金金 華華 職職 業業 技技 術術 學學 院院 JINHUAJINHUA COLLEGECOLLEGE OFOF PROFESSIONPROFESSION ANDAND TECHNOLOGYTECHNOLOGY 畢業教學環節成果畢業教學環節成果 題 目 基于 MSP430 單片機 的電子測重儀設計 學 院 信息工程學院 專 業 班 級 學 號 姓 名 指導教師 金華職業技術學院畢業教學成果金華職業技術學院畢業教學成果 目目 錄錄 摘要 1 英文摘要 2 引言 3 1 單片機的發展 4 2 電子測重儀的相關理論與技術 5 2 1 MSP430 單片機的特點 5 2 2 MSP430FW427 芯片 6 2 2 1 MSP430FW427 的模數轉換器 ADS1110 7 2 3 壓力傳感器 8 2 3 1 壓力傳感器的選擇 8 3 系統硬件設計 9 3 1 電子測重儀系統的構成及工作原理 9 3 2 電子秤系統壓力傳感器電路 9 3 3 電子秤系統的顯示電路 10 3 4 電子測重儀系統的電源電路 11 3 5 小結 11 4 電子測重儀系統的軟件設計 12 4 1 電子測重儀系統的程序總流程圖 12 4 2 初始化程序流程圖 12 4 3 壓力傳感器程序流程圖 13 4 4 小結 13 結論 14 致謝 15 參考文獻 16 附件 1 程序清單 17 附件 2 硬件電路圖 23 理工類 1 基于基于MSP430MSP430單片機的電子測重儀設計單片機的電子測重儀設計 信息工程學院應用電子技術專業信息工程學院應用電子技術專業 摘要 摘要 隨著生活的快速發展 人們對重量這個詞使用率越來越高目前 大到航 空航天小到商場家庭 為了準確快捷的測量出物體的重量 人們對測重儀器的 要求也不斷地提高 由原來的機械稱發展到現在電子側重儀 而電子測重儀的 使用非常普及 逐漸會取代傳統的機械稱 由壓力傳感器制作的電子測重儀已 廣泛地應用到各行各業 特別是微處理機的出現 工業生產過程自動化程度的 不斷提高 壓力傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置 本文介紹了一種以MSP430單片機微處理器最小系統 并配以幾個主要的集 成電路器件設計成的電子測重儀 本系統是利用壓力傳感器采集當前壓力 準 確快速的計算出物品重量并顯示到LED上 關鍵詞 關鍵詞 壓力傳感器 測重儀 單片機 2 MSP430 microcontroller based electronic weighing instrument design Major of Applied Electronic Technology Information and Engineering college Jin Hua College of Vocation And Technology Liang Yan yan Abstract With the rapid development of life people have the weight of the growing use of this word now small to large shopping malls aerospace family for accurate and efficient measure the weight of objects people weigh equipment requirements continue to increase from the original machine said electronic focus on instrument development to the present The use of electronic weighing instrument is very popular and gradually will replace the traditional mechanical said Produced by the pressure sensor electronic weighing instrument has been widely applied to all walks of life especially the emergence of the microprocessor the degree of automation of industrial production rising the pressure sensors in process control has become an essential device This paper introduces a microprocessor MSP430 MCU minimum system and supported by several major electronic integrated circuit designed for weighing instrument This system is the use of pressure sensor to collect the current pressure quickly and accurately calculate the weight of items and displays to LED digital tube Keywords pressure sensor The test apparatus microcontroller 3 引言引言 隨著時代科技的迅猛發展 微電子學和計算機等現代電子技術的成就給傳 統的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響 單片機技術的出現給 工業測控領域帶來了一次新的技術革命 隨著單片機技術的不斷提高 功能不 斷完善 使其應用日趨成熟 應用領域日趨擴大 目前 臺式電子測重儀在日常生活中的使用已相當普遍 但存在較大的局 限性 體積大 成本高 需要工頻交流電源供應 攜帶不便 應用場所受到制 約 現有的便攜秤為桿秤或以彈簧 拉伸變形來實現計量的彈簧秤 居民用戶 使用的基本是桿秤 彈簧盤秤制造工藝要求較高 彈簧的疲勞問題無法徹底解 決 一旦超過彈簧彈性限度 彈簧秤就會產生很大誤差 以至損壞 影響到稱 重的準確性和可靠性 只是一種暫時的代用品 也被列入逐漸取消的行列 多 年來 人們一直期待測量準確 價格低廉的投放市場 基于電子測重儀的現狀 本課題擬研究一種用MSP430單片機控制的電子測重儀設計方案 這種電子測重 儀體積小 測量準確 攜帶方便 能夠滿足商業貿易和居民家庭的使用需求 50年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造業的發展 60年代初期出現機 電結合式電子衡器以來 經過40多年的不斷改進與完善 我國電子衡器從最初 的機電結合型發展到現在的全電子型和數字智能型 我國電子衡器的技術裝備 和檢測試驗手段基本達到國際90年代中期的水平 電子衡器制造技術及應用得 到了新發展 電子稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展 計量方法從模擬測量 向數字測量發展 測量特點從單參數測量向多參數測量發展 但就總體而言 我國電子衡器產品的數量和質量與工業發達國家相比還有較大差距 其主要差 距是技術與工藝不夠先進 工藝裝備與測試儀表老化 開發能力不足 產品的 品種規格較少 功能不全 穩定性和可靠性較差等 4 1 單片機的發展單片機的發展 單片機又稱單片微控制器 它不是完成某一個邏輯功能的芯片 而是把一個 計算機系統集成到一個芯片上 概括的講 一塊芯片就成了一臺計算機 學習 使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇 還有它的體積小 質量輕 價格便宜 而且它低電壓 低功耗 便于生產便攜式產品 因此為學習 應用 和開發提供了便利的條件 單片機內部也用和電腦功能類似的模塊 比如CPU 內存 并行總線 還有 和硬盤作用相同的存儲器件 不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電 腦弱很多 不過價錢也是低的 一般不超過10元即可 用它來做一些控制電器 一類不是很復雜的工作足矣了 我們現在用的全自動滾筒洗衣機 排煙罩 VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影 它主要是作為控制部分的核心部件 它 是一種在線式實時控制計算機 在線式就是現場控制 需要的是有較強的抗干 擾能力 較低的成本 這也是和離線式計算機的 比如家用PC 的主要區別 目前單片機滲透到我們生活的各個領域 幾乎很難找到哪個領域沒有單片 機的蹤跡 導彈的導航裝置 飛機上各種儀表的控制 計算機的網絡通訊與數 據傳輸 工業自動化過程的實時控制和數據處理 廣泛使用的各種智能IC卡 民用豪華轎車的安全保障系統 錄象機 攝象機 全自動洗衣機的控制 以及 程控玩具 電子寵物等等 這些都離不開單片機 更高級的還有自動控制領域 的機器人 智能儀表 醫療器械等等 綜合所述 單片機已成為計算機發展和應用的一個重要方面 另一方面 單片機應用的重要意義還在于 它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和 設計方法 從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能 現在已能用單 片機通過軟件方法來實現了 因此單片機的學習 開發與應用是十分重要的 5 2 電子測重儀的相關理論與技術電子測重儀的相關理論與技術 2 1 MSP430 單片機的特點單片機的特點 處理能力強 MSP430系列單片機是一個16位的單片機 采用了精簡指令集 RISC 結構 具有豐富的尋址方式 7 種源操作數尋址 4 種目的操作數尋 址 簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令 大量的寄存器以及片內數 據存儲器都可參加多種運算 還有高效的查表處理指令 這些特點保證了可編 制出高效率的源程序 運算速度快 MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅動下 實現40ns的指 令周期 16位的數據寬度 40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器 能實現 乘加運算 相配合 能實現數字信號處理的某些算法 如FFT等 超低功耗 首先 MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1 8 3 6V 電壓 因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時 芯片的電流最低會在 165 A左右 RAM 保持模式下的最低功耗只有 0 1 A 其次 獨特的時鐘 系統設計 在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統 基本時鐘系統 鎖頻 環 FLL 和FLL 時鐘系統和 DCO數字振蕩器時鐘系統 可以只使用一個晶 體振蕩器 32768HZ 也可以使用兩個晶體振蕩器 由系統時鐘系統產生 CPU 和各功能所需的時鐘 并且這些時鐘可以在指令的控制下 打開和關閉 從而實現對總體功耗的控制 在系統中共有一種活動模式 AM 和五種低 功耗模式 LPM0 LPM4 在實時時鐘模式下 可達 2 5 A 在RAM 保持 模式下 最低可達 0 1 A 片內資源豐富 MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設 它們分別是看門狗 WDT 模擬比較器 A 定時器A0 TIMER A0 定時 器A1 TIMER A1 定時器B0 TIMER B0 UART SPI I2C 硬件乘法 器 液晶驅動器 10位 12位ADC 16位 ADC DMA I O端口 基本定 時器 BASIC TIMER 實時時鐘 RTC 和USB控制器等若干外圍模塊的不 同組合 其中 看門狗可以使程序失控時迅速復位 模擬比較器進行模擬電 壓的比較 配合定時器 可設計出 A D 轉換器 16 位定時器 TIMER A 和 TIMER B 具有捕獲 比較功能 大量的捕獲 比較寄存器 可用于事件 計數 時序發生 PWM 等 有的器件更具有可實現異步 同步及多址訪問 6 串行通信接口可方便的實現多機通信等應用 具有較多的 I O 端口 P0 P1 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入 10 12位硬件 A D 轉換器有較高的轉換速率 最高可達 200KBPS 能夠滿足大多數數據 采集應用 能直接驅動液晶多達 160 段 實現兩路的 12 位 D A 轉換 硬件I2C串行總線接口實現存儲器串行擴展 以及為了增加 數據傳輸速度 而采用的DMA模塊 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統的單片解決方 案提供了極大的方 便 方便高效的開發環境 MSP430 系列有 OPT 型 FLASH 型和 ROM 型三種 類型的器件 這些器件的開發手段不同 對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用 仿真器開發成功之后燒寫或掩膜芯片 對于 FLASH 型則有十分方便的開發調 試環境 因為器件片內有 JTAG 調試接口 還有可電擦寫的 FLASH 存儲器 因 此采用先下載程序到 FLASH 內 再在器件內通過軟件控制程序的運行 由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發 這種方式只需要一 臺 PC 機和一個 JTAG 調試器 而不需要仿真器和編程器 開發語言有匯編語 言和 C 語言 2 2 MSP430FW427 芯片芯片 MSP430系列單片機是美國德州儀器 T I 推出的一款1 6 位超低功耗的 混合信號處理器 其在我國推出的時間也已經很久了 它以低功耗著稱 并且 將許多模擬電路 數字電路和微處理器集成在一個芯片上 因此一經推出便在 我國得到迅速推廣 針對目前普遍使用的51系列單片機局限性 為了很好地滿足控制器的準確 性 精確性的要求 采取了一系列措施 首先 考慮系統所接的外部模塊比較 多 需要的I O 口比較多 一般的8 位單片機是不夠用的所以考慮選擇8 位以 上的單片機 再者32 位的單片機功能又太過了 不僅I O 口比較多 而且好多 集成的資源用不上都會浪費 所以考慮使用16 位的單片機 而16 位單片機中 的TI 公司MSP430 系列的較為成熟 適用于在儀表儀器中使用 而且用在本系 統中也正好合適 其次該控制器本身部分集成了12 位的A D 轉換器進行高精度 轉換 并可采用軟件配置采樣通道 確定采樣序列 保存采樣結果 用于本系 統中進行采樣也比較合適 再次考慮控制器對功能性接口要求較高 而且存在 7 較大數量的計算任務 基于以上的考慮 選擇了性價比比較高的MSP430FW427 單片機 圖2 1 MSP430FW427的圖 2 2 1 MSP430FW427 的模數轉換器的模數轉換器 ADS1110 MSP430FW427內嵌模數轉換器模塊 其采樣頻率為每通道200kb s 可以對 生物 機械等傳感器給出的模擬量進行AD轉換 內置的模數轉換器又由帶有采 樣和保持的ADC內核 參考電壓發生器 轉換時鐘的選擇和控制電路 采樣與轉 換時序控制電路4部分組成 采樣系統中數模轉換速度與轉換時鐘有密切關系 利用msp430fw427單片機 通用IO口模擬I2C總線擴展16位A D轉換器ads1110完成數據采集工作 并把采集 到的數據顯示到顯示緩沖區 對于要求精確的轉化 則需要穩定的轉換時鐘信 號 因此使用由晶體產生的時鐘信號 為了得到正確可靠的轉換 模擬輸入信 號必須在采樣期間保持穩定 在整個采樣與轉換期間 不允許有相鄰的其他通 道引腳有數字信號活躍 這樣可減少對模擬信號轉換的干擾 以得到正確的結 8 果 該程序可以測量的電壓誤差為0 001V 精度高 MSP430FW427內置模數轉換器有4種轉換模式 單通道單次轉換 單通道多 次轉換 多通道單次轉換 多通道多次轉換 圖2 2 ADS1110 2 3 壓力傳感器壓力傳感器 2 3 1 壓力傳感器的選擇壓力傳感器的選擇 壓力傳感器又稱荷重傳感器 考慮到使用地點的重力加速度 g 和空氣浮 力 f 的影響后 通過把其中一種被測量 質量 轉換成另外一種被測量 輸 出 來測量質量的力傳感器 壓力傳感器由敏感元件 轉換元件 后續處理部 分組成 壓力傳感器一般應用應變片來實現壓力的測量 應變片的制造原理是 依據橋式電路 當在橋臂上的電阻滿足這樣的條件 R1R3 R2R4時電橋平衡 則 輸出的電壓為零 當電阻由變化的時候 電橋不平衡 有一定的電壓輸出 可 分為單臂電橋 雙臂電橋 全臂電橋 其輸出的電壓與電阻的變化量成近似的 線性變化 應變片是很薄的薄片 上表面鑲嵌兩個有電阻絲制成的電阻 同時 下表面也有兩個同樣的電阻 在連接上形成橋式電路 當應變片上沒有壓力是 輸出的電壓為零 當有壓力作用時 上邊的電阻變大 下面的電阻變小 電橋 不平恒 而且是相同的電阻絲 其電阻的變化量相同 輸出的電壓與電阻的變 化量成線性關系 再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號 電壓或 電流 從而完成了將外力變換為電信號的過程 這樣就可以測量出壓力的大 小 本設計中稱重范圍定為999 9g 測量精確到0 1g 考慮到秤臺自重 振動 9 和沖擊分量 還要避免超重損壞傳感器 所以傳感器量程必須大于額定稱重 999 9g 3 系統硬件設計系統硬件設計 3 1 電子測重儀系統的構成及工作原理電子測重儀系統的構成及工作原理 電子測重儀電路主要由傳感器電路 調理電路 顯示電路 電源電路等組 成 系統原理方框圖如圖 3 1 所示 顯示電路 調理電路MSP430FW427 壓力傳感器 電 源 圖 3 1 系統原理方框圖 系統工作原理 當電子測重儀上放上重物時 壓力傳感器把模擬信號傳送 到處理器的AD轉換器 由AD轉換器轉換成數字信號 然后由數碼管顯示出重物 的重量 并顯示在數碼管上 3 2 電子秤系統壓力傳感器電路電子秤系統壓力傳感器電路 系統的壓力傳感器電路如圖3 2所示 在圖的電路中 傳感器的正端接模數轉換器ADC12內部基準電壓的正輸入端 Vref 負端接模數轉換器ADC12內部基準電壓負端 在本系統中 通過單片機 提供激勵電壓 由于采用這樣的方法 在測量期間或在電子秤工作于待機狀態 的情況下 就可以不用為電橋提供激勵電壓 從而降低功耗 傳感器的電橋電 阻為1200歐 電源電壓為3 V 激勵狀態下耗電2 5 mA 將橋接傳感器的輸出 10 信號連接至放大器之后輸入AD轉換通道P6 0 圖3 2 壓力傳感器電路 3 3 電子秤系統的顯示電路電子秤系統的顯示電路 LED顯示電路如圖3 4所示 本電路的作用是用來顯示重量 單價及金額 為了保證LED的工作安全 電路中必須加上上拉電阻 上拉電阻電路如圖3 5所 示 通過網絡標號與LED相連 圖 3 3 電子秤系統的顯示電路 11 3 4 電子測重儀系統的電源電路電子測重儀系統的電源電路 在單片機應用中需要穩定的電壓信號 因此必須提供電源電路 如圖3 6所 示為電源電路 它可以為整個系統提供3 3V和5V的電壓 圖3 4 電源電路 3 5 小結小結 本章在上一章的基礎上 結合電子測重儀系統的基本功能介紹了它的工作 流程 硬件組成和工作原理 設計了壓力傳感器的稱重放大電路 LED顯示電路 鍵盤掃描電路和電源電路 各電路根據需要連接到MSP430FW427單片機的接口上 就構成了一個功能強大的基于MSP430的智能電子秤 12 4 電子測重儀系統的軟件設計電子測重儀系統的軟件設計 電子測重儀系統的順利工作 需要合適的軟件來協調系統的各個硬件組成 部分 根據電子測重儀系統的工作需要來工作 從而達到特定的功能 本章主 要設計電子測重儀系統的各個硬件組成部分的程序流程圖 4 1 電子測重儀系統的程序總流程圖電子測重儀系統的程序總流程圖 系統總程序流程圖如圖4 1所示 系統初始化之后 要順次執行壓力傳感器 程序 預處理程序 稱重程序 LED顯示程序 開 始 初始化 壓力傳感器程序 LED 顯示程序 稱重程序 預處理程序 圖 4 1 電子秤系統的程序總流程圖 4 2 初始化程序流程圖初始化程序流程圖 初始化程序流程圖如圖4 2所示 進入初始化階段 電子測重儀系統的各個 部分依次初始化 即依次執行壓力傳感器初始化 LED初始化初始化后返回 13 開 始 壓力傳感器初始化 LED 初始化 返 回 圖 4 2 初始化程序流程圖 4 3 壓力傳感器程序流程圖壓力傳感器程序流程圖 壓力傳感器程序流程圖如圖4 3所示 這個程序用來啟動ADC轉換器 將轉 換的二進制結果換算成BCD碼 以便顯示程序和計算程序可以隨時調用 開始 AD 轉換 保 存轉換結果 將轉換結果換算為 BCD 碼并存儲 開始 返回 圖 4 3 壓力傳感器程序流程圖 4 4 小結小結 本章首先設計了電子測重儀系統程序的總流程圖 并在系統程序的總流程 圖的框架下有序地設計了初始化程序流程圖 壓力傳感器程序流程圖 預處理 程序流程圖 稱重計價程序流程圖 鍵盤程序流程圖 LED程序流程圖 并就各 個部分的主要功能作了進一步的介紹和說明 14 結論結論 電子測重儀是一種在實際工作和生活中經常用到的電子測量器具 本文主 要介紹了數字電子秤的硬件電路結構及其中的原理 所設計的電子秤具有基本 稱重 鍵盤輸入 計算價格 顯示 置零 清除 去皮功能 電子秤的測量范 圍為0 999 9g 測量精度達到 0 1g 首先用傳感器把重量轉換成電壓信號 再 將電壓信號放大輸入A D轉換 利用A D轉換工具將模擬信號轉化為數字信號 將得到的數字信號傳送至單片機 通過程序對信號進行處理 實現稱重功能 然后將重量與鍵盤輸入單價相乘計算出總價 并將重量和價格用LED顯示出來 隨著電子秤系統相關技術的不斷完善 數字化 智能化 小型化的電子秤 必將為人們的生活帶來極大的便利 電子秤的發展前景也必將更加廣闊 15 致謝致謝 大學三年的時光悄然流逝了 但是卻給我提供了良好的學習環境 在此期 間讓我學到了更多的知識 而我所學到的能使我終身受益 在這開心和艱辛的 時光里體驗到了更多的生活和社會 讓自己學會了成長 首先要感謝我的母校 因為我們都在這里成長 每一刻都很寶貴 在整個畢業設計的過程中 我多次麻煩到了我的指導老師余紅娟老師 很 感謝余老師在百忙之中給與的悉心指導 給與我幫助和資料 MSSP430單片機是 我第一次接觸 所以不論是提醒還是指導方面 余老師都讓我學到了很多東西 是在51單片機以外的知識 順利的完成這項畢業設計 還有要謝謝一路幫助我的楊同學 以及在設計中被我引用或參考的論著的 作者 讓我從毫無所知 到現在認識到它 良師益友在此時給了我最大的幫助 讓我試著去吸收新的東西 接受新的挑戰 以及面對新的問題并且去迎刃而解 16 參考文獻參考文獻 1 沈建華 楊艷琴 翟曉曙 MSP430 系列 16 位超低功耗單片機原理與應用 M 北京 清華大學出版社 2004 2 陸伯勤 電子稱重技術和自動稱重系統的進展 J 自動化博覽 1999 1 3 胡大可 MSP430 系列單片機 C 語言程序設計與開發 M 2 版 北京 北 京航空航天大學出版社 2003 4 胡宴如 模擬電子技術 高等教育出版社 2007 5 MSP430 x4xx用戶指南 17 附件附件 1 程序清單 程序清單 使用 I O P1 4 SCL P1 5 SDA define SCL 0 x10 define SDA 0 x20 define ADDRESS 0 x49 U1 ads1110 的地址在其背面標注有以下對應關系 ED0 0X48 ED1 0X49 ED2 0X4A ED3 0X4B ED4 0X4C ED5 0X4D ED6 0X4E ED7 0X4F 例如 芯片背面標注 ED0 那么 define ADRESS 0X48 include msp430 xw42x h int ad void delay int a while a a char read byte void 讀時序 char Rx Buffer char a Rx Buffer 0 P1OUT NOP NOP NOP NOP P1DIR for a 0 a 8 a 18 P1OUT SCL Rx Buffer 1 if P1IN else Rx Buffer P1OUT NOP NOP NOP P1OUT P1DIR SDA NOP NOP NOP P1OUT SCL NOP NOP NOP return Rx Buffer void write byte char Tx Buffer 寫時序 char a P1OUT NOP NOP NOP NOP P1DIR SDA for a 0 a 8 a P1OUT if Tx Buffer else P1OUT Tx Buffer 1 P1OUT SCL NOP NOP NOP P1OUT NOP NOP NOP NOP NOP NOP P1OUT SCL 19 void start void 開始時序 P1DIR SCL SDA P1OUT SCL SDA NOP NOP NOP P1OUT NOP NOP NOP void stop void 停止時序 P1DIR SCL SDA P1OUT NOP NOP NOP NOP NOP NOP P1OUT SCL NOP NOP NOP NOP NOP NOP P1OUT SDA void Tx byte char dataddr char data char addr addr ADDRESS addr addr 1 addr start write byte addr P1DIR while P1IN write byte dataddr P1DIR while P1IN write byte data P1DIR while P1IN 20 stop unsigned int Rx byte void char addr RxData0 RxData1 RxData2 unsigned int RxData addr ADDRESS addr addr 1 addr 0 x01 start write byte addr P1DIR while P1IN RxData2 read byte 讀高 8 位 RxData1 read byte 讀低 8 位 RxData0 read byte 讀控制字 stop RxData unsigned int RxData2 RxDa