基于MSP430单片机的低功耗数字式直流电压表设计说明

1、课程设计（论文）说明题目：基于MSP430的低压MCU功耗数字直流电压表的设计学校（系）：信息与传播学院专业：电子信息工程学生XX：学生卡：指导老师：吴小念职称：副教授2012 年 12 月 6 日摘要随着电子信息产业智能化的不断发展，单片机已广泛应用于工作领域。随着电子产品智能化的实现，人们对绿色环保的要求也越来越高。功耗方面，本设计采用TI的MSP430G2553混合信号微控制器作为系统核心设计的直流电压互感器，采用OLED液晶显示，并结合简单的外围电路实现电压采集、量程选择，数值显示等功能。实验证明，该电压表具有设计方法合理、操作简单易行、功耗低、测量精度高、携带方便等特点，适用于多种电

2、压直流电路中的电压测量。关键词：混合信号微控制器，电压表，低功耗摘要：随着电子信息产业智能化的不断发展，单片机直到在工作领域的广泛应用。在实现电子产品智能化的同时，人们对绿色的要求也越来越高。本设计从功耗的角度出发，采用TI公司的MSP430G2553混合信号微控制器为核心，系统设计了可变直流电压、OLED液晶显示，结合简单的外围电路电压采集、量程选择、数值显示。实验证明，该电压表设计合理、方法简单、功耗低、测量精度高、携带方便，适用于多电压直流电路的电压测量。关键词：混合信号微控制器、电压表、低功耗目录简介. . 1 _ _1设计方案 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _1.1设计要求

3、. . . 11.2数字直流电压表的设计与分析 12 硬件电路设计 22.1主要部件介绍 22.1.1 MSP430G2553 22.1.2 OLED显示屏 32.2 硬件电路原理分析 42.2.1整体硬件示意图 42.2.2 供电电路设计分析 42.2.3 单片机最小系统设计分析 52.2.4 OLED显示接口电路分析 52.2.5 量程选择电路接口分析 63编程 6 _3.1主要功能. . 63.2系统初始化函数 73.2 ADC初始化函数 73.3 OLED屏幕初始化 7 _4数据测量 84.1电源稳压电路的输出电压 84.2电压检测测试 85心得体会 9谢辞职 10参考文献. . 11

4、附录. . . 12介绍在电能的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压的测量是最常见的。而随着电子技术的发展，经常需要测量高精度的电压，因此数字电压表已成为不可缺少的测量仪器。数字电压表，简称DVM，是一种利用数字测量技术，将连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并显示出来的仪器。数字仪器因其读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快而被广泛使用。传统的模拟刻度电压表功能单一，进度低，容易造成视差和视觉疲劳，无法满足数字时代的需求。采用单片机数字电压表，将直流电压等连续的模拟量转换成不连续的离散数字形式并显示出来，具有精度高、抗干扰能力强、扩展性强、易于集成等特点。沟通。数字

5、电压表是许多数字仪表的核心和基础。以数字电压表为核心，可扩展为各种通用数字表、专用数字表和各种非电数字表。目前，有必要对各种单片机和A/D转换器组成的数字电压表有一个全面深入的了解。近几十年来，随着半导体技术、集成电路和微处理器技术的发展，数字电路和数字测量技术也取得了长足的进步，推动了数字电压表的快速发展，新的类型不断涌现。自1952年数字电压表问世以来，它经历了一个不断改进的过程，从最早使用继电器、电子管和表格到现在的全固态和集成。另一方面，准确率也从0.01%-0.005%提高了。目前，数字电压表的核心部件内是A/D转换器，其转换精度在很大程度上满足电压测量精度的要求，低功耗、设计精巧的

6、电压表将越来越受欢迎。因此，针对低功耗的设计，紧凑型数字电压表也是电压设计的重要研究方向。一、设计方案1.1 设计要求设计低功耗数字直流电压表5V直流电源电压测量分辨率 0.05V范围 012V功耗尽可能低1.2数字直流电压表的设计与分析设计保持全文格式一致，包括行距，调整行距数字电压表，方案多种多样。由于大规模集成电路数字芯片的快速发展，各种数字芯片种类繁多，导致模拟数据的获取不一致，进而使得数据处理和显示方式的多样性。并且因为在实际工作和生活中，电压表的测量范围范比较大，所以需要对输入电压进行分压，而且范各个数据处理芯片的处理电压范围不同。也不同。下面介绍数字电压表的三种设计方案保持全文格

7、式一致，包括行距，调整行距1.2.1 方案一：本设计由模拟电路和数字电路两部分组成。模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和参考电压源；数字部分包括计数器、解码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器是其核心器件，将输入的模拟量转换为数字量。模拟电路和数字电路相互连接。逻辑控制电路产生控制信号，按照规定的时序开启或关闭A/D转换器中的模拟开关，以保证A/D转换的正常进行。 A/D转换结果通过计数和译码电路转换成段码，最后驱动显示器显示相应的数值。这种方案设计的优点是设计成本低，可以满足总则电压测量。但设计不灵活，采用纯硬件电路。很难在原有基础上进行扩展。1.2.2 选项 2：本方案是利

8、用单片机系统、模数转换芯片、显示模块等组合而成的数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多应用电路。该方案的原理是模数（A/D）转换芯片的参考电压端和被测电压输入端分别输入参考电压和被测电压。模数（A/D）转换芯片将被测电压输入端采集的模拟电压信号转换成相应的数字信号，再通过单片机系统的软件编程，单片机系统可以按照规定的时间顺序采集这些数字信号。信号，并通过一定的算法计算出被测电压的值。最后，单片机系统将计算出的测量电压值按照一定的顺序致给显示电路模块进行显示。该方案既能继承原方案的各项优点，又能在原有基础上改善原设计方案的不灵活、设计难度和功能扩展等问题

9、。1.2.3 选项三：该解决方案使用 TI 的混合信号控制器 MSP420G2553 实现。 MSP420G2553 带有一个 10 位 AD。结合少量外围电路，可通过程序控制实现AD转换，采用OLED液晶显示模块显示电压值。 OLED显示模组具有体积小、功耗低的特点，既解决了数码管显示界面交互性差的问题，又解决了1602液晶显示器功耗大、体积大等缺点。结合以上方案的分析比较，本次设计选择了第三种设计方案。2、硬件电路设计2.1 主要设备介绍2.1.1 MSP430G2553德州Instruments (TI) 的 MSP430 系列超低功耗微控制器由多个器件组成，这些器件具有适用于各种应用的

10、不同外设集。该架构结合了 5 种中低功耗模式，并针对延长便携式测量应用中的电池寿命进行了优化，该器件具有强大的 16 位 RISC CPU、16 位寄存器和常数，有助于最大限度地提高编码效率生成器。数控振荡器 (DCO) 可以在不到 1 秒的时间内从低功耗模式唤醒到运行模式。 MSP430G2553 是一款超低功耗混合信号微控制器，具有内置16 位定时器、多达 24 个支持触摸感应的 I/O 引脚、具有内通信功能的通用模拟比较器。内此外，MSP430G2553 还具有一个 10 位模数 (A/D) 转换器。MSP430G2553主要特点- 低电源电压范范围：1.8V 至 3.6V- 超低功耗-

11、 工作模式：23 mA （在 1MH 频率和 2.2v 电压下）- 待机模式：0.5 mA- 关闭模式（RAM 保留）：0.1 mA- 5种节能模式在不到 1毫秒的时间内从待机模式超快速唤醒- 16 位精简指令集 (RISC) 架构，62.5ns 指令周期时间- 基本时钟模块配置- 具有四个校准频率和高达 16MHz 的部分内频率-内外部超低功率频率 (LF) 振荡器- 32KHz 水晶- 外部数字时钟源- 两个 16 位 Timer_A，每个具有三个捕捉/比较寄存器- 用于模拟信号比较功能或斜率模数 (A/D) 转换的片上比较器- 内10 位 200-ksps 模数 (A/D) 转换器，具有

12、部分参考、采样保持和自动扫描功能。2.1.2 OLED显示屏有机发光二极管显示器（Organic Light Emitting Diode Display，OLED）是一种使用有机薄膜作为发光器件的自发光显示器件。 OLED的特点：高亮度、高发光率、全固态元件、抗震性好、能适应恶劣环境、高对比度、超宽视角、低功耗。本设计使用的OLED模组规格：模组尺寸： 27mm (W)*29mm(L)分辨率12864 ；工作电压3.3V；工作温度：-30+70 ；模块输出方式为4线SPI总线；图1 OLED模组实物图模块实物图如图1所示；2.2 硬件电路原理分析2.2.1整体硬件示意图图2 硬件整体示意图如

13、图2所示，硬件部分包括四部分：电源电路、单片机最小系统电路、量程选择电路和与OLED显示屏的接口电路。2.2.2 电源电路设计分析图3 电源电路图如上图3所示，电源电路的电压有P2口输入。电路的供电和断电由拨动开关S3控制。 MSP430G2553单片机和OLE显示模块的工作电压为3.3V，因此采用1117A系列3.3V稳压芯片进行稳压输出。 1117A33稳压芯片的输入电压范围为4.75V 范15V ，输入调整率为0.2% ，负载调整率为0.4% ，最大输出电流为1A。它符合设计要求。 LED1为电源指示灯，通过指示灯的亮灭判断电源电路是否正常工作。2.2.3 单片机最小系统电路分析图4 微

14、控制器最小系统电路图如上图4所示，最小系统由MSP430G2553、复位电路、振荡电路组成。 MSP430G2553 是系统设计。仪表的核心装置。通过程序控制，由内置的10位AD转换电路完成电压采集。将获取的信息处理转换后，采用模拟SPI方式将电压信息致到OLED显示屏。微控制器的最小系统端口在下表 1 中定义。表1 MCU I/O管脚定义针号引脚名称接口说明评论1VCC电源正极3.3V2P10OLED SCLOLED串行通讯时钟4P11OLED SDAOLED串行数据5P12OLED RSTOLED复位6P13OLED直流11P14按钮16RST重置20接地电源地2.2.4 OLED显示接口

15、电路分析OLED显示模块接口与单片机的通信采用模拟SPI方式，减少了单片机I/O口的消耗，使电路更简单。图5 OLED显示模块界面2.2.5 量程选择电路分析电压范围由拨动开关SX选择，分为03V和012V。当检测电压大于 3.3V 时，拨动开关设置在 12V 范围内，以免烧坏单片机。从R4=30K，R5=10K，当开关拨到端子1时，单片机检测到的电压为输入电压的1/4，取采集到的电压数据x4即可得到实际电压值。当拨动开关拨到端子 3 时，单片机采集的电压即为实际输入电压。图6 量程选择电路图图7 主函数图7 主函数流程图系统初始化开启ADC转换开始3.1主要功能主函数流程图如图7所示。主函数

16、是调用系统初始化函数，循环ADC转换。这是因为 ADC10 采用单通道单转换模式。每次采样后，ADC 需要重新启动，然后才能进行下一次信号采样转换。另外，信号的采样处理和电压值的显示都是通过中断来完成的。3.2系统初始化函数系统初始化流程图如图 8 所示。该函数定义或初始化看门狗的工作模式和所需的 I/O 端口以使用 ADC10 和 OLED 显示。3.3 ADC初始化函数ADC初始化流程图如图9所示。该函数的任务是初始化和配置转换控制寄存器ADC10CTL0和ADC10CTL1。其中，ADC10CTL0需要配置ADC10的开关、采样周期、参考电压、ADC10中断使能；而ADC10CTL1只需

17、要选择外部采样通道和ADC的工作模式。3.4 OLED屏幕初始化OLED显示屏初始化如图10所示。完成OLED写入命令和OLED显示界面的初始化。结束 OLED初始化开始结束 OLED初始化开始 写指令图10 OLED初始化OLED显示初始化结束ADC初始化开始ADC10CTL0&=ENC图8 ADC初始化流程图ADC10CTL0|=ADC10ONADC10CTL0|=SREF_0ADC10CTL0|=ADC10IEADC10CTL1|=INCH_4+CONSEQ_0_EINT( )结束系统初始化开始设看门狗为定时器模式图9 系统初始化流程图使能看门狗中断设P1.0P1.1口为输出设P1.4作

18、A4通道选择电压量程ADC初始化液晶屏初始化3.5中断功能中断函数使用ADC中断函数和看门狗中断函数。 ADC中断函数流程图如图11所示。每4个ADC10CLKS周期产生一个中断。 ADC10 会自动将采集到的电压值保存在转换存储寄存器 ADC10MEM 中。通过固定的转换公式转换为测量电压值。看门狗中断函数的流程框如图 12 所示，每隔 1s 会产生一个中断来更新 LCD 屏幕上显示的电压值。结束结束ADC中断开始读取采样数据图11 ADC中断流程图处理数据结束结束看门狗中断开始OLED显示图12 看门狗中断流程图流程图数据测量4.1 电源稳压电路输出电压测试如表2所示，3.3V稳压芯片在输

19、入电压大于4.5V时可以稳定输出3.3V电压。为使电路正常工作，外围输入电压为 4.5V 至 12V。4.2 电压检测测试表 3 为电压检测测量的数据记录。从表中可以看出，电压从3V到12V时，分压/输入电压非常接近1/4，证明量程选择电路可以准确地对测量电压进行分压测试.从表中前几组数据可以看出，电压测量分辨率小于0.01V，满足设计要求，通过统计平均测量误差小于2%。表 2 稳压电路输出电压测试数据 表 3 电压检测数据记录输入 (V)输出 (V)3.342.293.892.984.093.094.453.214.533.305.523.308.503.3010.23.3O12.23.30

20、输入电压 (V)分压 (V)显示电压（V）0.01-0.0090.02-0.0250.53-0.5301.10-1.1061.58-1.5892.04-2.0493.040.763.0435.041.265.1308.002.008.0339.972.499.97312.103.0212.0985.经验经过数周的努力，课程设计终于完成！通过本课程的设计，巩固了自己在单片机应用方面的知识，动手能力也得到了提高。拿到题目后，我对题目的要求进行了认真深入的分析，结合设计要求和要实现的指标，设计了不同的电路原理图，综合了各个电路的优点，确定了正确的现在使用的电路原理。图片。之后，我在430 MCU开发

21、板上使用了MSP430G2353，学习了如何驱动OLED显示屏。在熟悉了 MSP430G2353 和 OLED 显示模块之后，我学会了如何使用 MCU 自带的 AD 来完成电压检测。电压的采集和显示是通过努力实现的。对开发板上的大部分功能进行仿真后，使用EDA工具DXP开始绘制电路板，顺利完成硬件组装和调试。最后结合硬件电路和程序对设计进行优化。通过本次课程设计，对430单片机的资源有了进一步的了解，内熟悉了使用IAR集成开发环境进行430单片机程序开发。谢单词这个设计从选题到完成需要数周时间。在此，首先向我的导师吴小谢年先生表示诚挚的祝福！在课程设计过程中，他给了我们很多帮助和关心。吴小念博

22、学多才、学术严谨、谦逊平易近人的个性对我影响深远。不仅让我学到了扎实的专业知识，也让我明白了很多与人相处、为人处事的原则。从开始到结束的整个过程，吴老师细心指导我们做课程设计。他积极的工作热情、认真负责、有条不紊、踏实求是的态度给我留下了深刻的印象，让我受益匪浅。也极大地激发了我对课程设计的热情。再次向吴小念先生致以崇高的敬意和衷心的祝福谢！同时，感谢谢教学实践部王金辉老师谢带领我到机电综合创新室学习。他为我们提供了各种电子设计工具，为我提供了良好的学习环境。课程设计很成功。我的同学们表示衷心的感谢。谢在撰写课程设计论文的过程中，与他们的讨论和交流让我受益匪浅。同时，他们也给了我很多无私的帮助

23、和支持，我再次深表感谢谢！谢谢每个人参考1李洪. MSP430微控制器原理及应用实例详解。航空航天大学, 20 10. 7 .2龚云新.单片机C语言开发技术。清华大学，2006.10 .3李方群，张石俊，黄健.单片机与接口技术。电子行业, 2010.84秦长。 MSP430单片机C语言应用程序设计实例。电子行业, 2006.5附录PCB图：程序：/* * */*数字直流电压表*/* * */#include “io430.h”#include “codetab.h”#include LQ12864.h#define XLevelL 0 x00#define XLevelH 0 x10#defi

24、ne XLevel (XLevelH&0 x0F)*16+XLevelL)#define Max_Column 128#define Max_Row 64#define亮度0 xCF#define X_WIDTH 128#define Y_WIDTH 64#define uint 无符号整数#define uchar 无符号字符#define BIT(x) (1(x)无效系统初始化（无效）；无效ADC_Init（无效）；无效延迟_nms（uint n）；长整数电压1，电压2； /全局变量Voltage1，Voltage2uint 电压范围；无符号字符 *table=0,1,2,3,4,5,6,

25、7,8,9;/*延迟功能* * */无效延迟（uint n）uchar我;而(n-)for(i=0;i0;i-);IFG1&=OFFG;而(IFG1&OFIFG)!=0);BCSCTL2 = 0X00；BCSCTL2 += SELM1；BCSCTL2 += SELS；WDTCTL = WDT_ADLY_250； /看门狗工作在定时器模式，每1s中断一次IE1 |= WDTIE; /启用看门狗中断P1DIR |= BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3； /对应的位端口设置为输出P1SEL |= BIT4; /P1.4为A4通道延迟（40）；LCD_Init(); /oled初始化A

26、DC_Init(); /ADC初始化；/* * *功能函数：ADC初始化入口参数：无导出参数：无功能说明：无* * */无效 ADC_Init (无效)ADC10CTL0 &= ENC; /复位转换使能位ADC10CTL0 |= ADC10ON + ADC10SHT_0 + SREF_0 + ADC10IE ;/设置转换控制寄存器ADC10CTL0，ADC10ON=0 x010，使ADC10内内核工作/ADC10SHT_0=0*0 x800u，确定采样周期为4xADC10CLKs/SREF_0=0*0 x2000u，选择参考电压为VR+=AVCC，VR-=AVSS/ADC10IE=0 x00

27、导致对应通道转换后产生中断ADC10CTL1 |= INCH_4 + CONSEQ_0;/设置AD转换控制寄存器ADC10CTL1，INCH_0=0*0 x1000u，选择通道A4/CONSEQ_1=1*2u，设置工作模式为单通道，单转换模式ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC;/设置转换控制寄存器ADC12CTL0，ENC=0 x002使转换使能位1/ADC12SC=0 x001 使采样/转换控制位为1_EINT(); /总中断使能/*ADC中断函数* * */#pragma 向量 = ADC10_VECTOR_interrupt void ADC10_Interrupt(void)单位数据；数据 = ADC10MEM； /将AD采样值存入数据电压1 = (uint)(33.3*data/10.23); /V(actual)=(VR+ - VR-)*data/1023 + VR- 电压为实际电压值的1000倍电压2 = (uint)(33.3*data/10.23*4.0);P1OUT |= BIT5;延迟（400）；P1OUT &= BIT5;/*WDT中断函数* * */#