2017畢業(yè)論文-基于MSP430單片機的稱重系統(tǒng)設計.doc

目 錄 摘要摘要I ABSTRACT.II 1 引言引言 .1 1.1 課題研究背景及意義1 1.2 研究現(xiàn)狀1 1.3 論文主要內容和預期目標2 1.4 論文組織結構2 2 稱重系統(tǒng)總體方案設計稱重系統(tǒng)總體方案設計 .4 2.1 稱重系統(tǒng)基本工作原理4 2.2 稱重系統(tǒng)模塊方案設計4 2.2.1 主控制器模塊方案設計 4 2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊方案設計 4 2.2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊方案設計 5 2.2.4 電源管理模塊方案設計 6 2.3 設計方案總結6 3 稱重系統(tǒng)硬件設計稱重系統(tǒng)硬件設計 .7 3.1 MSP430 單片機最小系統(tǒng)設計.7 3.1.1 MSP430 單片機介紹 .7 3.1.2 MSP430 單片機接口電路設計 .8 3.2 電源管理模塊設計11 3.2.1 5V 轉換電路.11 3.2.2 3.3V 轉換電路12 3.3 信號采集模塊電路設計12 3.3.1 工作原理 12 3.3.2 信號檢測電路設計 14 3.4 信號調理電路設計15 3.4.1 AD620 工作原理15 3.4.2 信號放大電路 16 3.5 AD 轉換電路設計.16 3.5.1 SD16 概覽 16 3.5.2 轉換接口電路設計 17 3.6 顯示電路設計17 3.7 硬件電路設計小結19 4 稱重系統(tǒng)軟件設計稱重系統(tǒng)軟件設計 .20 4.1 主程序設計20 4.2 初始化程序模塊21 4.3 AD 采集與數(shù)據(jù)處理程序模塊.22 4.4 LCD 顯示程序模塊.23 4.5 軟件設計小結24 5 調試與總結調試與總結 .25 5.1 調試中遇到問題及解決方案25 5.2 結論25 致謝致謝 .26 參考文獻參考文獻 .27 附錄附錄 .28 附錄附錄 II .29 I 摘要摘要 電子秤是日常生活中常用的電子衡器，智能電子秤測量準確、快速，易于 實時測量和監(jiān)控，成為測量領域的主流產(chǎn)品。 本設計是基于 MSP430 單片機的稱重系統(tǒng)，可實現(xiàn) 0500g 重物的精確測量。 系統(tǒng)硬件電路包括 MSP430 單片機最小系統(tǒng)、傳感器電路、信號調理電路、AD 采集電路、LCD 顯示電路、電源管理電路等幾部分組成。系統(tǒng)使用橋式應變片 傳感器測量重物并輸出電壓信號，經(jīng)過信號調理電路放大濾波后，經(jīng)模數(shù)轉換 將信息傳至單片機處理，同時將重量實時顯示。系統(tǒng)軟件包括 AD 采樣，濾波 和顯示程序。文章還詳細闡述了本次設計的調試過程以及在調試過程中遇到的 問題及解決方法。本設計完成稱重系統(tǒng)的各項功能，經(jīng)調試，效果良好，具有 一定的實用價值。 關鍵詞：MSP430；稱重傳感器；LCD； II Abstract Electronic scale is a electron weighing apparatus used in everyday life, intelligent electronic scales measurement accuracy, fast, easy to real-time measuring and monitoring, become the mainstream of the fields products. This design is a weighing system based on MSP430 MCU, which can realize the 0 500g clog precision measurement. The system hardware circuit including MSP430 microcontroller smallest system, sensor circuit, signal regulate circuit, AD acquisition circuit, LCD display circuit, power management circuit to wait for a few parts. Systems use bridge type strain film sensor measuring weight and output voltage signal, after filtered signal disposal circuit, the amplification frequency-field handed to SCM processing information, and will weight real-time display. System software including AD sampling, filter and show program. The paper also explains in detail the design debugging process and in during the commissioning of the problems and solving methods. This design completed each function, weighing systems by commissioning, the effect is good, has certain practical value. Keywords：MSP430；weighing apparatus；LCD； 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 1 1 引言 1.1 課題研究背景及意義 隨著時代科技的迅速發(fā)展和計算機等現(xiàn)代電子技術的提高，給傳統(tǒng)的電 子測量技術帶來了巨大的沖擊和影響。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更 先進的儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化 水平等方面發(fā)生了巨大變化，并相應的的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系 統(tǒng)，使得科學實驗和應用工程的自動化程度顯著提高。 通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內外市場的需求，電子衡 器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向于速 率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息 和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。 電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛的應用于超市，物流配送中 心，大中型商場。電子秤在結構和原理上取代了以杠桿平衡為原理的機械式 稱量工具。相比傳統(tǒng)機械式稱量工具，電子秤具有裝機體積小，稱量精度高， 應用范圍廣，易于操作和使用等優(yōu)點，在工作原理，外形布局，結構和材料 上都是全新的計量衡器。電子秤的設計首先是通過壓力傳感器采集被測物體 的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號 處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經(jīng) AD 轉換電路轉換 為數(shù)字量并送入到主控電路的單片機中，再經(jīng)過單片機控制顯示外設，顯示 出稱量數(shù)值。 作為重量測量的儀器，智能電子秤在各行各業(yè)開始呈現(xiàn)其測量準確，測 量速度快，易于實時測量和監(jiān)控的巨大優(yōu)點，并開始逐漸取代傳統(tǒng)的機械杠 桿測量秤，成為測量領域的主流產(chǎn)品。 1.2 研究現(xiàn)狀 20 世紀前期，我國的衡器制造業(yè)主要以杠桿原理的機械式為主，20 世紀 后期，我國的衡器不斷發(fā)展，由過去的全機械式進入機電結合式，在幾十年 的發(fā)展和完善中，發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國電子衡器的檢 測試驗手段和技術裝備基本達到國際 90 年代中期的水平。電子衡器制造技術 及應用得到了新發(fā)展。電子秤重技術從靜態(tài)稱重技術向動態(tài)稱重技術發(fā)展； 計量方法從模擬量向數(shù)字量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展， 特別是對動態(tài)稱重和快速稱重的研究與應用。就總體而言，我國電子衡器產(chǎn) 品的數(shù)量和質量與工業(yè)發(fā)達國家還有較大差距。其主要差距是技術與工藝不 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 2 夠先進、工藝裝備與測試儀表老化、開發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、 功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。 眾所周知，傳統(tǒng)的量具是桿秤或盤秤，20 世紀 70 年代開始出現(xiàn)電子秤。 早期的電子秤多數(shù)通過模擬電路實現(xiàn)，隨著電子技術的不斷發(fā)展數(shù)字芯片 價格逐漸下降，模擬控制已逐步被數(shù)字控制所替代，電子秤的設計也大都以 微處理器為核心，使精度和可靠性都有了明顯提高。由于小型商用電子秤運 算不太復雜，所以用 8 位微處理器即可滿足要求。 電子秤重系統(tǒng)必須將多只傳感器的輸出進行計算，才能得到完整準確的 稱重結果。從 20 世紀 70 年代的模擬串聯(lián)計算到 80 年代的模擬并聯(lián)計算，計 算技術的發(fā)展大幅度即降低了電子秤的成本，又提高了可靠性和穩(wěn)定性。但 是，模擬并聯(lián)計算也存在不足：如對傳感器的一致性要求較高、電子秤四角 偏差調試復雜無法對單個傳感器進行檢測等。目前，解決上述問題的最好方 法是采用數(shù)字計算或數(shù)?；旌嫌嬎恪Ｓ捎谛盘柗糯笃鞒杀镜牟粩嘞陆导?AD 轉換器性能的大幅度提高，數(shù)字計算無論在技術上還是在經(jīng)濟上都進入了實 用階段。 電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢，引起了對低成本、高性 能模擬信號處理器件需求的增加。目前大多數(shù)電子秤是以 1:3,000 或 1:10,000 的分辨率輸出最終稱重值的，這樣的系統(tǒng)一般使用 12 bit 至 14 bit 的 AD 模數(shù) 轉換器就很容易滿足要求。然而，高精密檢測的電子秤如果要達到要求，那 么 ADC 的精度需要接近于 20 bit。 1.3 論文主要內容和預期目標 學習 MSP430 系列 MSP430XF425 單片機的使用，結合 IAR 編譯器進行 軟件設計，設計一種稱重系統(tǒng)用于測量量程在 0500g 物體的質量。利用傳感 器測量橋式電路的壓差，采用差分放大電路放大壓差信號，使其達到可使單 片機識別的電壓，通過單片機的處理并顯示出來。 預期目標：正確的設計稱重系統(tǒng)方案，編寫程序實現(xiàn)要求的控制算法。 設計完成一種具有響應快、精確度高、穩(wěn)定性好的稱重系統(tǒng)。 1.4 論文組織結構 具體章節(jié)安排如下： 第 1 章介紹了本課題的研究背景、研究意義與研究現(xiàn)狀，本論文的主要 研究內容、所要解決的問題及最終所要實現(xiàn)的目標。 第 2 章概述了本課題部分知識的理論基礎，對橋式傳感器、模擬放大電 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 3 路、液晶顯示進行了介紹。重點學習了橋式傳感器與模擬放大電路相結合的 實現(xiàn)方法。通過對系統(tǒng)分析，選擇系統(tǒng)的總體設計方案和各模塊的設計方案。 第 3 章介紹了稱重系統(tǒng)模塊的硬件設計，并對設計出的系統(tǒng)硬件電路進 行了說明。 第 4 章介紹了稱重系統(tǒng)模塊的軟件設計，對程序流程設計進行了說明， 并詳細介紹了系統(tǒng)的軟件設計。 第 5 章對完成稱重系統(tǒng)的制作，對系統(tǒng)進行調試并總結。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 4 2 稱重系統(tǒng)總體方案設計 2.1 稱重系統(tǒng)基本工作原理 稱重系統(tǒng)的主要工作原理是：將應變片粘至金屬力臂上側，力臂上放置 秤盤，重物放入秤盤時產(chǎn)生壓力，使應變片發(fā)生形變從而產(chǎn)生電信號，信號 經(jīng)放大調理后傳至微控制器處理顯示。稱重系統(tǒng)主要包括：橋式應變傳感器、 放大電路、AD 轉換電路、單片機最小系統(tǒng)電路、顯示電路和電源管理電路等 部分，圖 2.1 為系統(tǒng)設計總體方案框圖。 微 處 理 器 壓力傳感器 電源管理系統(tǒng) 信號調理電路AD LCD顯示 圖圖 2.1 系統(tǒng)設計總體方案框圖系統(tǒng)設計總體方案框圖 2.2 稱重系統(tǒng)模塊方案設計 整個硬件系統(tǒng)由五大模塊組成，下面以控制系統(tǒng)結構為依據(jù)就針對各模 塊做具體的方案設計。 2.2.1 主控制器模塊方案設計 方案一：選用 51 系列單片機作為稱重系統(tǒng)的主控制芯片，51 系列單片機 是 8 位微處理器，使用簡單，價格低，但是本稱重系統(tǒng)需要涉及到高速 AD 的數(shù)據(jù)處理，51 系列單片機運算速度達不到系統(tǒng)的設計要求，所以不采用本 方案。 方案二：根據(jù)稱重系統(tǒng)系統(tǒng)設計要求與主控制系統(tǒng)能完成的功能，選用 MSP430F425 單片機。MSP430F425 單片機是一款 16 位單片機，運算速度快， 精度高，而且以 MSP430F425 單片機為主控制器的設計，可以更加容易使計 算控制技術和測量技術結合在一起。故采用此方案。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 5 2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊方案設計 數(shù)據(jù)采集模塊分為 3 個部分：稱重傳感器、電壓放大器和 AD 轉換器。 （1）稱重傳感器 稱重傳感器由以下方案可以選擇： 方案一：采用四片貼片電阻，自行搭建橋式電路。優(yōu)點是成本低，但是 由于貼片需要的精度不能保證，那么傳感器的測量精度和穩(wěn)定性也不能保證。 故此方案不宜采用。 方案二：選用平行式測重傳感器 LAA-H1，為全橋式電路形式。通過輸出 稱量重物時產(chǎn)生的壓差信號測量重物的大小。特點是精度高、回零快、滯后 小。適合小量貴重物品的測量和要求精度高的稱量工具的制造。以上特點適 用于本設計，故采用此方案。 （2）電壓放大器 電壓放大器的設計有以下幾種方案可以采用： 方案一：利用普通低溫漂運算放大器構成多級放大器。但是普通低溫漂 運算放大器所構成多級放大器會引入大量噪聲。而 AD 轉換器需要很高的精 度，幾毫伏大小的干擾信號就會直接影響到最后的測量精度。所以，此方案 不宜采用。 方案二：由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。差動放大器具有 增益高，高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放做成一個差動放大 器。 實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度會有較大影響。 方案三：采用專用的儀表放大器。此類芯片內部采用經(jīng)典的三運放改進 設計。差模輸入阻抗大，共模抑制比高，增益高，精度也非常好，外部接口 簡單，且放大器的增益通過改變一個外接電阻的阻值是可以改變的。基于以 上分析，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 AD620 作為 稱重系統(tǒng)的電壓放大器。 （3）AD 轉換器 按設計要求：電子秤最大稱重為 500g，重量誤差不能大于 1%0，精度要 求為 0.1g。同樣也有以下幾種方案采用： 方案一：采用 8 位逐次逼近式 AD 轉換器 ADC0809，在單片機外接 AD 轉換器完成，模數(shù)轉換的功能，但是由于稱重系統(tǒng)的精度要求精度較高， ADC0809 不能達到設計功能的要求，故不采用。 方案二：選用 MSP430 單片機內部的 AD 模數(shù)轉換器，轉換器為 16 位高 速模數(shù)轉換器，完全可以滿足精度要求，而且 SD16 是單片機內部器件，穩(wěn)定 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 6 性好，故采用此方案。 2.2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊方案設計 本設計只需要顯示出所稱實物的實際重量，如果采用 LCD1602 顯示，成 本較高，雖然可以顯示更多信息，但是稱重系統(tǒng)對此要求不高，所以不采用。 而 LCD048 具有耗電省、成本低、亮度高、驅動簡單、使用壽命長等優(yōu)點， 且在 MSP430F425 單片機中帶有 LCD048 的硬件驅動，更易于使用單片機對 其進行變成控制，所以選用 LCD048 顯示。 2.2.4 電源管理模塊方案設計 稱重系統(tǒng)的供電系統(tǒng)需要多種電壓，多種電壓的需求就要求更加合理的 電源系統(tǒng)設計。這里把電源設計成用 220V 的交流電經(jīng)過變壓器后輸出的12 電壓供驅動壓力傳感器使用，經(jīng)整流濾波電路后， 通過電壓轉換芯片 LM7805 轉換為5V 電壓供液晶 LCD 使用，再通過電壓轉換芯片 LM1117 轉 換得到3.3V 電壓，供 MSP430F425 單片機系統(tǒng)的其他芯片使用。多種電壓 的需求就要求更加合理的，電源系統(tǒng)設計。 2.3 設計方案總結 綜上所述，稱重系統(tǒng)以 MSP430F425 單片機作為控制器，壓力檢測傳感 器采用平行式稱重傳感器 LAA-H1，信號放大采用精密儀表放大芯片 AD620，采用低功耗 LCD048 顯示屏。稱重系統(tǒng)的設計量程為 500g，分辨率 為 0.1g，可以實現(xiàn)精準測量。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 7 3 稱重系統(tǒng)硬件設計 3.1 MSP430 單片機最小系統(tǒng)設計 3.1.1 MSP430 單片機介紹 MSP430 系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以 下的特點： （1）處理能力強 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（RISC） 結構，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址） 、簡 潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器 都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 （2）運算速度快 MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加） 相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等） 。MSP430 系列單片機 的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備 用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6s。 （3）功耗低 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及 靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。 （4）系統(tǒng)穩(wěn)定 上電復位后，首先由 DCOCLK 啟動 CPU，以保證程序從正確的位置開始 執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設置適當?shù)募?存器的控制位來確定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障，DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛， 可用看門狗將其復位。 （5）偏上外圍模塊豐富 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看 門狗（WDT） 、模擬比較器 A、定時器 A（Timer_A） 、定時器 B（Timer_B） 、 串口 0、1（USART0、1） 、硬件乘法器、液晶驅動器、10 位/12 位 ADC、I 2 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 8 C 總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA） 、端口 O（P0） 、端口 16（P1P6） 、基本定時 器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序 失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 AD 轉換器； 16 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量 的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM 等；有的器件更具 有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應用； 具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線；P0、P1、P2 端口能夠接收外 部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14 位硬件 AD 轉換器有較高的轉換速率， 最高可達 200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉換；硬件 I 2 C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴 展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（DMA）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 （6）開發(fā)環(huán)境方便高效 目前 MSP430 系列有 OPT 型、FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這 些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成 功之后在燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調試環(huán)境， 因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用 先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接 口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。 3.1.2 MSP430 單片機接口電路設計 MSP430 單片機最小系統(tǒng)電路包括：晶振電路，復位電路，JTAG 仿真、 調試接口電路。 a晶振電路 每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全稱是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶 振的作用非常大，他結合單片機內部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率， 單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎上的，晶振的提供的時鐘頻率 越高，那單片機的運行速度也就越快。 晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提 供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 9 R 7 4.7K V cc S2 SW -SPST R ES ET 達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍 內調整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時 鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng) 的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。 晶振電路如圖 3.1 所示。 圖圖 3.1 晶振電路晶振電路 b復位電路 為確保微機系統(tǒng)中 電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分， 復位電路的第一功能是上電復位。一般微機電路正常工作需要供電電源為 5V5%，即 4.755.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時 鐘信號，因此在電源上電時，只有當 VCC 超過 4.75V 低于 5.25V 以及晶 體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。 本設計采用手動按鈕復位，當人為在復位輸入端 RST 上加入高電平。一 般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時， 則 Vcc 的+5V 電平就會直接加到 RST 端。由于人的動作再快也會使按鈕保持 接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。單片機在啟動時都 需要復位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 MSP430 系列單片機的復位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內的觸發(fā)器中。當 系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平 并維持 2 個機器周期(24 個振蕩周期)以上，則 CPU 就可以響應并將系統(tǒng)復位。 單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位。如圖 3.2 所示為復位電 X T C 1 30pF C 2 30pF X IN X OU T 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 10 路圖。 圖圖 3.2 復位電路復位電路 cJTAG 仿真、調試接口電路 JTAG 也是一種國際標準測試協(xié)議（IEEE 1149.1 兼容） ，主要用于芯片內 部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG 協(xié)議,如 DSP、FPGA 器件等。標 準的 JTAG 接口是 4 線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、 數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。相關 JTAG 引腳的定義為：TCK 為測試時鐘輸入； TDI 為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過 TDI 引腳輸入 JTAG 接口；TDO 為測試數(shù)據(jù) 輸出，數(shù)據(jù)通過 TDO 引腳從 JTAG 接口輸出；TMS 為測試模式選擇，TMS 用來設置 JTAG 接口處于某種特定的測試模式；TRST 為測試復位，輸入引腳， 低電平有效。 TI 還定義了一種叫 SBW-JTAG 的接口，用來在引腳較少的芯片上通過最 少的利用引腳實現(xiàn) JTAG 接口，它只有兩條線，SBWTCK，SBWTDIO。實際 使用時一般通過四條線連接，VCC，SBWTCK，SBTDIO，GND，這樣就可 以很方便的實現(xiàn)連接，又不會占用大量引腳。 JTAG 編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預編程現(xiàn)再裝 到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用 JTAG 編程, 從而大大加快工程進度。JTAG 接口可對 PSD 芯片內部的所有部件進行編程。 在硬件結構上，JTAG 接口包括兩部分：JTAG 端口和控制器。與 JTAG 接口兼容的器件可以是微處理器（MPU） 、微控制器（MCU） 、 PLD、CPL、FPGA、ASIC 或其它符合 IEEE1149.1 規(guī)范的芯片。IEEE1149.1 標準中規(guī)定對應于數(shù)字集成電路芯片的每個引腳都設有一個移位寄存單元， 稱為邊界掃描單元 BSC。它將 JTAG 電路與內核邏輯電路聯(lián)系起來，同時隔 離內核邏輯電路和芯片引腳。由集成電路的所有邊界掃描單元構成邊界掃描 寄存器 BSR。邊界掃描寄存器電路僅在進行 JTAG 測試時有效，在集成電路 正常工作時無效，不影響集成電路的功能。如圖 3.3 為 JTAG 接口電路圖。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 11 圖圖 3.3 JTAG 接口電路圖接口電路圖 如圖 3.4 所示為 MSP430 單片機最小系統(tǒng)原理圖。 圖圖 3.4 MSP430 單片機最小系統(tǒng)原理圖單片機最小系統(tǒng)原理圖 12 34 56 78 910 1112 1314 C ON 1 JT A G R 11M R 2 1M R 3 1M C 2 10 4 V cc C 1 10 4 V ccTDO TDI TMS G ND RESET P2.3 UTRXD0 UTXD0 S 0 S 1 RESET S 2 TCL S 3 SMT S 4 TDI S6 TD0 S5 S7 S8 S9 S10 S11 S12 NC 1 1+ 2 S13 3 S12 4 S11 5 S10 6 S9 7 S8 8 S7 9 S6 10 S5 11 S4 12 S3 13 S2 14 S1 15 S0 16 COM3 17 COM2 18 COM1 19 COM0 20 LCD_08 S13 S14 S15 COM3 COM2 COM1 COM0 S2 S0 S1 S13 S12 S15 S11 S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 COM3 COM2 COM1 COM0 LCD偏偏 P2.2 R 7 4.7K V cc X T S2 SW -SPST C 1 30 pF C 2 30 pF X IN X OU T D Vcc 1 A 0.0 + 2 A 0.0 - 3 A 1.0 + 4 A 1.0 - 5 A 2.0 + 6 A 2.0 - 7 X IN 8 X OU T 9 V ref 10 P2.2 /ST E 0 11 S0 12 S1 13 S2 14 S3 15 S4 16 S5 17 S6 18 S7 19 S8 20 S9 21 S10 22 S11 23 S12 24 S13 25 S14 26 S15 27 S16 28 S17 29 S18 30 S19 31 S20 32 S2 1 33 S2 2 34 S2 3 35 C OM 0 36 C OM 1 37 C OM 2 38 C OM 3 39 R 03 40 R 13 41 R 23 42 R 33 43 P2.1 /U CL K0 /S 24 44 P2.0 /TA 2 /S2 5 45 P1.7 /SO M IO /S 26 46 P1.6 /SIM O0 /S2 7 47 P1.5 /TT C LK /A CL K /S2 8 48 P1.4/S29 49 P1.3/S30 50 P1.2/S31 51 P1.1 52 P1.0 53 TDO/TDI 54 TDI/TCLK 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P2.5/URXD0 59 P2.4/UDXT0 60 P2.3/SVSIN 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 MSP430F425 S? 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 12 3.2 電源管理模塊設計 3.2.1 5V 轉換電路 傳感器需要 12V 電壓供電，而 LCD 顯示模塊需要 5V 供電，這就需要將 12V 電壓轉換為 5V 電壓。如圖 3.5 所示為 12V 轉 5V 轉換電路。 圖圖 3.5 12V 轉轉 5V 轉換電路轉換電路 3.2.2 3.3V 轉換電路 由于 MSP430 單片機使用 3.3V 電源供電，所以要將經(jīng)過 LM7805 轉換得 到的 5V 電壓，再經(jīng) LM1117 將電壓轉換為 3.3V。如圖 3.6 所示為 5V 轉 3.3V 轉換電路圖。 圖圖 3.6 5V 轉轉 3.3V 轉換電路圖轉換電路圖 1 2 3 LM1117 R3 104 R4 104 + C3 0.1uF +C4 0.1uF 3.3V5V 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 13 3.3 信號采集模塊電路設計 3.3.1 工作原理 電阻應變式稱重傳感器是基于如下原理：彈性體（彈性元件，敏感梁） 在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也 隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完 成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電 路是電阻應變式稱重系統(tǒng)的主要部分。 a電阻應變片 電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上， 即成為一片應變片。 電阻應變片的重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。 設有一個金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記 作 S，其電阻率記作 ，這種材料的泊松系數(shù)是 。當這根電阻絲未受外力作 用時，它的電阻值為 R： R = L/S（） （3-1） 當他的兩端受 F 力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設其伸長 L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實驗證明， 此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作 。 對式（3-1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們 有： R = L/S + L/S SL/S2 （3-2） 用式（3-1）去除式（3-2）得到 R/R = / + L/L S/S （3-3） 另外，我們知道導線的橫截面積 S = r2，則 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （3-4） 從材料力學我們知道 r/r = -L/L （3-5） 其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。 是表示材料橫向效應泊松 系數(shù)。把式（3-4） （3-5）代入（3-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L） ）*L/L 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 14 = K *L/L （3-6） 其中： K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （3-7） 式（3-6）說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸 長率（長度相對變化）之間的關系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù) K 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質 決定的一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的 K 值一 般在 1.73.6 之間；其次 K 值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學 中 L/L 稱作為應變，記作 ，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常 常把它的百萬分之一作為單位，記作 。這樣，式（3-6）常寫作： R/R = K (3-8) 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 15 b稱重傳感器工作原理 LAA-H1 稱重傳感器的彈性體為例，介紹以下其中的應力分布。彈性體 是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所 受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高 品質的應變場（區(qū)） ，使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信 號的轉換任務。設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪 應力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一 為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應 變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式， 而不再推導。 =（3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3） （3- 9） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為 梁的幾何尺寸。需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而 應變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。圖 3.7 所示為電阻式應變片實物圖。 圖圖 3.7 電阻式應變片實物圖電阻式應變片實物圖 3.3.2 信號檢測電路設計 信號檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵?。因?惠斯登電橋具有很多優(yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干 擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重 R 1 3K R 2 3K R 4 3K R 3 3K +12V -12V O UT -O UT + 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 16 傳感器中得到了廣泛的應用。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù) 一致，各個電阻相對稱，故各種干擾的影響容易相互抵銷減弱，所以稱重傳 感器均采用全橋式等臂電橋。 如圖 3.8 為電阻式應變片內部結構圖。 圖圖 3.8 電阻式應變片內部結構圖電阻式應變片內部結構圖 3.4 信號調理電路設計 3.4.1 AD620 工作原理 AD620 是一款單芯片儀表放大器，采用經(jīng)典的三運放改進設計。通過調 整片內電阻的絕對值，用戶只需要一個電阻便可實現(xiàn)對增益的精確編程 （G=100 時精度可達 0.15%） 。單芯片結果和激光晶圓調整允許對電路元件進 行嚴格匹配與跟蹤，從而可確保此電路本身具有的高性能特性。如圖 3.9 為 AD620 原理圖。 圖圖 3.9 AD620 原理圖原理圖 輸入晶體管 Q1 和 Q2 提供一路高精度差分對雙極性輸入，同時由于采用 SuperBeta 處理，因此輸入偏置電流減小 10 倍。反饋環(huán)路 Q1-A1-R1 和 Q2- A2-R2 使輸入器件 Q1 和 Q2 的集電極電流保持恒定，從而可將輸入電壓作用 于外部增益設置電阻上。這樣就產(chǎn)生了從輸入至 A1/A2 輸出的差分增益， GR 器計算公式如（3-10）。單位增益減法器 A3 用來消除任何共模信號，以獲得折 合到 REF 引腳電位的單端輸出。R 值還可決定前置放大器級的跨導。當減小 R 以獲得更大增益時，該跨導將漸進增大到輸入晶體管的跨導。這會帶來三 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 17 49.4 1 G K G R 大好處： （1）開環(huán)增益提升以提供更大的編程增益，從而減小與增益相關的誤差； （2）增益帶寬積（由 C1、C2 和前置放大器跨導決定）隨著編程增益提 高而強大，從而優(yōu)化頻率響應； （3）輸入電壓噪聲降至 9Nv/Hz，它主要由輸入器件的集電極電流和基 極電阻決定。 內部增益電阻 R1 和 R2 已調整至絕對值 24.7K，因此利用一個外部電 阻便可實現(xiàn)對增益的精確編程，增益公式為。 （3-10） （3-11） 3.4.2 信號放大電路 AD620 可以提供低功耗、低成本和高精度的信號放大電路。在稱重系統(tǒng) 中，絕對精度和漂移誤差是最重要的誤差來源。在含有智能處理器的教復雜 系統(tǒng)中，自動增益/自動歸零周期將消除所有的絕對精度和漂移誤差，僅留下 增益、非線性度和噪聲的分辨率誤差，因此完全可以獲得高精度。如圖 3.10 為 AD620 信號放大電路圖。 圖圖 3.10 AD620 信號放大電路圖信號放大電路圖 電壓放大電路中 AD705 起著電壓跟隨器的作用，電壓跟隨器起緩沖、隔 離、提高帶載能力的作用。共集電路的輸入 高阻抗，輸出低阻抗的特性， 使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，使得放大電路更好的工作。 49.4 1 G K R G 1 2 3 4 3 8 1 2 7 45 6AD620 G=2000 47.8 +12V -12V AD705 REF IN AGND ADC 20K 10K 20K 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 18 3.5 AD 轉換電路設計 3.5.1 SD16 概覽 在 MSP430F425 單片機中，集成了 3 個獨立的 16 位 ADC，并且包含基 準源、可編程序增益放大器，適合各種高精度測量應用。目前 16 位及以上的 高分辨率 ADC 普遍采用了 - 調制技術，因此，此類 ADC 也被稱為 - 型 ADC。MSP430 的 AD 轉換器采用 - 原理，- 的分辨率通常較高，- 架 構的數(shù)字化程度達 90%。每個 ADC 都有獨立的空盒子寄存器組，并有 8 個差 分輸入通道，通道 05 可以測量輸入電壓，通道 7 短路，通道 6 接到內部溫 度傳感器。對于 MSP430F425 單片機，實際上只有每個 ADC 的通道 0 對外引 出。如圖 3.11 為 SD16 主控制器，圖 3.12 為 SD16 通道結構圖。 圖圖 3.11 SD16 主控制器主控制器 圖圖 3.12 SD16 通道結構圖通道結構圖 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 19 3.5.2 轉換接口電路設計 如圖 3.13 為 AD 轉換接口電路。 圖圖 3.13 AD 轉換接口電路轉換接口電路 3.6 顯示電路設計 MSP430 器件上的液晶顯示器的控制/驅動將簡化液晶顯示器的顯示。不同 型號的液晶驅動能力不同，我們采用 MSP430 的 F42X 系列，有 128 段驅動 能力。本設計采用 LCD048 顯示數(shù)據(jù)。如圖 3.14 LCD048 電路圖。 圖圖 3.14 LCD048 電路圖電路圖 液晶的驅動有 4 種方法：靜態(tài)，2MUX 或 1/2 占空比，3MUX 或 1/3 占空 比， 4MUX 或 1/4 占空比。對于不同系列、不同型號的液晶驅動原理，控制 方法都是一樣的，不同點在于驅動液晶段數(shù)不一樣，或可顯示信息的多少不 一樣。我們采用 4MUX，這種方式也最簡單。 其中需要注意以下兩點： （1）液晶的偏壓。由于液晶驅動使用交流電壓，所以必須根據(jù)液晶的工 作模 MSP430 進行偏壓設置，具體的操作是:STATIC 模式下，R33 開路， R03-R23 接地，2MUX 模式下，分別在 R33、R13 以及 R13、R03 之間接上 10K 的電阻；3/4MUX 模式下，分別在 R33、R23 之間，R23、R13 以及 NC 1 1+ 2 S13 3 S12 4 S11 5 S10 6 S9 7 S8 8 S7 9 S6 10 S5 11 S4 12 S3 13 S2 14 S1 15 S0 16 COM3 17 COM2 18 COM1 19 COM0 20 L CD _08 S2 S0 S1 S13 S12 S15 S11 S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 COM3 COM2 COM1 COM0 1 2 3 4 C ON 2 4 HE A DE R V cc R 1 100K R 2 1K C 1 102 A IN 0 P2.2 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 20 R13、R03 之間接上 10K 的電阻，這樣就能保證 COM0-COM3 出來供給液晶 塊的電壓符合要求。 （2）頻率的設置。MSP430 有三種時鐘 ACLK（輔助時鐘） 、MCLK（主 時鐘） 、SMCLK（子時鐘） ，其中液晶的驅動頻率 FCLK 來自 ACLK。在 XTIN 和 XTOUT 之間接上振蕩頻率為 32KHz 的晶振，F(xiàn)clk 可以根據(jù)需要選 為 1024Hz、512Hz、256Hz、128Hz 等。由 FRFQ0 和 FRFQ1 的設置可以滿足 不同液晶對頻率的要求，其中 Flcd=2*MUX（rate）*F（framing） 。 例如：采用 3MUX，已知 F(framing)=100Hz-30Hz， 由 F(LCD)=2*MUX(rate)*F(framing)=6*F(framing)， 可知 F(LCD)=180Hz-600Hz?？蛇x擇的 F(LCD)為 1024Hz、512Hz、256Hz、128Hz，所以 F(LCD)=32K/128=256Hz，所以 FRFQ0=1、FRFQ1=0。 在以上兩點做好的基礎上，我們只要把要輸出的數(shù)字所對應的代碼輸出 到 MSP430 的顯存就可以顯示。實驗中如液晶抖動，可適當提高液晶的驅動 頻率。如液晶亮度不夠，應適當調整偏壓電阻的大小。 在驅動電路中，液晶可以等效為電容。兩個電極分別為公共極與段極。 公共極由 COMn 信號驅動，段極由 SEGn 信號驅動。由此可以得到 4 種驅動 方法。 （1）靜態(tài)驅動：使用一個引腳作為液晶公共端 COM0，而每一段段極需 要另一個引腳驅動。 （2）2MUX 驅動：使用兩個引腳作為液晶公共端 COM0、COM1 每兩段 段極需要另一引腳驅動。 （3）3MUX 驅動：使用三個引腳作為液晶公共端 COM0、COM1、COM2，每 3 段段極需要另一引腳驅動。 （4）4MUX 驅動：使用 4 個引腳作為液晶公共端 COM0、COM1、COM2，每 4 段段極需要另一引腳驅動。 3.7 硬件電路設計小結 本章介紹的是稱重系統(tǒng)的硬件電路，分別完成 MSP430 最小系統(tǒng)設計、 電源管理模塊設計、信號采集模塊電路設計、信號調理電路設計、AD 轉換電 路設計和顯示電路設計。硬件電路是本設計的基礎，各個模塊的電路為稱重 系統(tǒng)各個功能的完成提供了基礎。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 21 4 稱重系統(tǒng)軟件設計 模塊化思想：初始化程序模塊、AD 采集與數(shù)據(jù)處理程序模塊、顯示程序 模塊。 4.1 主程序設計 根據(jù)稱重系統(tǒng)的性能指標要求，程序設計需要完成以下模塊設計，AD 模 塊，數(shù)據(jù)處理模塊、LCD 模塊。由于系統(tǒng)需要實時顯示被測量的重量，所以 在顯示完經(jīng)測量處理的數(shù)據(jù)信息后，程序將自動跳回 AD 采樣環(huán)節(jié)繼續(xù)重復 執(zhí)行。如圖 4.1 為主程序流程圖。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 22 AD采樣 顯示數(shù)據(jù) 初始化 采樣數(shù)據(jù)處理 結束 開始 圖圖 4.1 主程序流程圖主程序流程圖 4.2 初始化程序模塊 如圖 4.2 為初始化程序流程圖。 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 23 關閉看門狗 結束 初始化AD 初始化LCD 開始 圖圖 4.2 初始化程序流程圖初始化程序流程圖 初始化程序代碼： void ini_main() int i; char j; WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 關閉看門狗 FLL_CTL0 |= XCAP18PF; / 設置晶振負載電容 18pF for (i = 0; i DOT;i-) /消隱無效“0“ 基于 MSP430 的稱重系統(tǒng) 26 if (DispBuffi=0) DispBuffi=SP; else break; PolarLocate=i+1; / 負號顯示在第一個有效數(shù)字左邊 if(DOT3) DOT=255; / 無效的小數(shù)點不顯示 if(DOTDOT;i-) /消隱無效“0“ if (DispBuffi=0) DispBuffi=SP; else break; PolarLocate=i+1; / 負號顯示在第一個有效數(shù)字左邊 if(DOT3) DOT=255; / 無效的小數(shù)點不顯示 if(DOT=4) Timer4=0; Analog_On; /P2.2 置高(如果有必要) SD16CTL |= (SD16REFON+SD16VMIDON); /開啟內部基準源，開啟輸出緩沖 器 for (n = 0; n 500; n+); /略延遲，讓基準電壓穩(wěn)定 ADC_Sample3(); /同時采樣 3 路 Analog_Off; /采樣完畢關閉外部模擬電路電源 SD16CTL /關閉內部基準源，關閉輸出緩沖器 LCD_DisplayDecimal(ADC_Result0,1); /顯示 ADC0 采樣值