基于MSP單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)V

1、 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)課程設(shè)計(jì) 報(bào)告 題 目： 基于430單片機(jī)的數(shù)字電壓表 的設(shè)計(jì)（交直流電壓0300V） 班 級(jí): XXXXXX班 姓 名: XXX 學(xué) 號(hào): XXXXXX 起始時(shí)間: 2014年3月6日至3月20日 一、對(duì)題目的認(rèn)識(shí)和理解在電量的測(cè)量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個(gè)被測(cè)量，其中電壓量的測(cè)量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測(cè)量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表簡(jiǎn)稱DVM，它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、測(cè)量速度快等特而得到廣泛應(yīng)

2、用。 傳統(tǒng)的指針式刻度電壓表功能單一，進(jìn)度低，容易引起視差和視覺疲勞，因而不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需要。采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，從而精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC實(shí)時(shí)通信。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心，可以擴(kuò)展成各種通用數(shù)字儀表、專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表。目前，由各種單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表作全面深入的了解是很有必要的。 最近的幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路和微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路和數(shù)字化測(cè)量技術(shù)也有了巨大的進(jìn)步，從而促使了數(shù)字電壓表的快速發(fā)展，并

3、不斷出現(xiàn)新的類型。數(shù)字電壓表從1952年問世以來，經(jīng)歷了不斷改進(jìn)的過程，從最早采用繼電器、電子管和形式發(fā)展到了現(xiàn)在的全固態(tài)化、集成化，另一方面，精度也從0.01%-0.005%。目前，數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上都滿足了電壓測(cè)量精度的要求，而一款功耗低設(shè)計(jì)精巧的電壓表將越來越收人們的青睞，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)低功耗，設(shè)計(jì)精巧的數(shù)字式電壓表也是電壓設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究方向。二、方案論證與比較數(shù)字電壓表有多種的設(shè)計(jì)方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導(dǎo)致對(duì)模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進(jìn)而又使對(duì)數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。

4、又由于在現(xiàn)實(shí)的工作生活中，電壓表的測(cè)量測(cè)程范圍是比較大的，所以必須要對(duì)輸入電壓作分壓處理，而各個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹三種數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)方案。方案一： 這種設(shè)計(jì)方案是由模擬電路與數(shù)字電路兩大部分組成，模擬部分包括輸入放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)器、譯碼器、邏輯控制器、振蕩器和顯示器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器是它的核心器件，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬電路和數(shù)字電路是相互聯(lián)系的，由邏輯控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)，按規(guī)定的時(shí)序?qū)/D轉(zhuǎn)換器中個(gè)組模擬開關(guān)接通或斷開，保證A/D轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過計(jì)數(shù)譯碼電路變換成段碼，最后驅(qū)動(dòng)

5、顯示器顯示出相應(yīng)的數(shù)值。此方案設(shè)計(jì)其優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)計(jì)成本低，能夠滿足一般的電壓測(cè)量。但設(shè)計(jì)不靈活，都是采用純硬件電路。很難將其在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。方案二： 這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來。此方案的原理是模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測(cè)量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測(cè)電壓。模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換芯片將被測(cè)量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來采集這些數(shù)字信號(hào)，通過一定的算法計(jì)算出被測(cè)量電壓的

6、值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好了的被測(cè)電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。此方案不僅 能夠繼承上一種方案的各種優(yōu)點(diǎn)，還能改進(jìn)上一種設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)不靈活，難與在原基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展等不足。方案三：基于MSP430G2553單片機(jī)為主控芯片，12位A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)內(nèi)部集成。通過程序來控制模擬開關(guān)選擇適當(dāng)?shù)碾妷喝与娐?，將輸入的電壓取樣，取到的電壓通過430單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后再經(jīng)過單片機(jī)程序的處理計(jì)算最終通過低功耗高亮度數(shù)碼管來將電壓值顯示出來。方案用模擬開關(guān)替代繼電器減少了硬件的負(fù)擔(dān)和準(zhǔn)確快速性，通過程序來控制和計(jì)算電壓值并顯示可以達(dá)到穩(wěn)定和可操作性強(qiáng)

7、的目的，所以最終選擇方案三。輸入電路有效值轉(zhuǎn)換MSP430G2553單片機(jī)控制電路（包含A/D轉(zhuǎn)換）LED顯示模擬電壓信號(hào)經(jīng)過檔位切換到不同的分壓電路衰減后，經(jīng)隔離干擾通過轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，若測(cè)量直流電壓直接送到單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，若測(cè)量交流電壓有效值經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器后送單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送到LED 中顯示。結(jié)合以上幾種方案分析與比較，本設(shè)計(jì)選用第三種設(shè)計(jì)方案。 三、單元電路（含傳感器選型和電路）的設(shè)計(jì)與說明1、單片機(jī)最小系統(tǒng)如上圖所示，最小系統(tǒng)由 MSP430G2553，復(fù)位電路，震蕩電路組成。MSP430G2553是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。通過程序控制，由自

8、帶的10位AD轉(zhuǎn)換電路完成電壓的采集，對(duì)采集信息處理?yè)Q算后，采用模擬SPI模式把電壓發(fā)信息至LED顯示。單片機(jī)最小系統(tǒng)端端口定義如下表。 引腳號(hào)引腳名接口說明備注1VCC電源正端3.3V2P10 OLED SCLOLED 串行通信時(shí)鐘4P11OLED SDA OLED 串行數(shù)據(jù)5P12OLED RSTOLED 復(fù)位6P13 OLED DC11P14 按鍵16RST 復(fù)位20GND 電源地2、輸入電路部分輸入電路部分的作用是把不同量程的被測(cè)的電壓規(guī)范到測(cè)量所要求的電壓值0-±0.2V。9M、900K、90K、和10K 電阻構(gòu)成1/10、1/100、1/1000 的衰減器。輸入衰減電路可

9、由開關(guān)來選擇不同的衰減率，從而切換檔位。在輸入電路中當(dāng)信號(hào)衰減后還應(yīng)該通過直流、交流檔位控制開關(guān)，控制被測(cè)信號(hào)接入相應(yīng)測(cè)量通道。交流信號(hào)經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換電路送入A/D 轉(zhuǎn)換電路，直流信號(hào)直接送入A/D 轉(zhuǎn)換電路。3、真有效值轉(zhuǎn)換電路真有效值轉(zhuǎn)換器AD736,AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC 轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測(cè)量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達(dá)0460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200A.用它來測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%。4、模擬開關(guān)自動(dòng)切換參考電壓電路 程序

10、中通過判斷不同的電壓量程來決定模擬開關(guān)CD4052的通道和選通位置，然后自動(dòng)切換到相應(yīng)的檔位，實(shí)現(xiàn)了0-300V的數(shù)字電壓表的自動(dòng)切換量程的功能。5、電源電路電源電路電壓從P2端口輸入。通過撥動(dòng)開關(guān)s控制電路的供電與斷電。MSP430G2553單片機(jī)和LED顯示模塊工作電壓均為3.3V，所以使用1117A系列3.3V的穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。1117A33穩(wěn)壓芯片輸入電壓范圍4.7515V，輸入調(diào)整率0.2%，負(fù)載調(diào)整率0.4%，最大輸出電流1A.滿足了本設(shè)計(jì)要求。LED1為電源指示燈，可通過燈的亮滅來判斷電源電路是否正常工作。6、自動(dòng)切換量程部分通過計(jì)算電阻分壓，將輸入電壓永遠(yuǎn)通過分壓后得到2

11、v的標(biāo)準(zhǔn)電壓可供真有效值模塊工作，然后通過模擬開關(guān)來切繼電器來達(dá)到量程的自動(dòng)選擇。7、LED顯示接口電路LED顯示模塊接口與單片機(jī)通信采用模擬SPI方式，減少了單片機(jī)I/O口的消耗，同時(shí)使電路變的更簡(jiǎn)單。四、監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與說明監(jiān)控軟件通過IAR_EW430環(huán)境來編寫，主要模塊程序設(shè)計(jì)思路如下。1、主函數(shù)主函數(shù)的流程框圖如圖1所示。主函數(shù)主要是調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)和循環(huán)開啟ADC轉(zhuǎn)換，這是由于ADC10采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式，每次采樣后需要重新開啟ADC，才會(huì)進(jìn)行下一次信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換。另外，信號(hào)的采樣與處理以及電壓值的顯示都是通過中斷來完成。2、系統(tǒng)初始化函數(shù)系統(tǒng)初始化的流程框圖如圖2所示。該函數(shù)對(duì)

12、看門狗的工作模式、所需的I/O口以及ADC10和OLED顯示進(jìn)行定義或初始化配置。3、ADC初始化函數(shù)ADC初始化的流程框圖如圖3所示。該函數(shù)的任務(wù)是對(duì)轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC10CTL0和ADC10CTL1的初始化配置。其中，ADC10CTL0 需要配置的是ADC10的開關(guān)、采樣周期、參考電壓、ADC10中斷使能；而ADC10CTL1則只需要對(duì)外部采樣通道和ADC的工作模式進(jìn)行選擇。4、LED屏初始化LED顯示屏初始化的流程框圖如圖4所示。完成對(duì)LED寫命令和LED顯示屏界面的初始化。五、其它需要說明的問題對(duì)于本電壓數(shù)字智能表，測(cè)量直流和交流的時(shí)候分別對(duì)應(yīng)的硬件電路略微有所不同，需要注意。六、附

13、錄（包括電路原理圖、程序流程圖、程序清單、參考資料清單等）1、整體電路原理圖2、程序流程圖：開始系統(tǒng)初始化開啟ADC轉(zhuǎn)換ADC初始化開始ADC10CTL0&=ENCADC10CTL0|=ADC10ONADC10CTL0|=SREF_0ADC10CTL0|=ADC10IEADC10CTL1|=INCH_4+CONSEQ_0_EINT( )結(jié) 束圖1 主函數(shù)流程圖圖3 ADC初始化函數(shù)結(jié)束 OLED初始化開始 寫指令圖4 LED初始化OLED顯示初始化系統(tǒng)初始化開始結(jié) 束設(shè)看門狗為定時(shí)器模式使能看門狗中斷設(shè)P1.0P1.1口為輸出設(shè)P1.4作A4通道選擇電壓量程ADC初始化液晶屏初始化圖2

14、 系統(tǒng)初始化流程圖3、程序代碼/*/* 數(shù)字式交直流電壓表 */*/#include "io430.h"#include "codetab.h"#include "LQ12864.h"#define XLevelL0x00#define XLevelH0x10#define XLevel (XLevelH&0x0F)*16+XLevelL)#define Max_Column128#define Max_Row64#defineBrightness0xCF #define X_WIDTH 128#define Y_WIDTH

15、64#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define BIT(x) (1<<(x) void System_Init(void);void ADC_Init(void); void Delay_nms(uint n); long int Voltage1, Voltage2; /全局變量Voltage1，Voltage2uint Voltage_Range; unsigned char *table="0","1","2","3",&

16、quot;4","5","6","7","8","9"/*延時(shí)函數(shù)*/void Delayms(uint n) uchar i; while(n-) for(i=0;i<115;i+);/*函數(shù)功能：系統(tǒng)初始化入口參數(shù)：無出口參數(shù)：無函數(shù)說明：無*/void System_Init(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; BCSCTL1&=XT2OFF; BCSCTL3+=XT2S_2; do for(int i=0xff;i>0;i-);

17、IFG1&=OFIFG; while(IFG1&OFIFG)!=0); BCSCTL2 = 0X00; BCSCTL2 += SELM1; BCSCTL2 += SELS; WDTCTL = WDT_ADLY_250; /看門狗工作在定時(shí)器模式，1s中斷一次 IE1 |= WDTIE; /使能看門狗中斷 P1DIR |= BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3;/相應(yīng)的位端口設(shè)置為輸出 P1SEL |= BIT4; /P1.4為A4通道 Delayms(40); LCD_Init(); /oled 初始化 ADC_Init(); /ADC初始化; /*函數(shù)功能：AD

18、C初始化入口參數(shù)：無出口參數(shù)：無函數(shù)說明：無*/void ADC_Init (void) ADC10CTL0 &= ENC; /復(fù)位轉(zhuǎn)換允許位 ADC10CTL0 |= ADC10ON + ADC10SHT_0 + SREF_0 + ADC10IE ; /設(shè)置轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC10CTL0，ADC10ON=0x010，使ADC10內(nèi)核工作 /ADC10SHT_0=0*0x800u，確定采樣周期為4xADC10CLKs /SREF_0=0*0x2000u,選擇參考電壓為VR+=AVCC,VR-=AVSS /ADC10IE=0x00使對(duì)應(yīng)通道轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生中斷 ADC10CTL1 |= IN

19、CH_4 + CONSEQ_0; /設(shè)置AD轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC10CTL1,INCH_0=0*0x1000u,選擇通道A4 /CONSEQ_1=1*2u,設(shè)置工作模式為單通道、單次轉(zhuǎn)換模式 ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; /設(shè)置轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC12CTL0，ENC=0x002使轉(zhuǎn)換允許位為1 /ADC12SC=0x001使采樣/轉(zhuǎn)換控制位為1 _EINT(); /總中斷使能 /*ADC中斷函數(shù)*/#pragma vector = ADC10_VECTOR_interrupt void ADC10_Interrupt(void) uint data; data =

20、ADC10MEM; /將AD采樣值存入data Voltage1 = (uint)(33.3*data/10.23); /V(實(shí)際)=(VR+ - VR-)*data/1023 + VR- Voltage是實(shí)際電壓值的1000倍 Voltage2 = (uint)(33.3*data/10.23*4.0); P1OUT |= BIT5; Delayms(400); P1OUT &= BIT5; /*WDT中斷函數(shù)*/ #pragma vector = WDT_VECTOR_interrupt void watchdog_timer(void) long int num1,num2; u

21、int ge1,fen1,bfen1,qfen1 ; uint shi2 ,ge2,fen2,bfen2,qfen2 ; num1=Voltage1; num2=Voltage2; ge1=(num1/1000)%10; /個(gè)位 fen1=(num1/100)%10; /十分位 bfen1=num1/10%10; /百分位 qfen1=num1%10; /千分位 / LCD_P8x16Str(60,2,tableshi1); LCD_P8x16Str(68,2,tablege1); LCD_P8x16Str(84,2,tablefen1); LCD_P8x16Str(92,2,tablebfen1); LCD_P8x16Str(100,2,tableqfen1); shi2=(num2/10000)%10; /十位 ge2=(num2/1000