【文章內容簡介】 S 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；定時器中斷可用于事件計數(shù)、時序基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計第 6 頁 共 38 頁 發(fā)生、PWM 等；看門狗功能；A／D 轉換器(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，復位電路的設計首先要求保證整個應用系統(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)設計（論文）第 7 頁 共 38 頁 后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。 Y24MC1P3GNDXTIOU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 是設備復位信號，它通常在以下三種事件發(fā)生時被觸發(fā)：a. 上電； RST/NMI 腳出現(xiàn)低電平；c. 電壓監(jiān)控設備 (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 則 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。基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計第 8 頁 共 38 頁 圖 手動按鈕復位電路上電復位： 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 而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率如晶振頻率為 10MHz 起振時間為 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 以下但是由于內部電路的限制作用這個負電壓將不會對器件產生損害。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(fā)”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。本設計采用的是最簡單的復位電路如 34 所示：華北科技學院畢業(yè)設計（論文）第 9 頁 共 38 頁 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 輸出高電平復位結束。（3）JTAG 為了更方便本設計要求，本設計采用 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） ，主要用于芯片內部測試。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、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口256780ESCKMDI/LORVN圖 35 JTAG 接口電路表 1 JTAG 引腳圖基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計第 10 頁 共 38 頁 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備，MSP430F5529 單片機的電源電壓采用 低電壓。獨特的時鐘系統(tǒng)設計，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構，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結構，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計和程序設計。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。華北科技學院畢業(yè)設計（論文）第 11 頁 共 38 頁 由于此款單片機的管腳較多，并且很密，因此在設計 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 單片機外圍電路設計模擬地與數(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，這時應采取分開接地和一點接地相結合的方式。 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，以基于單片機的燃氣泄露檢測儀設計第 12 頁 共 38 頁 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 采集模塊硬件設計本設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置的 A/D 轉換模塊轉換成數(shù)字信號，從而來判斷燃氣灶是出于關閉還是打開狀態(tài)。由于燃氣灶輸出電壓太小并不能識別，本設計采用放大模塊進行放大，本設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： （公式 31）)12(3410VRV???由此可知，為滿足電路需要，電路中個電阻的組織應調至為 R1 為 ，R2 為，R3 為 ，R4 為 。LM358 芯片LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電華北科技學院畢業(yè)設計（論文）第 13 頁 共 38 頁 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。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：＊內部頻率補償。 ＊直流電壓增益高(約 100dB) 。 ＊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。 ＊低輸入失調電壓和失調電流。 ＊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?；趩纹瑱C的燃氣泄露檢測儀設計第 14 頁 共 38 頁 圖 39 LM358 引腳圖 串口模塊硬件設計MSP430 系列微控制器都自帶串行通信口，有幾款還有兩個串口。這樣就方便了與PC 機接口，增強了與外界通信的能力。不過串口的電平和邏輯關系與 MSP430 存在很大的差別。以廣泛應用的 EIA RS 232C 標準為例，對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平為3V ~ 15V ，邏輯“0” （空號）的電平為 +3V ~ +15V；對于控制信號：接通狀態(tài)（ON） ，即信號有效的電平為+3V ~ +15V，斷開狀態(tài)(OFF) ，即信號無效的電平為3V ~ 15V。也就是說當傳輸電平的絕對值介于 3V ~ 15V 時，認為是有效信號，其它電平均認為是無效的。而 MSP430 輸出的電平卻在 0 ~ 3V 左右，因此要想與 PC串口接口或者其它帶有串口的終端接口，必須要進行 EIARS232C 與 MSP430 電平和邏輯關系的轉換。實現(xiàn)這種變換的方法很多，可用分離元件，也可用集成電路。目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223 等芯片可完成多路 3V ~ 15V 電平與串口電平的雙向轉換。在 MSP430 與 PC 串口接口時，用 MAX232A 電路比較簡單（只需外接幾個電容） ，而且這款芯片可以實現(xiàn)兩路變換，價格也較便宜。本設計采用 MAX3221 芯片，可來完成 3V～15V 電平與串口電平的雙向轉換，其串行部分的電路圖如下圖 310 所示。華北科技學院畢業(yè)設計（論文）第 15 頁 共 38 頁 en1C+圖 310 串口部分電路圖MAX3221 芯片MAX3221 包含一個線驅動器一個線接收器和一個帶有177。15KV D 的 ESD 保護的雙電荷汞，該器件可滿足 TIA/EIA232F 要求并在一個異步通信控制器和串行端口連接器之間提供接口電荷汞和四個小型外接電容器可在單路 3V 至 電源電壓下工作這些器件在數(shù)據(jù)信號率達到 250 kbit/s 且最大的 30V/s 驅動輸出回轉率時工作。當串行端口失效時可對電壓管理進行靈活的控制選擇在 FORCEON 為低且FO