【文章內(nèi)容簡介】 、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一個(gè)較為理想的樣機(jī)開發(fā)方式。 MSP430 系列單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 MSP430 型系列是一款超低功耗類型的微控制器，特別適合于手持設(shè)備和安全領(lǐng)域的應(yīng)用。 MSP430 雖屬微控制器，但在眾多單片機(jī)系列中有獨(dú)特的優(yōu)勢。該 MSP430 系列將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，也適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)，具有豐富的不同型號的器件可供選擇 ，給設(shè)計(jì)者帶來很大的靈活性。其 原 因就在于它是一個(gè) 16 位的精簡指令構(gòu)架，有大量的工作寄存器和數(shù)據(jù)存儲器，其 RAM 單元也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。在運(yùn)算速度方面，MSP430 系列單片機(jī)能在 8HHz 晶體的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位數(shù)據(jù)寬度 ，125ns 的指令周期以及多功能 的硬件乘法器 (能實(shí)現(xiàn)乘加 )相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法。 2020 年 10 月又推出了 MSP430F2XX 系列新款單片機(jī)，該款新品可實(shí)現(xiàn)前代產(chǎn)品兩倍的處力性能而待機(jī)功耗僅為前代品一半。同其它單片機(jī)相比， MSP430 系列可以大大延長電池的使用壽命 。 lus6uS 的啟動時(shí)間可以使啟動更加迅速 。 ESD 保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)；低電壓供電；多達(dá) 64KB 尋址空間，包含 ROM、 RAM、閃存 RAM 和外圍模塊；外部中斷引腳； I／ 0 口具有中斷能力；外圍模塊地址為存儲器分配；全部寄存器不占用 RAM 空間，均在模塊內(nèi)；定時(shí)器中斷可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 38頁 看門狗功能； A／ D 轉(zhuǎn)換器 (10 位、 12 位、 16 位或更高精度 )并且支持 C 語言和匯編語言。 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹 單片機(jī)最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成，主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、通 信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路 ， 其硬件框圖如 圖 31 所示。 圖 31 單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖 （ 1）時(shí)鐘電路 在時(shí)鐘電路中，低速晶體振蕩器 (LFXTl)滿足了低功耗及使用 32． 768kHz 晶振的要求。 LFXTl 振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即 32． 768kHz，也可以通過外接 450kHz～ 8MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接 2 個(gè) 22pF 的電容經(jīng)過 XIN 和 XOUT 連接到 MCU。 高速晶振也稱為第二振蕩器 XT2，它為 MSP430 工作在高頻模式時(shí)提供時(shí)鐘， XT2最高可達(dá) 8MHz。在系統(tǒng)中 XT2 采用 4MHz 的晶體， XT2 外接 2 個(gè) 30pF 的電容經(jīng)過XT2IN 和 XT2OUT 連接到 MCU，如下 圖 32 所示。 （ 2）復(fù)位電路： 復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的部分，其好壞影響整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，復(fù)位電路非常容易受到外部噪聲干擾，因此，復(fù)位電路的設(shè)計(jì)首先要求保證整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，其次是具有抗干擾能力。復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤 銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。 電源 電路 晶振 電路 復(fù)位 電路 通信接 口電路 數(shù)據(jù) 存 儲電路 MSP430 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 38頁 Y24MC1112PC1312PGNDXT1INXT1OUT 圖 32 時(shí)鐘電路圖 MSP430 的復(fù)位電路包括一個(gè)上電復(fù)位 (POR)和上電清除信號 (PUC)。 POR 是設(shè)備復(fù)位信號，它通常在以下三種事件發(fā)生時(shí)被觸發(fā)： ； RST/NMI 腳出現(xiàn)低電平； (Brownout)觸發(fā)。 當(dāng)供電電壓 VCC緩慢上升時(shí)， POR 監(jiān)測器保持 POR信號有效直到 VCC超出 VPOR水平 ， 當(dāng)供電電壓 VCC 快速上升時(shí)， POR 延時(shí) t(POR DELAY)提供了足夠長的有效 POR信號以確保 MSP430 有足夠的時(shí)間進(jìn)行初始化。 經(jīng)常使用的復(fù)位電路有以下幾種： 手動按鈕復(fù)位： 手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平 。一般采用的辦法是在 RST端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí) Vcc 的 +5V 電平就會直接加到RST 端。手動按鈕復(fù)位的電路如 圖 33 所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒 所以完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。 圖 手動按鈕復(fù)位電路 基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 38頁 上電復(fù)位： C51 的上電復(fù)位電路如 圖 34 所示 只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端 下接一個(gè)電阻到地即可。對于 CMOS 型單片機(jī) 由于在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻 故可將外部電阻去掉而將外接電容減至 1181。F。上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí) 復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號 此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐漸回落 即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位 RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時(shí)間。上電時(shí) Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率如晶振頻率為 10MHz 1ms 晶振頻率為1MHz 起振時(shí)間則為 10ms。在復(fù)位電路中 當(dāng) Vcc 掉電時(shí) 必然會使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下 但是由于內(nèi)部電路的限制作用這個(gè)負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外在復(fù)位期間端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)復(fù)位后系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位 則程序計(jì)數(shù)器 PC將得不到一個(gè)合適的初值 因此 CPU可能會從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 本設(shè)計(jì)采用的是最簡單的復(fù)位電路如 34 所示： C7VCCGNDRSTR447K 圖 34 復(fù)位電路圖 如上圖所示，當(dāng)加入電源時(shí)電容相當(dāng)于短路， RST 輸出 低 電平，復(fù)位，當(dāng)電容充滿電后電容相當(dāng)于 斷 路 RST 輸出 高 電平復(fù)位結(jié)束。 （ 3） JTAG 為了更方便本設(shè)計(jì)要求 ， 本設(shè) 計(jì)采用 JTAG 接口直接對核心芯片 MSP430F5529 進(jìn)行電氣規(guī)則檢查和編程， 傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進(jìn)行預(yù)編程現(xiàn)再裝到板上， 現(xiàn) 簡化流程為先固定器件到電路板上，再用 JTAG 編程，從而大大加快工程進(jìn)度。 JTAG 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行 編程 。 JTAG(Joint Test Action Group；聯(lián)合測試行動小組 )是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（ IEEE 兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 38頁 FPGA 器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和 數(shù)據(jù)輸出 線。 其接口電路如下 圖 35 所示 ，引腳功能如表 1 所示 。 JTAG 調(diào)試接口1 23 45 67 89 1011 1213 14J1JTAGTESTTCKTMSTDI/TCLKTDORSTVCCGND 圖 35 JTAG 接口電路 表 1 JTAG引腳圖 單片機(jī)的選型 本論文的核心部件為以單片機(jī) MSP430 為核心的控制模塊， TI公司的超低耗單片機(jī)特別適合與便攜式的或雙電源供電的設(shè)備， MSP430F5529 單片機(jī)的電源電壓采用。獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同時(shí)鐘 :基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)時(shí)鐘系統(tǒng)，另外 MSP430F5529 有多種工作模式 LPMX 以有力的方式支持低功耗 系統(tǒng)的各種要求，用中斷請求將 CPU喚醒只需要 6us。由于本論文要求在停電時(shí)也能進(jìn)行監(jiān)控所以此款單片機(jī)十分符合本設(shè)計(jì)要求。 MSP430F5529 單片機(jī)具有較強(qiáng)的處理能力：它采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，在 8MHZ 時(shí)指令速度可達(dá) 8MIPS。另外 MSP430F149 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先進(jìn)的體系基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 38頁 結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力能夠做到跟蹤監(jiān)控能力。 MSP430F5529 單片機(jī)有豐富的外圍模塊： 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC12，比較器ComparetorA，硬件乘法器， 2 個(gè)帶有捕獲 /比較寄存器的 16 位定時(shí)器， 2 個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步、同步的串行同行 接 口，看門狗。另外 MSP430F5529 采用矢量中斷， 2 個(gè) 8 位端口有中斷能力，支持十多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。這種功能大大的精簡了電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。 MSP430F5529 單片機(jī)開發(fā)方式及其方便 ， 利用單片機(jī)本身具有的 JTAG 接口，可以實(shí)現(xiàn)程序下載 、 調(diào)試為整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)提供方便。 由于 MSP430F5529 單片機(jī)強(qiáng)大的功能所以本設(shè)計(jì)用非常少簡單的電路就能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對液晶顯示屏、串口通信、程序下載，以及完成軟件 編程 的功能。 圖 36 為MSP430F5529 芯片的管腳。 由于此款 單片機(jī)的管腳較多，并且很密，因此在設(shè)計(jì) PCB 電路的時(shí)候，一定要查看 MSP430 的用戶手冊來獲得官方的尺寸，不然很有可能是制作出來的 PCB 板和插座連接不好，導(dǎo)致芯片接收不到模擬信號通道所獲得的數(shù)據(jù)。 圖 36 MSP430F5529 芯片管腳圖 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 共 38頁 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 模擬地與數(shù)字地隔離電路 在 MSP430 系列單片機(jī)中數(shù)字地與模擬地不能接在一起的，因?yàn)槟M信號和數(shù)字信號都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在 一起，噪聲就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起。 對于低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分采用一點(diǎn)接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾。 而對于高頻電路和數(shù)字電路，由于這時(shí)地線的電感效應(yīng)影響會更大，一點(diǎn)接地會導(dǎo)致實(shí)際地線加長而帶來不利影響，這時(shí)應(yīng)采取分開接地和一點(diǎn)接地相結(jié)合的方式。 另外對于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是：盡量加粗地線，以降低噪聲對地阻抗 。 滿接地，即除傳輸 信號的印制線以外，其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。另外用磁珠連接、用電容連接、用電感連接、用 0 歐姆電阻連接。是常用的方法，本設(shè)計(jì)采用 0 歐姆電阻連接來進(jìn)行數(shù)字地與模擬地分離，電路圖如下 圖37 所示： 圖 37 模擬數(shù)字地分離電路 采集模塊硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的采集模塊主要功能是采集灶具火焰模擬信號及燃?xì)獗砹髁棵}沖信號和報(bào)警器的報(bào)警信號，其中流量信脈沖信號由燃?xì)庠钛b置附屬裝置流量表直接輸出并輸入到控制單元，所以此處的采集模塊主要是采集燃?xì)庠钶敵龅?熱電偶 信號大小，輸入給單片機(jī)通過單片機(jī)內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而來判斷燃?xì)庠钍浅鲇陉P(guān)閉還基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 38頁 是打開狀態(tài)。由于燃?xì)庠钶敵鲭妷禾〔⒉荒茏R別，本設(shè)計(jì)采用放大模塊進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)中的采集模塊由一個(gè)兩級運(yùn)算放大電路組成，主要用于放大輸出電壓到能 使 單片機(jī)識別的大小。采集模塊電路通過調(diào)節(jié)電流中阻值的大小從而來控制放大倍數(shù)的大小，其電路原理圖如下 圖 38 所示： 本電路中可知電路的放大倍數(shù)為： )12(3410 VVRRV ??? （ 公式 31） 由此可知 ， 為滿足電路需要 ， 電路中個(gè)電阻的組織應(yīng)調(diào)至 為 R1 為 ， R2 為 ，R3 為 ， R4 為 。 LM358 芯片 LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電 圖 38 采集模塊 電路原理圖 源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模 擬 、 音頻放大器、工業(yè)控制、 DC 增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 LM358 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。 特點(diǎn)： ＊內(nèi)部頻率補(bǔ)償 。 ＊直流電 壓增益高 (約 100dB) 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 共 38頁 ＊單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 。 ＊電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)；雙電源 (177。 一177。 15V) 。 ＊低功耗電流，適合于電池供電。 ＊低輸入偏流。 ＊低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 ＊共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 ＊差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 ＊輸出電壓擺幅大（ 0 至 ) 。 LM358 引腳圖 如下 圖 39 所示 。 圖 39 LM358 引腳圖 串