数字电压表系统方案设计

目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111选题目的与意义112选题背景以及国内外现状113设计任务要求2第2章单片机及液晶显示器介绍321MSP430F149单片机介绍3211MSP430F149芯片引脚功能介绍3212ADC12介绍52212864液晶显示器说明12221液晶显示模块概述12222主要技术参数12223模块引脚说明1322412864与MSP430单片机的接口电路13第3章系统方案设计1531主要部分介绍1532电源设计方案1533显示模块方案1534系统总体结构图1635单片机最小系统16351电源电路16352晶振电路17353复位电路18354衰减电路1836系统硬件结构图1837系统软件设计19371软件设计总流程图19372软件调试20第4章电路调试2241调试方法2242调试结果及分析22结论23参考文献24致谢25附录126附录233摘要本论文绍一种基于MSP430F149单片机的电压测量电路，该电路实现测量直流电压范围03V和015V档的数字电压表,误差要求小于05,显示部分用到的是LCD12864液晶屏进行并行显示。论文主要给出了电压表所用到的MSP430F149的最小系统以及最小系统的各个组成部分和ADC12的各个寄存器功能介绍。然后本论文还给出了数字电压表的软件系统，只要包括软件系统流程图和程序代码以及各段程序的主要功能和注释。除软件系统以外还有数字电压表的硬件系统，包括衰减电路、电源电路，复位电路等。最后又把数字电压表最终实现结果以及能够扩展的功能介绍了一下，将电压表的功能要求提升了一个深度。关键词数字电压表MSP430单片机A/D转换ABSTRACTTHEPAPERSILLUSTRATEATHEMSP430F149MICROCONTROLLERBASEDVOLTAGEMEASUREMENTCIRCUIT,THECIRCUITMEASURINGDCVOLTAGERANGE03VAND015VFILEDIGITALVOLTMETER,ERRORREQUIREMENTISLESSTHAN05,USEDLCD12864LCDPARALLELDISPLAYEDTHETHESISTHEVOLTMETERUSEDMSP430F149THEMINIMUMSYSTEMASWELLASTHESMALLESTOFTHEVARIOUSCOMPONENTSOFTHESYSTEMANDTHEADC12REGISTERFUNCTIONTHEN,THEPAPERALSOGIVESTHETHEDIGITALVOLTMETERSOFTWARESYSTEM,INCLUDINGFLOWCHARTANDPROGRAMCODEOFTHESOFTWARESYSTEMANDPROCEDURESANDCOMMENTSINADDITIONTOTHESOFTWARESYSTEMSTHEDIGITALVOLTMETERHARDWARESYSTEM,INCLUDINGATTENUATIONCIRCUIT,POWERCIRCUIT,RESETCIRCUITTHELASTAGAINDIGITALVOLTMETERFINALRESULTSANDABLETOEXTENDTHEFUNCTION,THEFUNCTIONALREQUIREMENTSOFTHEVOLTMETERTOENHANCEADEPTHKEYWORDSDIGITALVOLTMETERMSP430MICROCONTROLLERA/DCONVERSION第1章绪论11选题目的与意义由单片机构成的数字电压表整体构成不是很复杂，对硬件和软件的要求也不是很高，所以整体的难度很适中。并且它在我们平时的设计中也经常用到，可以在以后的过程中用到自己制作的电压表也是一件高兴的事。数字电压表具有以下特点1读数直观准确2显示位数；3准确度高，分辨率高；4测量范围宽；5扩展能力强；6测量数率快；7输入阻抗高；8集成度高，微功耗；9抗干扰能力强。由于数字式电压表以上特点，再加上在日常生活中的实用与普遍性，它给日常生活带来了很大的便利，因此本题目具有很好的推广与实用性。12选题背景以及国内外现状该系统主要靠MSP430单片机内部集成的ADC12，单片机主要采用德州仪器MSP430F1XX系列单片机，430系列单片机由于其体积小，功耗低，功能强大成为各种智能仪器处理器的首要选择，其采用精简指令（RISC）结构，具有FLASH存储空间，芯片内置ADC模块，具有丰富的外围功能。功能的使用只需要完成相应相寄存器配置就可以了，十分的方便实用。所以近几十年来用单片机制作的各种数字电压表很快诞生，并且他们的实用性与准确性也是相当高的，再加之本身由单片机做出的数字电压表价格不是很昂贵，所以数值电压表在很短的时间就得到了普及，并且为人们的生活带来了极大方便。在人们对科学探索的道路上总是为了为了能够满足对探索的需求，所以以前功能单一化，操作繁琐以及不方便控制的数字电压表必定不能满足人们的需求，所以有单片机构成的数字电压表在不断演变，在进入21世纪以来，它已经蜕掉了以前的面容，它以另外一种面孔问鼎今天，它有功能多样化，结构最优化，准确最大化，控制简单化等等优势如今，已有各种样式的数字电压表已经普遍用于现代化测量和现代自动化仪表等现代化测量领域上。13设计任务要求1输入范围015V2精度053显示器LCD12864液晶屏4转换模式单通道单次转换第2章单片机及液晶显示器介绍21MSP430F149单片机介绍MSP430F1XX系列单片机具有低电源电压范围，18V至36V；超低功耗激活模式270A（在1MHZ频率和22V电压条件下）待机模式VLO03A关闭模式（RAM保持）01A；具有4个精度为1校准频率且高达16MHZ的内部频率；带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的12位模数A/D转换器具有3个捕获/比较寄存器的16位TIMER_A4个通用串行通信接口USCI另外还有代码保护和高达48个I/O引脚等功能。典型应用包括传感器系统、工业控制应用、手持仪表等。现在对MSPF149单片机的特点进行介绍如下（1）低电压、超低功耗化工作电压为33V让该单片机拥有低电压化，等待方式和关闭RAM状态下体现其超低功耗化。（2）具有12位的模数转换器ADC12的多样化模数转换的多样化即省去了专门设计转换电路的过程，也提高了转换精度。（3）大空间存储的大容量化为了满足程序和数据的存储需要，因此拥有了60KROM和2KRAM。（4）两通道串行通信多接口化即可以与计算机同步串行通信，也可以异步串行通信。（5）硬件乘法器当乘法器独立在CPU中进行乘法运算时，提高了其速度也提高了CPU的利用率。（6）串行在系统编程通过仿真器对程序进行操作，通过特定的软件对单片机进行监控。211MSP430F149芯片引脚功能介绍MSP430F149芯片设计时的封装方式采用的是贴片式封装，引脚之间距为05MM,64个引脚，而且单片机面积很小很难手工焊接，所以购买的是带有转接板的单片机，贴片式的单片机转接成4列28排针的引脚，排针脚间距约为254MM，能与万能板匹配。其引脚如下图所示图21MSP430F149引脚图下面是MSP430F149单片机的各端口功能说明表21MSP430F149单片机各端口功能说明端口功能P1、P2I/O、中断功能、其他片内外设功能P3、P4、P5、P6I/O、其他片内外设功能RST/NM1复位输入，不可屏蔽中断输入，或自动加载程序启动。TCK测试时钟，TCK是用于器件编程测试和自动加载程序启动的时钟输入口。TDI测试数据输入，TDI用作数据输入口。器件的保护熔丝被连接到TDITDO/TDI测试数据输出口，TDO/TD1是数据输出或编程数据输入端TMS测试方式选择，TMS用作器件编程和测试的输入口VEREF送到ADC的外部基准电压输入口VREFADC内部基准电压的正输出端VREF/VEREFADC的内部基准电压或外部加的基准电压的负端XIN晶体振荡器XT1的输入口，可接标准的或时钟的晶体XOUT/TCLK晶体振荡器XT1的输出端或测试时钟的输入端XT2IN晶体振荡器XT2的输入口，只能接标准晶体XT20UT晶体振荡器XT2的输出口212ADC12介绍ADC12模块支持快速，12位模拟数字转换。该模块实现了一个12位SAR内核，采样选择控制，参考电压发生器和一个16字转换与控制缓冲器。该转换与控制缓冲器允许多达16个独立的ADC采样转换和存储，无需任何CPU干预。2121ADC12主要特点1、大于200KSPS的最大转换速率；2、独立的12位转换器，无失码3、采样和保持控制与可编程采样周期可通过软件或定时器控制；4、启动通过软件，定时器A，定时器B；5、软件可选片上参考电压产生（15V或25V）；6、通过软件选择内部或外部参考电压；7、八路单独配置外部输入通道；8、为AVCC，内部温度传感器，外部参考源分配了通道；9、可单独选择正、负参考源10、可选择转换的钟源11、4种转换模式12、ADC的内核和参考电压可单独断电13、18个ADC中断向量寄存器14、16的转换结果存储寄存器2122寄存器及参考电压REFONREFON1开启参考电压发生器REF2_5VREF2_5V1，参考电压25VREF2_5V0，参考电压15V转换与存储16组ADC12MEMXADC12MCTLXSREFX定义参考电压INCHX选择输入通道EOS定义序列采样的结束使用序列模式CSTARTADDX定义起始ADC12MCTLX单通道和序列通道都使用转换模式MSC多重快速转换中断ADC12IE中断允许寄存器ADC12IFG中断标志寄存器ADC12V中断向量寄存器ADC12IFGX当转换结果被写入ADC12MEMX后,该位被置位ADC12IEX和GIE被置位,才产生中断寄存器ACD12CTL0SHT1XSHT0X采样保持需要的ADC12CLK的周期数ENC允许转换ADC12SC软件开启转换,触发源模式00ADC12CTL1CSTARTADDX定义起始ADC12MCTLX单通道和序列通道都使用SHSX触发源选择ADC12SSELX时钟源选择ADC12MCTLXEOS定义序列采样的结SREFX参考电压选择000VRAVCCANDVRAVSS001VRVREFANDVRAVSS010VRVEREFANDVRAVSS011VRVEREFANDVRAVSS100VRAVCCANDVRVREF/VEREF101VRVREFANDVRVREF/VEREF110VRVEREFANDVRVREF/VEREF111VRVEREFANDVRVREF/VEREF2123具有采样和保持功能的的12位转换内核ADC12内核由一个12位的模数转换器组成，它可以将转换出来结果保存到ADC12MEM转换存储器中。该内核使用了两个能够自己编程的参考电压（VR和VR）来定义转换的最大值和最小值。当外部输入的模拟电压不小于VR时，ADC12输出满量程值0FFFH，当输入电压等不大于VR时，ADC12就会输出0。外部输入的模拟电压的最终变化结果满足公式4095INRADCVNADC12内核的配置由ADC12CTL1和ADC12CTL0两个控制寄存器完成。ADC12内核在没有被使用时可以自动关闭来节省电能。ADC内核使能由ADC12ON位控制。当在ENC1时，ADC12的控制不能被修改，在进行转换时，ENC位将会设为1。2124转换时钟选择ADC12CLK作为转换的时钟，有四个时钟源可以选择，ADC12CLK时钟源源为SMCLK（系统子时钟），MCLK（系统主时钟），ACLK辅助时钟，和一个内部时钟ADC12OSC（5MHZ）。2125采样和转换定时ADC12内部采样保持电路触发源有四种选择1、ADC12SC（00）2、定时器A输出单元（1）（01）3、定时器B输出单元（0）（10）4、定时器B输出单元（1）（11）4种采样保持电路触发源由SHSX控制当SHI（采样保持输入信号）低电平到高电平时开始采样，当SAMPCON有高电平跳向低电平时采样保持结束，然后开始转换。ADC12有两种采样定时模式，并且由SHP位控制。一种叫扩展性采样模式，另一种叫脉冲模式。2126扩展性采样模式当SHP0时，SHI信号直接控制SAMPCON。即当SHI信号由低电平到高电平是SAMPCON也如此，此时就开始采样保持。当SHI信号由高电平跳至低电平时采样结束，并且开始装换。图22扩张采样模式2127脉冲模式在脉冲模式时，SHP1。在此模式时，SHI的一个上升沿触发采样，而不能直接控制采样时间。采样时间的控制是由ADC12内部的一个采样定时器控制，该定时器的时间可以有用户自己控制。图23脉冲模式2128部分ADC12寄存器1）SHP采样保持定时器SHT1X定义寄存器ADC12MEM8到ADC12MEM15对应转换通道的采样保持时间时间；SHT0X定义寄存器ADC12MEM0到ADC12MEM7对应转换通道的采样保持时间时间；图21采样保持定时器SHTXADC12时钟周期000040001800101600113201006401019601101280111192100025610013841010512101176811001024110110241110102411111024采样时间，其中N为SHT1或SHT0对应的4位二进124ADCLKTSAMPLET制数。2）MSC多次采样/转换位当MSC0时，需要SHI信号开启下一次转换。当MSC1时，SHI信号只是一个触发信号，下一次转换会自动进行直到转换完成。注仅适用于序列或重复转换模式。3）ADC12BUSY当ADC12BUSY0时，表示当前没有转换；当ADC12BUSY1时，表示的当前有装换；ADC12一共有4种转换模式1、单通道单次转换2、序列通道单次转换3、单通道多次转换4、序列通道多次转换在ADC12转换结束以后我们必须将ENC第二次复位并置位，这样才能够准备下一次转换。在次之前的所有输入输入信号将被忽略。ADC12的转换模式能够在转换的开始和未结束之前得到切换，新模式将会在当前转换完成以后重新开始。2129单通道单次转换模式状态图图24单通道单次转换模式状态图21210ADC12的结构原理图（如下图）图25ADC12结构原理2212864液晶显示器说明221液晶显示模块概述在此次毕业设计中用到的液晶显示器是12864液晶显示模块，其体积小、功耗低、显示内容丰富，不仅能显示数字、字符，对于带有中文字库的显示器还能显示汉字，对设计的质量及直观性有很大的提高。图26液晶显示模块222主要技术参数表23显示器主要技术参数显示容量128X64点阵工作电压4852V工作电流40MA50V背光源工作电流INCLUDE“BOARDCONFIGH“INCLUDE“CRY12864H“DEFINENUM_OF_RESULTS32UCHARSHUZI“0123456789“CONSTUCHARHANG1“当前电压是“STATICUINTRESULTSNUM_OF_RESULTS/保存ADC转换结果的数组/ISNOTUSEDFORANYTHINGVOIDTRANS_VALUINTHEX_VAL/主函数/VOIDMAINVOIDWDTCTLWDTPWWDTHOLD/关闭看门狗INI_LCD/初始化液晶DISP_HZ0X90,HANG1,6P6SEL|0X01/使能ADC通道ADC12CTL0ADC12ONSHT0_8MSC/打开ADC，设置采样时间ADC12CTL1SHPCONSEQ_2/使用采样定时器ADC12IE0X01/使能ADC中断ADC12CTL0|ENC/使能转换ADC12CTL0|ADC12SC/开始转换_EINTLPM0/函数名称ADC12ISR功能ADC中断服务函数，在这里用多次平均的计算P60口的模拟电压数值参数无返回值无/PRAGMAVECTORADC_VECTOR_INTERRUPTVOIDADC12ISRVOIDSTATICUINTINDEX0RESULTSINDEXADC12MEM0/MOVERESULTSIFINDEXNUM_OF_RESULTSUCHARIUNSIGNEDLONGSUM0INDEX0FORI0I5/除以32TRANS_VALSUM/函数名称TRANS_VAL功能将16进制ADC转换数据变换成三位10进制真实的模拟电压数据，并在液晶上显示参数HEX_VAL16进制数据N变换时的分母等于2的N次方返回值无/VOIDTRANS_VALUINTHEX_VALUNSIGNEDLONGCALTMPUINTCURR_VOLTUCHART1UCHARPTR4CALTMPHEX_VALCALTMPCALTMP12/CURR_VOLTCALTMP/2NPTR0CURR_VOLT/100/HEXDEC变换T1CURR_VOLTPTR0100PTR2T1/10PTR3T1PTR210PTR110/SHUZI表中第10位对应符号“WRITE_CMD0X89WRITE_DATA0WRITE_CMD0X8AWRITE_DATASHUZIPTR0WRITE_CMD0X8BWRITE_DATASHUZIPTR1/WRITE_CMD0X8CWRITE_DATASHUZIPTR2WRITE_CMD0X8DWRITE_DATASHUZIPTR3WRITE_CMD0X8EWRITE_DATAV12864液晶显示程序INCLUDETYPEDEFUNSIGNEDCHARUCHARTYPEDEFUNSIGNEDINTUINTEXTERNCONSTUNSIGNEDCHARSHUZI_TABLEDEFINELCD_DATAINP2DIR0X00/数据口方向设置为输入DEFINELCD_DATAOUTP2DIR0XFF/数据口方向设置为输出DEFINELCD2MCU_DATAP2INDEFINEMCU2LCD_DATAP2OUTDEFINELCD_CMDOUTP6DIR|0X78/P6口的低三位设置为输出DEFINELCD_RS_HP6OUT|BIT3/P63DEFINELCD_RS_LP6OUTFORI150I0I_NOP/函数名称DELAY_NMS功能延时N个1MS的时间参数N延时长度