2017毕业论文-基于MSP430单片机的称重系统设计.doc

目 录 摘要摘要I ABSTRACT.II 1 引言引言 .1 1.1 课题研究背景及意义1 1.2 研究现状1 1.3 论文主要内容和预期目标2 1.4 论文组织结构2 2 称重系统总体方案设计称重系统总体方案设计 .4 2.1 称重系统基本工作原理4 2.2 称重系统模块方案设计4 2.2.1 主控制器模块方案设计 4 2.2.2 数据采集模块方案设计 4 2.2.3 数据显示模块方案设计 5 2.2.4 电源管理模块方案设计 6 2.3 设计方案总结6 3 称重系统硬件设计称重系统硬件设计 .7 3.1 MSP430 单片机最小系统设计.7 3.1.1 MSP430 单片机介绍 .7 3.1.2 MSP430 单片机接口电路设计 .8 3.2 电源管理模块设计11 3.2.1 5V 转换电路.11 3.2.2 3.3V 转换电路12 3.3 信号采集模块电路设计12 3.3.1 工作原理 12 3.3.2 信号检测电路设计 14 3.4 信号调理电路设计15 3.4.1 AD620 工作原理15 3.4.2 信号放大电路 16 3.5 AD 转换电路设计.16 3.5.1 SD16 概览 16 3.5.2 转换接口电路设计 17 3.6 显示电路设计17 3.7 硬件电路设计小结19 4 称重系统软件设计称重系统软件设计 .20 4.1 主程序设计20 4.2 初始化程序模块21 4.3 AD 采集与数据处理程序模块.22 4.4 LCD 显示程序模块.23 4.5 软件设计小结24 5 调试与总结调试与总结 .25 5.1 调试中遇到问题及解决方案25 5.2 结论25 致谢致谢 .26 参考文献参考文献 .27 附录附录 .28 附录附录 II .29 I 摘要摘要 电子秤是日常生活中常用的电子衡器，智能电子秤测量准确、快速，易于 实时测量和监控，成为测量领域的主流产品。 本设计是基于 MSP430 单片机的称重系统，可实现 0500g 重物的精确测量。 系统硬件电路包括 MSP430 单片机最小系统、传感器电路、信号调理电路、AD 采集电路、LCD 显示电路、电源管理电路等几部分组成。系统使用桥式应变片 传感器测量重物并输出电压信号，经过信号调理电路放大滤波后，经模数转换 将信息传至单片机处理，同时将重量实时显示。系统软件包括 AD 采样，滤波 和显示程序。文章还详细阐述了本次设计的调试过程以及在调试过程中遇到的 问题及解决方法。本设计完成称重系统的各项功能，经调试，效果良好，具有 一定的实用价值。 关键词：MSP430；称重传感器；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 的称重系统 1 1 引言 1.1 课题研究背景及意义 随着时代科技的迅速发展和计算机等现代电子技术的提高，给传统的电 子测量技术带来了巨大的冲击和影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更 先进的仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化 水平等方面发生了巨大变化，并相应的的出现了各种各样的智能仪器控制系 统，使得科学实验和应用工程的自动化程度显著提高。 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡 器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向于速 率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息 和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。 电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛的应用于超市，物流配送中 心，大中型商场。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的机械式 称量工具。相比传统机械式称量工具，电子秤具有装机体积小，称量精度高， 应用范围广，易于操作和使用等优点，在工作原理，外形布局，结构和材料 上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集被测物体 的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号 处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经 AD 转换电路转换 为数字量并送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制显示外设，显示 出称量数值。 作为重量测量的仪器，智能电子秤在各行各业开始呈现其测量准确，测 量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统的机械杠 杆测量秤，成为测量领域的主流产品。 1.2 研究现状 20 世纪前期，我国的衡器制造业主要以杠杆原理的机械式为主，20 世纪 后期，我国的衡器不断发展，由过去的全机械式进入机电结合式，在几十年 的发展和完善中，发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的检 测试验手段和技术装备基本达到国际 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。电子秤重技术从静态称重技术向动态称重技术发展； 计量方法从模拟量向数字量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展， 特别是对动态称重和快速称重的研究与应用。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还有较大差距。其主要差距是技术与工艺不 基于 MSP430 的称重系统 2 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。 众所周知，传统的量具是杆秤或盘秤，20 世纪 70 年代开始出现电子秤。 早期的电子秤多数通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展数字芯片 价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子秤的设计也大都以 微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显提高。由于小型商用电子秤运 算不太复杂，所以用 8 位微处理器即可满足要求。 电子秤重系统必须将多只传感器的输出进行计算，才能得到完整准确的 称重结果。从 20 世纪 70 年代的模拟串联计算到 80 年代的模拟并联计算，计 算技术的发展大幅度即降低了电子秤的成本，又提高了可靠性和稳定性。但 是，模拟并联计算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、电子秤四角 偏差调试复杂无法对单个传感器进行检测等。目前，解决上述问题的最好方 法是采用数字计算或数模混合计算。由于信号放大器成本的不断下降及 AD 转换器性能的大幅度提高，数字计算无论在技术上还是在经济上都进入了实 用阶段。 电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势，引起了对低成本、高性 能模拟信号处理器件需求的增加。目前大多数电子秤是以 1:3,000 或 1:10,000 的分辨率输出最终称重值的，这样的系统一般使用 12 bit 至 14 bit 的 AD 模数 转换器就很容易满足要求。然而，高精密检测的电子秤如果要达到要求，那 么 ADC 的精度需要接近于 20 bit。 1.3 论文主要内容和预期目标 学习 MSP430 系列 MSP430XF425 单片机的使用，结合 IAR 编译器进行 软件设计，设计一种称重系统用于测量量程在 0500g 物体的质量。利用传感 器测量桥式电路的压差，采用差分放大电路放大压差信号，使其达到可使单 片机识别的电压，通过单片机的处理并显示出来。 预期目标：正确的设计称重系统方案，编写程序实现要求的控制算法。 设计完成一种具有响应快、精确度高、稳定性好的称重系统。 1.4 论文组织结构 具体章节安排如下： 第 1 章介绍了本课题的研究背景、研究意义与研究现状，本论文的主要 研究内容、所要解决的问题及最终所要实现的目标。 第 2 章概述了本课题部分知识的理论基础，对桥式传感器、模拟放大电 基于 MSP430 的称重系统 3 路、液晶显示进行了介绍。重点学习了桥式传感器与模拟放大电路相结合的 实现方法。通过对系统分析，选择系统的总体设计方案和各模块的设计方案。 第 3 章介绍了称重系统模块的硬件设计，并对设计出的系统硬件电路进 行了说明。 第 4 章介绍了称重系统模块的软件设计，对程序流程设计进行了说明， 并详细介绍了系统的软件设计。 第 5 章对完成称重系统的制作，对系统进行调试并总结。 基于 MSP430 的称重系统 4 2 称重系统总体方案设计 2.1 称重系统基本工作原理 称重系统的主要工作原理是：将应变片粘至金属力臂上侧，力臂上放置 秤盘，重物放入秤盘时产生压力，使应变片发生形变从而产生电信号，信号 经放大调理后传至微控制器处理显示。称重系统主要包括：桥式应变传感器、 放大电路、AD 转换电路、单片机最小系统电路、显示电路和电源管理电路等 部分，图 2.1 为系统设计总体方案框图。 微 处 理 器 压力传感器 电源管理系统 信号调理电路AD LCD显示 图图 2.1 系统设计总体方案框图系统设计总体方案框图 2.2 称重系统模块方案设计 整个硬件系统由五大模块组成，下面以控制系统结构为依据就针对各模 块做具体的方案设计。 2.2.1 主控制器模块方案设计 方案一：选用 51 系列单片机作为称重系统的主控制芯片，51 系列单片机 是 8 位微处理器，使用简单，价格低，但是本称重系统需要涉及到高速 AD 的数据处理，51 系列单片机运算速度达不到系统的设计要求，所以不采用本 方案。 方案二：根据称重系统系统设计要求与主控制系统能完成的功能，选用 MSP430F425 单片机。MSP430F425 单片机是一款 16 位单片机，运算速度快， 精度高，而且以 MSP430F425 单片机为主控制器的设计，可以更加容易使计 算控制技术和测量技术结合在一起。故采用此方案。 基于 MSP430 的称重系统 5 2.2.2 数据采集模块方案设计 数据采集模块分为 3 个部分：称重传感器、电压放大器和 AD 转换器。 （1）称重传感器 称重传感器由以下方案可以选择： 方案一：采用四片贴片电阻，自行搭建桥式电路。优点是成本低，但是 由于贴片需要的精度不能保证，那么传感器的测量精度和稳定性也不能保证。 故此方案不宜采用。 方案二：选用平行式测重传感器 LAA-H1，为全桥式电路形式。通过输出 称量重物时产生的压差信号测量重物的大小。特点是精度高、回零快、滞后 小。适合小量贵重物品的测量和要求精度高的称量工具的制造。以上特点适 用于本设计，故采用此方案。 （2）电压放大器 电压放大器的设计有以下几种方案可以采用： 方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。但是普通低温漂 运算放大器所构成多级放大器会引入大量噪声。而 AD 转换器需要很高的精 度，几毫伏大小的干扰信号就会直接影响到最后的测量精度。所以，此方案 不宜采用。 方案二：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有 增益高，高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放做成一个差动放大 器。 实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度会有较大影响。 方案三：采用专用的仪表放大器。此类芯片内部采用经典的三运放改进 设计。差模输入阻抗大，共模抑制比高，增益高，精度也非常好，外部接口 简单，且放大器的增益通过改变一个外接电阻的阻值是可以改变的。基于以 上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 AD620 作为 称重系统的电压放大器。 （3）AD 转换器 按设计要求：电子秤最大称重为 500g，重量误差不能大于 1%0，精度要 求为 0.1g。同样也有以下几种方案采用： 方案一：采用 8 位逐次逼近式 AD 转换器 ADC0809，在单片机外接 AD 转换器完成，模数转换的功能，但是由于称重系统的精度要求精度较高， ADC0809 不能达到设计功能的要求，故不采用。 方案二：选用 MSP430 单片机内部的 AD 模数转换器，转换器为 16 位高 速模数转换器，完全可以满足精度要求，而且 SD16 是单片机内部器件，稳定 基于 MSP430 的称重系统 6 性好，故采用此方案。 2.2.3 数据显示模块方案设计 本设计只需要显示出所称实物的实际重量，如果采用 LCD1602 显示，成 本较高，虽然可以显示更多信息，但是称重系统对此要求不高，所以不采用。 而 LCD048 具有耗电省、成本低、亮度高、驱动简单、使用寿命长等优点， 且在 MSP430F425 单片机中带有 LCD048 的硬件驱动，更易于使用单片机对 其进行变成控制，所以选用 LCD048 显示。 2.2.4 电源管理模块方案设计 称重系统的供电系统需要多种电压，多种电压的需求就要求更加合理的 电源系统设计。这里把电源设计成用 220V 的交流电经过变压器后输出的12 电压供驱动压力传感器使用，经整流滤波电路后， 通过电压转换芯片 LM7805 转换为5V 电压供液晶 LCD 使用，再通过电压转换芯片 LM1117 转 换得到3.3V 电压，供 MSP430F425 单片机系统的其他芯片使用。多种电压 的需求就要求更加合理的，电源系统设计。 2.3 设计方案总结 综上所述，称重系统以 MSP430F425 单片机作为控制器，压力检测传感 器采用平行式称重传感器 LAA-H1，信号放大采用精密仪表放大芯片 AD620，采用低功耗 LCD048 显示屏。称重系统的设计量程为 500g，分辨率 为 0.1g，可以实现精准测量。 基于 MSP430 的称重系统 7 3 称重系统硬件设计 3.1 MSP430 单片机最小系统设计 3.1.1 MSP430 单片机介绍 MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以 下的特点： （1）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；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns。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 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加） 相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等） 。MSP430 系列单片机 的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备 用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6s。 （3）功耗低 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及 灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 （4）系统稳定 上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始 执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄 存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障，DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞， 可用看门狗将其复位。 （5）偏上外围模块丰富 MSP430 系列单片机的各成员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 A（Timer_A） 、定时器 B（Timer_B） 、 串口 0、1（USART0、1） 、硬件乘法器、液晶驱动器、10 位/12 位 ADC、I 2 基于 MSP430 的称重系统 8 C 总线直接数据存取（DMA） 、端口 O（P0） 、端口 16（P1P6） 、基本定时 器（Basic Timer）等的一些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 AD 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，最多达 6*8 条 I/O 口线；P0、P1、P2 端口能够接收外 部上升沿或下降沿的中断输入；12/14 位硬件 AD 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 I 2 C 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，而采用直接数据传输（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。 （6）开发环境方便高效 目前 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 功之后在烧写或掩膜芯片；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。 3.1.2 MSP430 单片机接口电路设计 MSP430 单片机最小系统电路包括：晶振电路，复位电路，JTAG 仿真、 调试接口电路。 a晶振电路 每个单片机系统里都有晶振，全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶 振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率， 单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率 越高，那单片机的运行速度也就越快。 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提 供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可 基于 MSP430 的称重系统 9 R 7 4.7K V cc S2 SW -SPST R ES ET 达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围 内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时 钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统 的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶振电路如图 3.1 所示。 图图 3.1 晶振电路晶振电路 b复位电路 为确保微机系统中 电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分， 复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V5%，即 4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时 钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以及晶 体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。 本设计采用手动按钮复位，当人为在复位输入端 RST 上加入高电平。一 般采用的办法是在 RST 端和正电源 Vcc 之间接一个按钮。当人为按下按钮时， 则 Vcc 的+5V 电平就会直接加到 RST 端。由于人的动作再快也会使按钮保持 接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。单片机在启动时都 需要复位，以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。 MSP430 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的触发器中。当 系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平 并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。 单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。如图 3.2 所示为复位电 X T C 1 30pF C 2 30pF X IN X OU T 基于 MSP430 的称重系统 10 路图。 图图 3.2 复位电路复位电路 cJTAG 仿真、调试接口电路 JTAG 也是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1 兼容） ，主要用于芯片内 部测试。现在多数的高级器件都支持 JTAG 协议,如 DSP、FPGA 器件等。标 准的 JTAG 接口是 4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、 数据输入和数据输出线。相关 JTAG 引脚的定义为：TCK 为测试时钟输入； TDI 为测试数据输入，数据通过 TDI 引脚输入 JTAG 接口；TDO 为测试数据 输出，数据通过 TDO 引脚从 JTAG 接口输出；TMS 为测试模式选择，TMS 用来设置 JTAG 接口处于某种特定的测试模式；TRST 为测试复位，输入引脚， 低电平有效。 TI 还定义了一种叫 SBW-JTAG 的接口，用来在引脚较少的芯片上通过最 少的利用引脚实现 JTAG 接口，它只有两条线，SBWTCK，SBWTDIO。实际 使用时一般通过四条线连接，VCC，SBWTCK，SBTDIO，GND，这样就可 以很方便的实现连接，又不会占用大量引脚。 JTAG 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装 到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用 JTAG 编程, 从而大大加快工程进度。JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程。 在硬件结构上，JTAG 接口包括两部分：JTAG 端口和控制器。与 JTAG 接口兼容的器件可以是微处理器（MPU） 、微控制器（MCU） 、 PLD、CPL、FPGA、ASIC 或其它符合 IEEE1149.1 规范的芯片。IEEE1149.1 标准中规定对应于数字集成电路芯片的每个引脚都设有一个移位寄存单元， 称为边界扫描单元 BSC。它将 JTAG 电路与内核逻辑电路联系起来，同时隔 离内核逻辑电路和芯片引脚。由集成电路的所有边界扫描单元构成边界扫描 寄存器 BSR。边界扫描寄存器电路仅在进行 JTAG 测试时有效，在集成电路 正常工作时无效，不影响集成电路的功能。如图 3.3 为 JTAG 接口电路图。 基于 MSP430 的称重系统 11 图图 3.3 JTAG 接口电路图接口电路图 如图 3.4 所示为 MSP430 单片机最小系统原理图。 图图 3.4 MSP430 单片机最小系统原理图单片机最小系统原理图 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 的称重系统 12 3.2 电源管理模块设计 3.2.1 5V 转换电路 传感器需要 12V 电压供电，而 LCD 显示模块需要 5V 供电，这就需要将 12V 电压转换为 5V 电压。如图 3.5 所示为 12V 转 5V 转换电路。 图图 3.5 12V 转转 5V 转换电路转换电路 3.2.2 3.3V 转换电路 由于 MSP430 单片机使用 3.3V 电源供电，所以要将经过 LM7805 转换得 到的 5V 电压，再经 LM1117 将电压转换为 3.3V。如图 3.6 所示为 5V 转 3.3V 转换电路图。 图图 3.6 5V 转转 3.3V 转换电路图转换电路图 1 2 3 LM1117 R3 104 R4 104 + C3 0.1uF +C4 0.1uF 3.3V5V 基于 MSP430 的称重系统 13 3.3 信号采集模块电路设计 3.3.1 工作原理 电阻应变式称重传感器是基于如下原理：弹性体（弹性元件，敏感梁） 在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也 随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小）， 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。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电 路是电阻应变式称重系统的主要部分。 a电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上， 即成为一片应变片。 电阻应变片的重要参数是灵敏系数 K。 设有一个金属电阻丝，其长度为 L，横截面是半径为 r 的圆形，其面积记 作 S，其电阻率记作 ，这种材料的泊松系数是 。当这根电阻丝未受外力作 用时，它的电阻值为 R： R = L/S（） （3-1） 当他的两端受 F 力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长 L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少 r。此外，还可用实验证明， 此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作 。 对式（3-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们 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，我们知道导线的横截面积 S = r2，则 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （3-4） 从材料力学我们知道 r/r = -L/L （3-5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 是表示材料横向效应泊松 系数。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 的称重系统 14 = K *L/L （3-6） 其中： K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （3-7） 式（3-6）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸 长率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质 决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K 值一 般在 1.73.6 之间；其次 K 值是一个无因次量，即它没有量纲。在材料力学 中 L/L 称作为应变，记作 ，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。常 常把它的百万分之一作为单位，记作 。这样，式（3-6）常写作： R/R = K (3-8) 基于 MSP430 的称重系统 15 b称重传感器工作原理 LAA-H1 称重传感器的弹性体为例，介绍以下其中的应力分布。弹性体 是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所 受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高 品质的应变场（区） ，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信 号的转换任务。设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪 应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一 为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应 变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式， 而不再推导。 =（3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3） （3- 9） 其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：泊松系数；B、b、H、h为 梁的几何尺寸。需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而 应变片实际感受的是“平均”状态。图 3.7 所示为电阻式应变片实物图。 图图 3.7 电阻式应变片实物图电阻式应变片实物图 3.3.2 信号检测电路设计 信号检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为 惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干 扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重 R 1 3K R 2 3K R 4 3K R 3 3K +12V -12V O UT -O UT + 基于 MSP430 的称重系统 16 传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数 一致，各个电阻相对称，故各种干扰的影响容易相互抵销减弱，所以称重传 感器均采用全桥式等臂电桥。 如图 3.8 为电阻式应变片内部结构图。 图图 3.8 电阻式应变片内部结构图电阻式应变片内部结构图 3.4 信号调理电路设计 3.4.1 AD620 工作原理 AD620 是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调 整片内电阻的绝对值，用户只需要一个电阻便可实现对增益的精确编程 （G=100 时精度可达 0.15%） 。单芯片结果和激光晶圆调整允许对电路元件进 行严格匹配与跟踪，从而可确保此电路本身具有的高性能特性。如图 3.9 为 AD620 原理图。 图图 3.9 AD620 原理图原理图 输入晶体管 Q1 和 Q2 提供一路高精度差分对双极性输入，同时由于采用 SuperBeta 处理，因此输入偏置电流减小 10 倍。反馈环路 Q1-A1-R1 和 Q2- A2-R2 使输入器件 Q1 和 Q2 的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用 于外部增益设置电阻上。这样就产生了从输入至 A1/A2 输出的差分增益， GR 器计算公式如（3-10）。单位增益减法器 A3 用来消除任何共模信号，以获得折 合到 REF 引脚电位的单端输出。R 值还可决定前置放大器级的跨导。当减小 R 以获得更大增益时，该跨导将渐进增大到输入晶体管的跨导。这会带来三 基于 MSP430 的称重系统 17 49.4 1 G K G R 大好处： （1）开环增益提升以提供更大的编程增益，从而减小与增益相关的误差； （2）增益带宽积（由 C1、C2 和前置放大器跨导决定）随着编程增益提 高而强大，从而优化频率响应； （3）输入电压噪声降至 9Nv/Hz，它主要由输入器件的集电极电流和基 极电阻决定。 内部增益电阻 R1 和 R2 已调整至绝对值 24.7K，因此利用一个外部电 阻便可实现对增益的精确编程，增益公式为。 （3-10） （3-11） 3.4.2 信号放大电路 AD620 可以提供低功耗、低成本和高精度的信号放大电路。在称重系统 中，绝对精度和漂移误差是最重要的误差来源。在含有智能处理器的教复杂 系统中，自动增益/自动归零周期将消除所有的绝对精度和漂移误差，仅留下 增益、非线性度和噪声的分辨率误差，因此完全可以获得高精度。如图 3.10 为 AD620 信号放大电路图。 图图 3.10 AD620 信号放大电路图信号放大电路图 电压放大电路中 AD705 起着电压跟随器的作用，电压跟随器起缓冲、隔 离、提高带载能力的作用。共集电路的输入 高阻抗，输出低阻抗的特性， 使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，使得放大电路更好的工作。 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 的称重系统 18 3.5 AD 转换电路设计 3.5.1 SD16 概览 在 MSP430F425 单片机中，集成了 3 个独立的 16 位 ADC，并且包含基 准源、可编程序增益放大器，适合各种高精度测量应用。目前 16 位及以上的 高分辨率 ADC 普遍采用了 - 调制技术，因此，此类 ADC 也被称为 - 型 ADC。MSP430 的 AD 转换器采用 - 原理，- 的分辨率通常较高，- 架 构的数字化程度达 90%。每个 ADC 都有独立的空盒子寄存器组，并有 8 个差 分输入通道，通道 05 可以测量输入电压，通道 7 短路，通道 6 接到内部温 度传感器。对于 MSP430F425 单片机，实际上只有每个 ADC 的通道 0 对外引 出。如图 3.11 为 SD16 主控制器，图 3.12 为 SD16 通道结构图。 图图 3.11 SD16 主控制器主控制器 图图 3.12 SD16 通道结构图通道结构图 基于 MSP430 的称重系统 19 3.5.2 转换接口电路设计 如图 3.13 为 AD 转换接口电路。 图图 3.13 AD 转换接口电路转换接口电路 3.6 显示电路设计 MSP430 器件上的液晶显示器的控制/驱动将简化液晶显示器的显示。不同 型号的液晶驱动能力不同，我们采用 MSP430 的 F42X 系列，有 128 段驱动 能力。本设计采用 LCD048 显示数据。如图 3.14 LCD048 电路图。 图图 3.14 LCD048 电路图电路图 液晶的驱动有 4 种方法：静态，2MUX 或 1/2 占空比，3MUX 或 1/3 占空 比， 4MUX 或 1/4 占空比。对于不同系列、不同型号的液晶驱动原理，控制 方法都是一样的，不同点在于驱动液晶段数不一样，或可显示信息的多少不 一样。我们采用 4MUX，这种方式也最简单。 其中需要注意以下两点： （1）液晶的偏压。由于液晶驱动使用交流电压，所以必须根据液晶的工 作模 MSP430 进行偏压设置，具体的操作是:STATIC 模式下，R33 开路， R03-R23 接地，2MUX 模式下，分别在 R33、R13 以及 R13、R03 之间接上 10K 的电阻；3/4MUX 模式下，分别在 R33、R23 之间，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 的称重系统 20 R13、R03 之间接上 10K 的电阻，这样就能保证 COM0-COM3 出来供给液晶 块的电压符合要求。 （2）频率的设置。MSP430 有三种时钟 ACLK（辅助时钟） 、MCLK（主 时钟） 、SMCLK（子时钟） ，其中液晶的驱动频率 FCLK 来自 ACLK。在 XTIN 和 XTOUT 之间接上振荡频率为 32KHz 的晶振，Fclk 可以根据需要选 为 1024Hz、512Hz、256Hz、128Hz 等。由 FRFQ0 和 FRFQ1 的设置可以满足 不同液晶对频率的要求，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。可选择的 F(LCD)为 1024Hz、512Hz、256Hz、128Hz，所以 F(LCD)=32K/128=256Hz，所以 FRFQ0=1、FRFQ1=0。 在以上两点做好的基础上，我们只要把要输出的数字所对应的代码输出 到 MSP430 的显存就可以显示。实验中如液晶抖动，可适当提高液晶的驱动 频率。如液晶亮度不够，应适当调整偏压电阻的大小。 在驱动电路中，液晶可以等效为电容。两个电极分别为公共极与段极。 公共极由 COMn 信号驱动，段极由 SEGn 信号驱动。由此可以得到 4 种驱动 方法。 （1）静态驱动：使用一个引脚作为液晶公共端 COM0，而每一段段极需 要另一个引脚驱动。 （2）2MUX 驱动：使用两个引脚作为液晶公共端 COM0、COM1 每两段 段极需要另一引脚驱动。 （3）3MUX 驱动：使用三个引脚作为液晶公共端 COM0、COM1、COM2，每 3 段段极需要另一引脚驱动。 （4）4MUX 驱动：使用 4 个引脚作为液晶公共端 COM0、COM1、COM2，每 4 段段极需要另一引脚驱动。 3.7 硬件电路设计小结 本章介绍的是称重系统的硬件电路，分别完成 MSP430 最小系统设计、 电源管理模块设计、信号采集模块电路设计、信号调理电路设计、AD 转换电 路设计和显示电路设计。硬件电路是本设计的基础，各个模块的电路为称重 系统各个功能的完成提供了基础。 基于 MSP430 的称重系统 21 4 称重系统软件设计 模块化思想：初始化程序模块、AD 采集与数据处理程序模块、显示程序 模块。 4.1 主程序设计 根据称重系统的性能指标要求，程序设计需要完成以下模块设计，AD 模 块，数据处理模块、LCD 模块。由于系统需要实时显示被测量的重量，所以 在显示完经测量处理的数据信息后，程序将自动跳回 AD 采样环节继续重复 执行。如图 4.1 为主程序流程图。 基于 MSP430 的称重系统 22 AD采样 显示数据 初始化 采样数据处理 结束 开始 图图 4.1 主程序流程图主程序流程图 4.2 初始化程序模块 如图 4.2 为初始化程序流程图。 基于 MSP430 的称重系统 23 关闭看门狗 结束 初始化AD 初始化LCD 开始 图图 4.2 初始化程序流程图初始化程序流程图 初始化程序代码： void ini_main() int i; char j; WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 关闭看门狗 FLL_CTL0 |= XCAP18PF; / 设置晶振负载电容 18pF for (i = 0; i DOT;i-) /消隐无效“0“ 基于 MSP430 的称重系统 26 if (DispBuffi=0) DispBuffi=SP; else break; PolarLocate=i+1; / 负号显示在第一个有效数字左边 if(DOT3) DOT=255; / 无效的小数点不显示 if(DOTDOT;i-) /消隐无效“0“ if (DispBuffi=0) DispBuffi=SP; else break; PolarLocate=i+1; / 负号显示在第一个有效数字左边 if(DOT3) DOT=255; / 无效的小数点不显示 if(DOT=4) Timer4=0; Analog_On; /P2.2 置高(如果有必要) SD16CTL |= (SD16REFON+SD16VMIDON); /开启内部基准源，开启输出缓冲 器 for (n = 0; n 500; n+); /略延迟，让基准电压稳定 ADC_Sample3(); /同时采样 3 路 Analog_Off; /采样完毕关闭外部模拟电路电源 SD16CTL /关闭内部基准源，关闭输出缓冲器 LCD_DisplayDecimal(ADC_Result0,1); /显示 ADC0 采样值