【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 2 傳感器原理 及 無磁水表總體設(shè)計(jì) LC 傳感器工作原理 圖 LC 振蕩電路 上圖是 LC 振蕩 電路， 首先 電池組給電容充電，當(dāng)電容充滿電后 撥動(dòng)開關(guān) ，電池組斷開 ，電容 和 電感構(gòu)成一個(gè) LC 震蕩電路，如果忽略功率的損耗，此時(shí)在電容兩端可以得到一個(gè)正弦波， 因?yàn)榇嬖诠β实膿p耗，實(shí)際波形 是一個(gè)衰減的正弦波。當(dāng)我們只使用一個(gè) LC傳感器時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，我們不斷得到 0， 1 的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)變化快慢，可以測(cè) 出 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。 XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 位置轉(zhuǎn)換圖 上圖是抽象的位置 轉(zhuǎn)換 圖， 00 代表兩個(gè)傳感器都處于金屬區(qū)， 01 和 10 代表一個(gè) 傳感器處于非金屬區(qū)，另一個(gè)傳感器 處于金屬區(qū)， 11 代表兩個(gè) 傳感器 都 處于 非金屬區(qū)。 表 電感電容組合表 SCAN IF 模塊工作 過程 SCAN IF 模塊是一個(gè)接口，外部只需連接一個(gè)合適的電容和電感即可完成檢測(cè)。 ：此時(shí)檢測(cè)波形，根據(jù)波形可以得出傳感器是出于金屬區(qū)還是非金屬區(qū)。 由于電壓的遲滯，通常使用兩個(gè) 成對(duì)的 DAC 寄存器完成對(duì) 傳感器信號(hào)的判斷。 PSM 狀態(tài)機(jī)設(shè)置 PSM 狀態(tài)機(jī)工作流程： PSM 根據(jù)上一次采樣到的 S1S2 和這次采樣到的 S1S2決定取表中哪的數(shù)據(jù)。 Error： 表示發(fā)生了錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)。正確的狀態(tài)表是無磁水表正確計(jì)數(shù)的前提條件 。 Q1 和 Q2 表示當(dāng)該值為 1 時(shí)對(duì) 計(jì)數(shù)器進(jìn)行加一或者減一的操作。 以 S1S2 為 00 為例，由于未使用 Q7Q4，所以 Q7Q4 等于 0，又 Q Q0 等于XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 0， S1S2 等于 0 時(shí)，計(jì)數(shù)器不操作，即 Q Q2 等于 0，所以狀態(tài)表第一個(gè)數(shù)是 0x00，S1S2 是 01 時(shí)，取的是狀態(tài)表的第二個(gè)成員，我們認(rèn)為從 00 到 01 是向右轉(zhuǎn)，此時(shí)我們需要計(jì)數(shù)器加一，所以 Q1 等于 1，所以第二個(gè)成員的值是 一 張狀態(tài)表。當(dāng) SIFDAC 的值在波形之下時(shí)，SIFOUT 等于 1。 4. 然后從最小值開始， 減小 SIFDAC 的值，再次檢測(cè)，直到 SIFOUT 等于 0， 仿照前幾步，尋找到 最小值 。 7. 使用中間值加減 5 給 SIFDAC 賦值。 SCAN IF 工作時(shí)，自動(dòng)計(jì)數(shù)，適時(shí)喚醒 CPU， 處理計(jì)數(shù)器中的值。本次課題 以 msp430fw427做 主控器，配合其他外設(shè) ，完成無磁水表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 M S P 430FW 427上位機(jī)液晶顯示S CA N IF流量檢測(cè)電機(jī)控制電池E 2 P R O M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)M B U S 通訊低功耗設(shè)計(jì)XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 3 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)總體設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行元件的選型，并完成原理圖，再根據(jù)原理圖完成 PCB圖，最后制成實(shí)物 。 [6]MSP430FW42x 的典型應(yīng)用包括熱量?jī)x表、熱水和冷水儀表、 氣體儀表和工業(yè)流量計(jì)、風(fēng)力計(jì)以及其他旋轉(zhuǎn)檢測(cè)應(yīng)用。本小節(jié)主要介紹 LC 振蕩電路外圍器件的連接，下圖中 J4 連接 LC 傳感器 1 的一端， LC 傳感器 1 的另一端接到 J5， J6 連接 LC 傳感器 2 的一段， LC 傳感器 2 的另一端也接到 J5 上。本次設(shè)計(jì)中，我們使用 4 個(gè)公共端， 20 個(gè) LCD 管腳，總計(jì) 24 個(gè) IO 口，圖中 S0S19，分別連接單片機(jī) S0S19 的 IO 口。在遇到需要電機(jī)調(diào)速的情況時(shí) ，在 K1 和 K2 端 給出一個(gè)可調(diào)占空比的 PWM 方波。當(dāng)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， H 橋流出的電流大約 20mA，則 CA0處的電壓 小于 CA1，約 為 ，當(dāng)電機(jī) 堵轉(zhuǎn) 而產(chǎn)生大電流 時(shí)， 橋式電路下端的 電流大約 是 300mA，則 CA0 處的電壓為 ， CA0 大于 CA1。 電機(jī)剛啟動(dòng) 時(shí)有一個(gè)較大的啟動(dòng)電流，隨后穩(wěn)定在較低的值，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)后，電流又 急劇增加，并不再變化。 手冊(cè)中通常給出每 MHz 的功耗 。所以 在 低功耗設(shè)計(jì)時(shí) ， 在單片機(jī)正常運(yùn)行的前提下 ，單片機(jī)的 工作 頻率 越低功耗就越低 。 所以 參考手冊(cè) 給出的 參數(shù)，只 可以用作 對(duì)比，提供 的 參考作用 。 4. 根據(jù) GPIO 的外部電路 設(shè)置 GPIO 的工作狀態(tài) 。默認(rèn)情況下， MSP430 的 GPIO 是作為輸入的 。單片機(jī) 處于低溫和高溫 兩種 狀態(tài)時(shí)， 容易 會(huì)出現(xiàn)功耗攀升 的 現(xiàn)象。其中 LPM4 為 RAM 保存模式，所以應(yīng)該使 MCU盡量工作在 LPM3 模式下。 圖 MSP430 工作模式對(duì)比圖 XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 本 章小結(jié) 本章以模塊的形 式介紹了無磁水表硬件部分的 設(shè)計(jì) 。所以在硬件條件相同的情況下，軟件的設(shè)計(jì) 是非常重要的，好的軟件不僅僅在于滿足功能，還可以使功能更穩(wěn)定， 功耗更低。在接收到上位機(jī) 發(fā)出的 正確指令后，退出低功耗模式，然后處理相應(yīng)命令，執(zhí)行完以后立刻進(jìn)入低功耗模式。所以 只需要 設(shè)置是否包含 頭文件就可以控制 是否 編譯 這部分程序。 //GPIO 初始化 ifdef SCANIF_H_ ScanIF_Init()。= ~ (BIT0|BIT1)。 設(shè)置代碼如下 ： SIFTSM0 = 0x8800。 //打開 DAC 和比較器， 13 x SIFCLK XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 SIFTSM4 = 0x1974。 //打開 DAC 和比較器， 13 x SIFCLK SIFTSM8 = 0x1975。 SIFCOM 端加載 VCC/2 電壓時(shí)需要延時(shí)一段時(shí)間，使電壓穩(wěn)定。i++)。 4. 設(shè)置信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)（ SIFPSMV）： 配置信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)，也就是編寫 一張信號(hào)處理狀態(tài)表 。 5. 使能 SCAN IF 模塊： SIFCTL1 = SIFEN。 XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 開始IO 口設(shè)置為第二功能設(shè)置時(shí)間狀態(tài)機(jī)S IF T S M x設(shè)置控制寄存器S IF C T L x使能 SC A N IF 模塊開始自校準(zhǔn)結(jié)束設(shè)置信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)SIF P SM V 圖 SCAN IF 模塊初始化程序流程圖 串口 因?yàn)?MSP430FW427 單片機(jī)內(nèi)部沒有 硬件 串口模塊，所以需要軟件模擬串口 進(jìn)行通訊 。 串口的通訊原理 下圖是串口通訊的時(shí)序圖。所以我們要把 8 位的數(shù)據(jù)修改為一個(gè) 10 位的字符幀。 // RXTXData 的第 8 位寫 1 RXTXData = RXTXData1。 接收模式： 接收模式時(shí)， 需要接收 8 位有效的二進(jìn)制數(shù) 。 波特率的設(shè)計(jì) ： 水表 的通訊 中我們 一般選用 2400 的波特率 。 Timer_A模塊使用的是外部 的外部晶振 ， 所以 一位的時(shí)間 為 1/32768 = 。 在接收時(shí)有一處需要注意，我們檢測(cè)到下降沿時(shí) 進(jìn)入中斷，然后我們給 TACCRx裝載一位需要的時(shí)間。 上位機(jī)的編程使用的是 VS20xx，語言是 C。共 5 個(gè)事件，分別是按鍵 1 按下，按鍵 2 按下，按鍵 3 按下，下拉菜單選擇，串口接收到數(shù)據(jù) 。只需要 設(shè)置 LCDCTL 寄存器和 BTCTL 寄存器 中 的 Bit43 即可完成配置。 表 液晶段碼表 電機(jī)控制 電機(jī)的控制是使用 H 橋電路，通過設(shè)置 圖中 K1,K2 的高低電平來控制電機(jī)的開關(guān)和方向。 XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 開始開關(guān)閥命令打開比較器H 橋?qū)ㄟM(jìn)行開關(guān)閥是比較器中斷H 橋關(guān)閉電機(jī)停轉(zhuǎn)是結(jié)束否否 圖 電機(jī)控制程序流程圖 E2PROM存儲(chǔ) 我們的無磁水表是使用電磁供電的，所以在換電池時(shí)單片機(jī)是斷電 的，但是我們不希望之前的數(shù)據(jù)丟失，所以我們使用了 E2PROM 在換電池時(shí)記錄下當(dāng)前 的 用水信息，在通電時(shí)再把信息從 E2PROM 中讀回去。 軟件主要是 MSP430 的基礎(chǔ)配置，及主程序設(shè)計(jì)，初始化程序， SCAN IF 模塊驅(qū)動(dòng)，軟件模擬串口程序，液晶驅(qū)動(dòng)，電機(jī)控制程序， E2PROM 驅(qū)動(dòng)，及上位機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。 圖 SCAN IF TSM 狀態(tài)機(jī)設(shè)定 1 圖 SCAN IF TSM 狀態(tài)機(jī)設(shè)定 2 圖 設(shè)定 2 波形圖 XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 電容電感測(cè)試 以下是使用不同電感進(jìn)行波形測(cè)試的實(shí)驗(yàn) 波形圖 。 XXXXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 圖 液晶顯示圖 本章小結(jié) 本章主要給出了 SCAN IF 模塊，電容電感，液晶 實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)試數(shù)據(jù) 及實(shí)驗(yàn)截圖 。遵循模塊化 的 設(shè)計(jì)原則，完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2. LCD 顯示，使用自己開模的液晶， 定制顯示的內(nèi)容 。 4. 上位機(jī)開發(fā)，使用 C和 VS20xx 開發(fā)的 windows 桌面應(yīng)用程序，使數(shù)據(jù)通訊變得直觀、簡(jiǎn)單、美觀。主控芯片在不打開模塊功能的情況下，工作電壓 3V 時(shí)，功耗低于 1μ A，使用模塊功能時(shí)，一般在 1 到 4 個(gè)μ A 不等，整體低于 10 個(gè)μ A。如復(fù)位電路使用的那個(gè)元器件，需要幾個(gè)μ A，而且多處使用了這個(gè)期間，這會(huì)導(dǎo)致功耗急劇增加。 參考文獻(xiàn) [1]王云平 ,邵定國 ,李朝東 . MSP430 單片機(jī)在新型智能水表開發(fā)中的應(yīng)用 [J]. 計(jì)量技術(shù) ,20xx,10:1112. [2]徐愛華 ,羅琴 . MSP430 單片機(jī)中 SCAN IF 模塊在流量檢測(cè)中的應(yīng)用 [J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ),20xx,04:510512. [3]周金治 ,范富宏 . 以 MSP430FW427 為核心的遠(yuǎn)程數(shù)字水表設(shè)計(jì) [J]. 西南科技大學(xué)學(xué)報(bào) ,20xx,03:7982. [4]吳志成 ,肇啟明 ,馬步青 ,郭紅軍 . 國內(nèi)智能化水表的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展方向 [J]. 中國給水排水 ,20xx,09:1921. [5] 黎 洪生 , 張英 . 基于單 片機(jī)的 無磁傳 感水表 的設(shè)計(jì) [J]. 傳感 器與微系統(tǒng) ,20xx,03:5456. [6] 賈靈 . 基于 MSP430FW427 的無磁水表設(shè)計(jì) [J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 ,20xx,05:8485. [7] 楊雪巖 . 基于 MSP430 單片機(jī)的電子式水表設(shè)計(jì) [J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 ,20xx,18:9294+119. 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