决，但大部分只是停留在方法上的研究，而没有将高效率的算法应用于实际服务于生产。目前，国内生产的涡街流量计还限于应用模拟电路的方法对涡街信号进行处理1。MSP430系列是一个特别强调低功耗的单片机品种，很适合用电池供电的长时间工作场合，这非常适合数字涡街流量计低功耗实时测量的要求。MSP430系列广泛应用于工业控制、智能仪表等方面2，有很强的实用性，在数字涡街流量计方面的研究成果也比较多，有很好的设计实验基础，易于开发和功能完善。它的低功耗特点也利于实现长时间的持续现场流量监控。本次设计在低流速小流量的情况下，由单片机来计算涡街信号频率，由MSP430单片机对涡街信号前置放大电路输出的方波进行计频，实现自动采集瞬时流量信息，自动处理流量积累值等功能。15设计主要内容151设计内容本次设计基于前人的成果，选取成熟的已经市场化的涡街流量传感器作为信号采集装置，以MSP430单片机作为核心处理器，将可以实现自动采集瞬时流量信息，自动处理流量积累值等功能。其主要优点在于应用超低功耗的MSP430单片机可以长时间的持续工作3，这对于需要持续采集流量信息的行业至关重要，而选取涡街测量又能准确并无接触的测量大直径、大流量大密度的流体流量，更提高了本设计的实用性。152技术要求（1）用液晶屏显示包括瞬时流量、累积流量、时间日期等测量数值和仪器参数。（2）电池供电，超低功耗设计，采用36V锂电池供电。153设计方法首先完成硬件整体设计，然后细化设计硬件各部分。根据整体设计思路和硬件资料设计软件部分，硬件软件配合完成整体设计思路。唐山学院毕业设计52设计总体方案分析21方案综述本设计以MSP430F149单片机为核心，单片机本身的低功耗设计可以在实现实时监控的同时降低能耗。涡街信号前置放大电路输出的方波信号4经由单片机I/O接口电路传入MSP430单片机，由MSP430单片机对方波信号进行计频，经过换算关系得到瞬时流量值，软件部分累计瞬时流量得到累积流量。12864显示液晶屏显示包括瞬时流量、累积流量、时间日期等测量数值，方便工作人员随时查看。电路板上同时配有5V和33V电源，方便单片机芯片和12864液晶屏、涡街流量传感器取用各自电压输入。22总系统框图总系统由时钟振荡电路部分、涡街传感器部分、按键输入部分、MSP430单片机部分、复位电路部分、12864LCD液晶显示部分组成，各部分功能介绍如下（1）时钟振荡电路时钟振荡电路由晶振和电容串联组成，负责震荡产生时钟脉冲信号，与单片机芯片的时钟信号接口相连，提供整个系统的时钟信号。（2）涡街传感器部分涡街传感器负责检测流体涡街频率，并产生经过前置放大电路整理而成方波信号，该信号输入单片机芯片，由CPU经过数学计算统计出瞬时流量和累积流量。（3）按键输入部分按键输入部分由三个独立按键组成，第一个按键调整要更改的显示值的位置，第二个按键调整显示值增大一个单位量值，第三个按键调整显示值减小一个单位量值，三个按键输入值与单片机P1口相连，由单片机读取按键值并执行相应操作。（4）MSP430单片机部分MSP430单片机部分负责接收各信号输入量，分析传感器的输入信号并完成软件部分的信息处理，控制12864LCD显示相应的示值，在P1口按键信号输入的时候检测该信号，并用软件部分处理分析编码该信号，之后处理并修改各项显示值，输出给12864LCD液晶模块完成各项显示。（5）复位电路部分复位电路与单片机的/RST接口连接，按下按键后向系统输入复位信号，单片机检测该信号并完成系统的复位初始化功能。唐山学院毕业设计6（6）12864LCD液晶显示部分12864LCD液晶显示部分负责显示由CPU输出的信息，显示值包括年、月、日、时、分、秒、星期、瞬时流量、累积流量，当按键输入的时候，12864根据CPU处理得出的按键值更改各个位置的显示值，并在没有最后确定时闪烁光标，目标字位置反白，确认后停止反白。图21总系统框图MSP430超低功耗单片机12864LCD显示屏时钟振荡复位电路涡街传感器按键输入唐山学院毕业设计73硬件部分31CPU及时钟复位单元311MSP430单片机特点（1）处理能力强MSP430系列单片机是16位的单片机，它采用了精简指令集（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，它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。（2）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，能够实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。（3）超低功耗MSP430单片机之所以具有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是18V36V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165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有01A。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（32768KHZ）DT26ORDT38，也可以使用两个晶体振荡器。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。由于系统采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达25A，在RAM保持模式下，最低可达01A。（4）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，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（BASICTIMER）、实时时钟唐山学院毕业设计8（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，若配合定时器，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，可以用于事件计数、时序发生、PWM等；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。另外，MSP430系列单片机的中断源比较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5S。（5）方便高效的开发环境MSP430系列有OTP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OTP型和ROM型的器件，是使用仿真器开发成功之后进行烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内都有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，而不需要仿真器和其他编程器。开发语言则有汇编语言和C语言。312单片机选型美国TI公司的MSP430系列单片机可以分为以下几个系列X1XX、X3XX、X4XX等等，各系列技术特点如下（1）MSP430X1XX系列基于闪存或ROM的超低功耗MCU，提供8MIPS，工作电压为18V36V，具有高达60KB的闪存和各种高性能模拟及智能数字外设。超低功耗低至01ARAM保持模式，07A实时时钟模式，200A工作模式，在6S之内快速从待机模式唤醒。器件参数闪存选项1KB60KB，ROM选项1KB16KB，RAM选项512B10KB，GPIO选项14、22、48引脚，ADC选项10和12位斜率SAR，其它集成外设模拟比较器、DMA、硬件乘法器、SVS、12位DAC。（2）MSP430F2XX系列唐山学院毕业设计9基于闪存的超低功耗MCU，在18V36V的工作电压范围内性能高达16MIPS。包含极低功耗振荡器VLO、内部上拉/下拉电阻和低引脚数选择。超低功耗低至01ARAM保持模式，03A待机模式，07A实时时钟模式，220A工作模式，在1S之内超快速地从待机模式唤醒。器件参数闪存选项1KB120KB，RAM选项128B8KB，GPIO选项10、16、24、32、48、64引脚，ADC选项10和12位斜率SAR、16位ADC，其它集成外设模拟比较器、硬件乘法器、DMA、SVS、12位DAC、运算放大器。（3）MSP430C3XX系列旧款的ROM或OTP器件系列，工作电压为25V55V，高达32KBROM、4MIPS和FLL。超低功耗低至01ARAM保持模式，09A实时时钟模式，160A工作模式，在6S之内快速从待机模式唤醒。器件参数ROM选项2KB32KB，RAM选项512B1KB，GPIO选项14、40引脚，ADC选项14位斜率SAR，其它集成外设LCD控制器、硬件乘法器。（4）MSP430X4XX系列基于LCD闪存或ROM的器件系列，提供816MIPS，包含集成LCD控制器，工作电压为18V36V，具有FLL和SVS。低功耗测量和医疗应用的理想选择。超低功耗低至01ARAM保持模式，07A实时时钟模式，200A/MIPS工作模式，在6S之内快速从待机模式唤醒。器件参数闪存/ROM选项4KB120KB，RAM选项256B8KB，GPIO选项14、32、48、56、68、72、80引脚，ADC选项10和12位斜率SAR、16位ADC，其它集成外设LCD控制器、模拟比较器、12位DAC、DMA、硬件乘法器、运算放大器、USCI模块。（5）MSP430F5XX系列新款基于闪存的产品系列，具有最低工作功耗，在18V36V的工作电压范唐山学院毕业设计10围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。超低功耗低至01ARAM保持模式，25A实时时钟模式，165A/MIPS工作模式，在5S之内快速从待机模式唤醒。器件参数闪存选项高达256KB，RAM选项高达16KB，ADC选项10和12位SAR，其它集成外设USB、模拟比较器、DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC。经过对设计内容和设计特点的仔细研究，以及对单片机各类型的对比和了解，本设计决定采用MSP430F149单片机作为系统主芯片。MSP430F149是一种常用的低功耗芯片，在实际场合应用广泛。313MSP430F149单片机特点（1）工作电压范围1836V。（2）超低功耗活动模式330UA，1MHZ，22V。待机模式11UA关闭模式RAM保持02UA。5种省电模式。（3）从等待方式唤醒时间6US。（4）16位RISC结构，125NS指令周期。（5）内置三通道DMA。（6）12位AD带采样保持内部参考源。（7）双12位DA同步转换。（8）16位定时器TIMER_A。（9）16位定时器TIMERB。（10）片内比较器A。（11）串行通信USART0UART、SPI、I2C接口。（12）串行通信USARTIUART、SPL接口。（13）具有可编程电平检测的供电电压管理器，监视器。（14）欠电压检测器。（15）BOOTSTRAPLOADER。（16）串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的保密熔丝代码保护6。314硬件电路介绍唐山学院毕业设计11CPU采用MSP430F149芯片，本系统时钟部分采用两个晶振，主晶振为8MHZ，第二时钟为32768HZ，定时器中采用的ACLK用第二晶振计时。8MHZ晶振与CPU的XT2IN、XT2OUT管脚相连，32768HZ晶振与CPU的XTIN、XTOUT管脚相连。晶振端口同时接两个22PF电容然后接地，电容保证晶振正常起振。复位电路端口与CPU的/RST端口相连，复位按键未按下时，端口输入高电平，当复位按键按下时，端口输入信号变为低电平，CPU检测到一定时常的连续低电平后系统复位。图31CPU及时钟复位单元3212864LCD液晶显示单元唐山学院毕业设计1232112864LCD概述12864LCD是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864，内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字。也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块7。32212864液晶屏基本特性（1）低电源电压（VDD3055V）（2）显示分辨率12864点（3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字简繁体可选（4）内置128个168点阵字符（5）2MHZ时钟频率（6）显示方式STN、半透、正显（7）驱动方式1/32DUTY，1/5BIAS（8）视角方向6点（9）背光方式侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10（10）通讯方式串行、并口可选（11）内置DCDC转换电路，无需外加负压（12）无需片选信号，简化软件设计8（13）工作温度055,存储温度206032312864LCD模块接口说明表3112864LCD模块接口说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC305V电源正3V0对比度（亮度）调整4RSCS）H/LRS“H”,表示DB7DB0为显示数据RS“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/WSIDH/LR/W“H”,E“H”,数据被读到DB7DB0R/W“L”,E“HL”,DB7DB0的数据被写到IR或DR6ESCLKH/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线唐山学院毕业设计139DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH8位或4位并口方式，L串口方式（见注释1）管脚号管脚名称电平管脚功能描述16NC空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2）18VOUTLCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（5V）（见注释3）20KVSS背光源负端（见注释3）注释1如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平，也可以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。注释2模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空10。注释3如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。图3212864LCD液晶显示单元324控制器接口信号说明（1）基本操作时序A读状态输入RSL,RWH,EH输出D0D7状态唐山学院毕业设计14B写指令输入RSL,RWL,D0D7指令码，E高脉冲输出无C读数据输入RSH,RWH,EH输出D0D7数据D写数据输入RSH,RWL,D0D7数据，E高脉冲输出无（2）初始化过程（复位过程）指令A延时15毫秒B写指令38H；显示模式设置C写指令08H；显示关闭D写指令01H；显示清屏E写指令06H；显示光标移动设置F写指令0CH；显示开及光标设置325模块主要硬件构成说明（1）忙标志BFBF标志提供内部工作情况。BF1表示模块在进行内部操作，此时模块不接受外部指令和数据。BF0时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。利用STATUSRD指令，可以将BF读到DB7总线，从而检验模块之工作状态。（2）字型产生ROM（CGROM）字型产生ROM（CGROM）提供8192个字，此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF1为开显示（DISPLAYON,DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF0为关显示（DISPLAYOFF。DFF的状态是指令DISPLAYON/OFF和RST信号控制的。（3）显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供642个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英文数字型168、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140D75F），GB（A1A0F7FFH）。（4）字型产生RAMCGRAM字型产生RAM提供图像定义造字功能,可以提供四组1616点的自定义图像空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。唐山学院毕业设计15（5）地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变11，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6DB0中。（6）光标/闪烁控制电路此模块提供硬体光标及闪烁控制电路，由地址计数器的值来指定DDRAM中的光标或闪烁位置。326应用说明（1）使用前的准备先给模块加上工作电压，调节LCD的对比度，使其显示出黑色的底影。此过程亦可以初步检测LCD有无缺段现象。（2）字符显示带中文字库的12864显示屏每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个168点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。带中文字库的12864显示屏内部提供1282字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为00000006H（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）显示自定义字型，02H7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0HF7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH（3）图形显示先设垂直地址再设水平地址连续写入两个字节的资料来完成垂直与水平的坐标地址。垂直地址范围AC5AC0，水平地址范围AC3AC0绘图RAM的地址计数器（AC）只会对水平地址X轴自动加一，当水平地址0FH时会重新设为00H但并不会对垂直地址做进位自动加一，故当连续写入多笔资料时，程序需自行判断垂直地址是否需重新设定。唐山学院毕业设计16（4）应用说明用带中文字库的12864显示模块时应注意以下几点A欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。B显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。C当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。D“RE”为基本指令集与扩充指令集的选择控制位。当变更“RE”后，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位，否则使用相同指令集时，无需每次均重设“RE”位。E模块在接收指令前，向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态12，即读取BF标志时BF需为“0”，方可接受新的指令。如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。指令执行的时间请参考指令表中的指令执行时间说明。33涡街流量传感器模块331涡街流量传感器简介涡街流量传感器是根据卡门涡街理论13，利用了流体的自然振动原理14，以压电晶体或差动电容作为检测部件15而制成的一种速度式流量传感器。涡街流量传感器及其系列仪表具有无可动部件、测量范围度大、介质适应性广、测量精度高、检定周期长、传输信号距离远、压力损失小、结构简单、运行可靠、使用寿命长、安装维护方便等许多显著优点。可广泛应用于石油化工、冶金机械、食品、造纸，以及城市管道供热、供水、煤气等行业的各种液体、气体、蒸汽等单相流体的工艺计量和节能管理。涡街流量传感器便是依据卡门旋涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量计。因其具有良好的介质适应能力，无需温度压力补偿19即可直接测量蒸汽、空气、气体、水、液体的工况体积流量，配备温度、压力传感器可测量标况体积流量和质量流量，是节流式流量计的理想替代产品。332涡街流量传感器工作原理涡街流量计实现流量检测的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”16原理。在流动的流体中放置一根与流向垂直的非流线型阻流体如三角柱，圆柱等，称之为旋涡发生体，随着流体沿旋涡发生体流动的速度逐渐加快，雷诺数RE逐渐唐山学院毕业设计17增大，当RE达到40左右时，由于旋涡发生体后半部分附面层中的流体团受到更大的阻滞，就会在旋涡发生体下游产生两列旋转方向相反、平行参差排列的涡街，这就是所谓的“卡门涡街”。在测量管道中垂直地插入一非流线型阻流体BLUFFBODY也称漩涡发生体。随着流体流动，当管道雷诺数达到一定值时，在发生体两侧就会交替地分离出卡曼涡街。值得注意的是，由于旋涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。卡曼对涡街的稳定性条件进行了研究，于1911年得到结论只有形成相互交替的内旋的两排旋涡，且当两旋涡列之间的距离H和同列的两旋涡之间距离L之比满足HL0281时，所产生的涡街才是稳定的17。此时，其中单侧旋涡的脱落频率简称涡街频率F与阻流体两侧的平均流速V之间的关系可表示为FSTV/D31上式中F涡街发生频率（HZ）V旋涡发生体两侧的平均流速M/SST斯特罗哈尔系数（常数）图33涡街流量计工作原理示意图在涡街的产生过程中，根据汤姆生定律，当一个旋涡从涡街发生体一侧分离时，必然在发生体周围产生一个反向的环流，旋涡带走的环量与环流的环量大小相等，方向相反。根据库塔儒可夫斯基升力定理21，旋涡发生体将受到一个升力，该升力垂直于来流方向。设作用在旋涡发生体每单位长度上的升力为F，有F1/2CDV232上式中C升力系数流体密度，KG/M3。D旋涡发生体特征尺寸由于交替地作用在旋涡发生体上升力的频率就是旋涡的脱落频率，通过压电探头对F变化频率的检测，即可得到F。对于确定的旋涡发生体特征尺寸D及斯特罗哈尔系数，流体的平均流速V与旋涡频率F成正比，对于确定的仪表口径，唐山学院毕业设计18流体的体积流量与旋涡频率F成正比。F只与流速V和旋涡发生体的几何参数有关，而与被测流体的物性和组分无关，因此可以得出结论涡街流量计不受流体温度、压力、密度、粘度、组分因素的影响。333涡街流量计结构涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。（1）旋涡发生体旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关，对它的要求如下。1）能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；2）在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；3）能产生强烈的涡街，信号的信噪比高18；4）形状结构简单，便于加工和几何参数标准化，及各种检测元件的安装组合；5）材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化；6）固有频率在涡街信号的频带外。已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形，其中三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种。为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。（2）检测元件涡街流量计检测旋涡信号有5种方式。L）用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；2）旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；3）检测旋涡发生体周围交变环流；4）检测旋涡发生体背面交变差压；5）检测尾流中旋涡列。根据这5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、