【文章內(nèi)容簡介】 、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。 MSP430 系列單片機的應(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，但在眾多單片機系列中有獨特的優(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)計者帶來很大的靈活性。其 原 因就在于它是一個 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 單元也可以實現(xiàn)運算。在運算速度方面，MSP430 系列單片機能在 8HHz 晶體的驅(qū)動下，實現(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 (能實現(xiàn)乘加 )相配合，能實現(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，該款新品可實現(xiàn)前代產(chǎn)品兩倍的處力性能而待機功耗僅為前代品一半。同其它單片機相比， MSP430 系列可以大大延長電池的使用壽命 。 lus6uS 的啟動時間可以使啟動更加迅速 。 ESD 保護，抗干擾力強；低電壓供電；多達 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)；定時器中斷可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；基于單片機的燃氣泄露檢測儀設(shè)計 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。 單片機最小系統(tǒng)介紹 單片機最小系統(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、時鐘電路、復位電路、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 單片機最小系統(tǒng)框圖 （ 1）時鐘電路 在時鐘電路中，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 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 工作在高頻模式時提供時鐘， XT2最高可達 8MHz。在系統(tǒng)中 XT2 采用 4MHz 的晶體， XT2 外接 2 個 30pF 的電容經(jīng)過XT2IN 和 XT2OUT 連接到 MCU，如下 圖 32 所示。 （ 2）復位電路： 復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的部分，其好壞影響整個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。同時，復位電路非常容易受到外部噪聲干擾，因此，復位電路的設(shè)計首先要求保證整個應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，其次是具有抗干擾能力。復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤 銷復位信號，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位。 電源 電路 晶振 電路 復位 電路 通信接 口電路 數(shù)據(jù) 存 儲電路 MSP430 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 38頁 Y24MC1112PC1312PGNDXT1INXT1OUT 圖 32 時鐘電路圖 MSP430 的復位電路包括一個上電復位 (POR)和上電清除信號 (PUC)。 POR 是設(shè)備復位信號，它通常在以下三種事件發(fā)生時被觸發(fā)： ； RST/NMI 腳出現(xiàn)低電平； (Brownout)觸發(fā)。 當供電電壓 VCC緩慢上升時， POR 監(jiān)測器保持 POR信號有效直到 VCC超出 VPOR水平 ， 當供電電壓 VCC 快速上升時， POR 延時 t(POR DELAY)提供了足夠長的有效 POR信號以確保 MSP430 有足夠的時間進行初始化。 經(jīng)常使用的復位電路有以下幾種： 手動按鈕復位： 手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 RST 上加入高電平 。一般采用的辦法是在 RST端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時 Vcc 的 +5V 電平就會直接加到RST 端。手動按鈕復位的電路如 圖 33 所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒 所以完全能夠滿足復位的時間要求。 圖 手動按鈕復位電路 基于單片機的燃氣泄露檢測儀設(shè)計 第 8 頁 共 38頁 上電復位： C51 的上電復位電路如 圖 34 所示 只要在 RST 復位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端 下接一個電阻到地即可。對于 CMOS 型單片機 由于在 RST 端內(nèi)部有一個下拉電阻 故可將外部電阻去掉而將外接電容減至 1181。F。上電復位的工作過程是在加電時 復位電路通過電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號 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)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位 RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時 Vcc 的上升時間約為 10ms振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率如晶振頻率為 10MHz 1ms 晶振頻率為1MHz 起振時間則為 10ms。在復位電路中 當 Vcc 掉電時 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負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外在復位期間端口引腳處于隨機狀態(tài)復位后系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位 則程序計數(shù)器 PC將得不到一個合適的初值 因此 CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 本設(shè)計采用的是最簡單的復位電路如 34 所示： C7VCCGNDRSTR447K 圖 34 復位電路圖 如上圖所示，當加入電源時電容相當于短路， RST 輸出 低 電平，復位，當電容充滿電后電容相當于 斷 路 RST 輸出 高 電平復位結(jié)束。 （ 3） JTAG 為了更方便本設(shè)計要求 ， 本設(shè) 計采用 JTAG 接口直接對核心芯片 MSP430F5529 進行電氣規(guī)則檢查和編程， 傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預編程現(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度。 JTAG 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進行 編程 。 JTAG(Joint Test Action Group；聯(lián)合測試行動小組 )是一種國際標準測試協(xié)議（ IEEE 兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 38頁 FPGA 器件等。標準的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時鐘、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 單片機的選型 本論文的核心部件為以單片機 MSP430 為核心的控制模塊， TI公司的超低耗單片機特別適合與便攜式的或雙電源供電的設(shè)備， MSP430F5529 單片機的電源電壓采用。獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括兩個不同時鐘 :基本時鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)時鐘系統(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也能進行監(jiān)控所以此款單片機十分符合本設(shè)計要求。 MSP430F5529 單片機具有較強的處理能力：它采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，在 8MHZ 時指令速度可達 8MIPS。另外 MSP430F149 采用了 16 位多功能硬件乘法器等先進的體系基于單片機的燃氣泄露檢測儀設(shè)計 第 10 頁 共 38頁 結(jié)構(gòu)，大大增強了其數(shù)據(jù)處理和運算能力能夠做到跟蹤監(jiān)控能力。 MSP430F5529 單片機有豐富的外圍模塊： 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC12，比較器ComparetorA，硬件乘法器， 2 個帶有捕獲 /比較寄存器的 16 位定時器， 2 個可實現(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 8 位端口有中斷能力，支持十多個中斷源，并可以任意嵌套。這種功能大大的精簡了電路設(shè)計和程序設(shè)計。 MSP430F5529 單片機開發(fā)方式及其方便 ， 利用單片機本身具有的 JTAG 接口，可以實現(xiàn)程序下載 、 調(diào)試為整個項目的開發(fā)提供方便。 由于 MSP430F5529 單片機強大的功能所以本設(shè)計用非常少簡單的電路就能實現(xiàn)單片機對液晶顯示屏、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 單片機的管腳較多，并且很密，因此在設(shè)計 PCB 電路的時候，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 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 38頁 單片機外圍電路設(shè)計 模擬地與數(shù)字地隔離電路 在 MSP430 系列單片機中數(shù)字地與模擬地不能接在一起的，因為模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(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，然后通過細的走線連在一起，或者單點接在一起。 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，由于這時地線的電感效應(yīng)影響會更大，一點接地會導致實際地線加長而帶來不利影響，這時應(yīng)采取分開接地和一點接地相結(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)計采用 0 歐姆電阻連接來進行數(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 本設(shè)計中的采集模塊主要功能是采集灶具火焰模擬信號及燃氣表流量脈沖信號和報警器的報警信號，其中流量信脈沖信號由燃氣灶裝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氣灶輸出的 熱電偶 信號大小，輸入給單片機通過單片機內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而來判斷燃氣灶是出于關(guān)閉還基于單片機的燃氣泄露檢測儀設(shè)計 第 12 頁 共 38頁 是打開狀態(tài)。由于燃氣灶輸出電壓太小并不能識別，本設(shè)計采用放大模塊進行放大，本設(shè)計中的采集模塊由一個兩級運算放大電路組成，主要用于放大輸出電壓到能 使 單片機識別的大小。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)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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： ＊內(nèi)部頻率補償 。 ＊直流電 壓增益高 (約 100dB) 。 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（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