【文章內(nèi)容簡介】 S 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 發(fā)生、PWM 等；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 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。 Y24MC1P3GNDXTIOU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)：a. 上電； RST/NMI 腳出現(xiàn)低電平；c. 電壓監(jiān)控設(shè)備 (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) 則 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?；趩纹瑱C(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì)第 8 頁 共 38 頁 圖 手動按鈕復(fù)位電路上電復(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 而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率如晶振頻率為 10MHz 起振時(shí)間為 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(fā)”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：華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 9 頁 共 38 頁 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。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(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口256780ESCKMDI/LORVN圖 35 JTAG 接口電路表 1 JTAG 引腳圖基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì)第 10 頁 共 38 頁 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 低電壓。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。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 11 頁 共 38 頁 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 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 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)庠钶敵龅臒犭娕夹盘柎笮。斎虢o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： （公式 31）)12(3410VRV???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，適合于電華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(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) 。 ＊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?；趩纹瑱C(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計(jì)第 14 頁 共 38 頁 圖 39 LM358 引腳圖 串口模塊硬件設(shè)計(jì)MSP430 系列微控制器都自帶串行通信口，有幾款還有兩個(gè)串口。這樣就方便了與PC 機(jī)接口，增強(qiáng)了與外界通信的能力。不過串口的電平和邏輯關(guān)系與 MSP430 存在很大的差別。以廣泛應(yīng)用的 EIA RS 232C 標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)傳輸電平的絕對值介于 3V ~ 15V 時(shí)，認(rèn)為是有效信號，其它電平均認(rèn)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(jìn)行 EIARS232C 與 MSP430 電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。在 MSP430 與 PC 串口接口時(shí)，用 MAX232A 電路比較簡單（只需外接幾個(gè)電容） ，而且這款芯片可以實(shí)現(xiàn)兩路變換，價(jià)格也較便宜。本設(shè)計(jì)采用 MAX3221 芯片，可來完成 3V～15V 電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換，其串行部分的電路圖如下圖 310 所示。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)線驅(qū)動器一個(gè)線接收器和一個(gè)帶有177。15KV D 的 ESD 保護(hù)的雙電荷汞，該器件可滿足 TIA/EIA232F 要求并在一個(gè)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(gè)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(dá)到 250 kbit/s 且最大的 30V/s 驅(qū)動輸出回轉(zhuǎn)率時(shí)工作。當(dāng)串行端口失效時(shí)可對電壓管理進(jìn)行靈活的控制選擇在 FORCEON 為低且FO