数字电压表.docx
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数字电压表
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题目的与意义1
1.2选题背景以及国内外现状1
1.3设计任务要求2
第2章：
单片机及液晶显示器介绍3
2.1MSP430F149单片机介绍3
2.1.1MSP430F149芯片引脚功能介绍3
2.1.2ADC12介绍5
2.212864液晶显示器说明12
2.2.1液晶显示模块概述12
2.2.2主要技术参数:
12
2.2.3模块引脚说明13
2.2.412864与msp430单片机的接口电路13
第3章系统方案设计15
3.1主要部分介绍15
3.2电源设计方案15
3.3显示模块方案15
3.4系统总体结构图16
3.5单片机最小系统16
3.5.1电源电路16
3.5.2晶振电路17
3.5.3复位电路18
3.5.4衰减电路18
3.6系统硬件结构图18
3.7系统软件设计19
3.7.1软件设计总流程图19
3.7.2软件调试20
第4章电路调试22
4.1调试方法22
4.2调试结果及分析22
结论23
参考文献24
致谢25
附录1：
26
附录2：
33
摘要
本论文绍一种基于MSP430F149单片机的电压测量电路，该电路实现测量直流电压范围0-3V和0-15V档的数字电压表,误差要求小于0.5%,显示部分用到的是LCD12864液晶屏进行并行显示。
论文主要给出了电压表所用到的msp430F149的最小系统以及最小系统的各个组成部分和ADC12的各个寄存器功能介绍。
然后本论文还给出了数字电压表的软件系统，只要包括软件系统流程图和程序代码以及各段程序的主要功能和注释。
除软件系统以外还有数字电压表的硬件系统，包括衰减电路、电源电路，复位电路等。
最后又把数字电压表最终实现结果以及能够扩展的功能介绍了一下，将电压表的功能要求提升了一个深度。
关键词：
数字电压表;MSP430单片机;A/D转换
Abstract
ThepapersillustrateatheMSP430F149microcontroller-basedvoltagemeasurementcircuit,thecircuitmeasuringDCvoltagerange0-3Vand0-15Vfiledigitalvoltmeter,errorrequirementislessthan0.5%,usedLCD12864LCDparalleldisplayed.Thethesisthevoltmeterusedmsp430F149theminimumsystemaswellasthesmallestofthevariouscomponentsofthesystemandtheADC12registerfunction.Then,thepaperalsogivesthethedigitalvoltmetersoftwaresystem,includingflowchartandprogramcodeofthesoftwaresystemandproceduresandcomments.Inadditiontothesoftwaresystemsthedigitalvoltmeterhardwaresystem,includingattenuationcircuit,powercircuit,resetcircuit.Thelastagaindigitalvoltmeterfinalresultsandabletoextendthefunction,thefunctionalrequirementsofthevoltmetertoenhanceadepth.
Keywords:
digitalvoltmeterMSP430microcontrollerA/Dconversion
第1章绪论
1.1选题目的与意义
由单片机构成的数字电压表整体构成不是很复杂，对硬件和软件的要求也不是很高，所以整体的难度很适中。
并且它在我们平时的设计中也经常用到，可以在以后的过程中用到自己制作的电压表也是一件高兴的事。
数字电压表具有以下特点：
1.读数直观准确;
2.显示位数；
3.准确度高，分辨率高；
4.测量范围宽；
5.扩展能力强；
6.测量数率快；
7.输入阻抗高；
8.集成度高，微功耗；
9.抗干扰能力强。
由于数字式电压表以上特点，再加上在日常生活中的实用与普遍性，它给日常生活带来了很大的便利，因此本题目具有很好的推广与实用性。
1.2选题背景以及国内外现状
该系统主要靠MSP430单片机内部集成的ADC12，单片机主要采用德州仪器MSP430F1XX系列单片机，430系列单片机由于其体积小，功耗低，功能强大成为各种智能仪器处理器的首要选择，其采用精简指令（RISC）结构，具有flash存储空间，芯片内置ADC模块，具有丰富的外围功能。
功能的使用只需要完成相应相寄存器配置就可以了，十分的方便实用。
所以近几十年来用单片机制作的各种数字电压表很快诞生，并且他们的实用性与准确性也是相当高的，再加之本身由单片机做出的数字电压表价格不是很昂贵，所以数值电压表在很短的时间就得到了普及，并且为人们的生活带来了极大方便。
在人们对科学探索的道路上总是为了为了能够满足对探索的需求，所以以前功能单一化，操作繁琐以及不方便控制的数字电压表必定不能满足人们的需求，所以有单片机构成的数字电压表在不断演变，在进入21世纪以来，它已经蜕掉了以前的面容，它以另外一种面孔问鼎今天，它有功能多样化，结构最优化，准确最大化，控制简单化等等优势
如今，已有各种样式的数字电压表已经普遍用于现代化测量和现代自动化仪表等现代化测量领域上。
1.3设计任务要求
1输入范围：
0-15V
2精度：
0.5%
3显示器：
LCD12864液晶屏
4转换模式：
单通道单次转换
第2章：
单片机及液晶显示器介绍
2.1MSP430F149单片机介绍
MSP430f1XX系列单片机具有低电源电压范围，1.8V至3.6V；超低功耗：
激活模式：
270μA（在1MHz频率和2.2V电压条件下）待机模式（VLO）：
0.3μA关闭模式（RAM保持）：
0.1μA；具有4个精度为±1%校准频率且高达16MHz的内部频率；带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的12位模数（A/D）转换器;具有3个捕获/比较寄存器的16位Timer_A;4个通用串行通信接口（USCI）;另外还有代码保护和高达48个I/O引脚等功能。
典型应用包括传感器系统、工业控制应用、手持仪表等。
现在对MSPF149单片机的特点进行介绍如下：
（1）低电压、超低功耗化：
工作电压为3.3V让该单片机拥有低电压化，等待方式和关闭RAM状态下体现其超低功耗化。
（2）具有12位的模数转换器（ADC12）的多样化：
模数转换的多样化即省去了专门设计转换电路的过程，也提高了转换精度。
（3）大空间存储的大容量化：
为了满足程序和数据的存储需要，因此拥有了60kROM和2kRAM。
（4）两通道串行通信多接口化：
即可以与计算机同步串行通信，也可以异步串行通信。
（5）硬件乘法器：
当乘法器独立在CPU中进行乘法运算时，提高了其速度也提高了CPU的利用率。
（6）串行在系统编程：
通过仿真器对程序进行操作，通过特定的软件对单片机进行监控。
2.1.1MSP430F149芯片引脚功能介绍
MSP430F149芯片设计时的封装方式采用的是贴片式封装，引脚之间距为0.5mm,64个引脚，而且单片机面积很小很难手工焊接，所以购买的是带有转接板的单片机，贴片式的单片机转接成4列2*8排针的引脚，排针脚间距约为2.54mm，能与万能板匹配。
其引脚如下图所示：
图2-1MSP430F149引脚图
下面是MSP430F149单片机的各端口功能说明：
表2-1MSP430F149单片机各端口功能说明
端口
功能
P1、P2
I/O、中断功能、其他片内外设功能
P3、P4、P5、P6
I/O、其他片内外设功能
RST/NM1
复位输入，不可屏蔽中断输入，或自动加载程序启动。
TCK
测试时钟，TCK是用于器件编程测试和自动加载程序启动的时钟输入口。
TDI
测试数据输入，TDI用作数据输入口。
器件的保护熔丝被连接到TDI
TDO/TDI
测试数据输出口，TDO/TD1是数据输出或编程数据输入端
TMS
测试方式选择，TMS用作器件编程和测试的输入口
VeREF+
送到ADC的外部基准电压输入口
Vref+
ADC内部基准电压的正输出端
Vref-/VeREF-
ADC的内部基准电压或外部加的基准电压的负端
XIN
晶体振荡器XT1的输入口，可接标准的或时钟的晶体
XOUT/TCLK
晶体振荡器XT1的输出端或测试时钟的输入端
XT2IN
晶体振荡器XT2的输入口，只能接标准晶体
XT20UT
晶体振荡器XT2的输出口
2.1.2ADC12介绍
ADC12模块支持快速，12位模拟-数字转换。
该模块实现了一个12位SAR内核，采样选择控制，参考电压发生器和一个16字转换与控制缓冲器。
该转换与控制缓冲器允许多达16个独立的ADC采样转换和存储，无需任何CPU干预。
2.1.2.1ADC12主要特点
1、大于200ksps的最大转换速率；
2、独立的12位转换器，无失码
3、采样和保持控制与可编程采样周期可通过
软件或定时器控制；
4、启动通过软件，定时器A，定时器B；
5、软件可选片上参考电压产生（1.5V或2.5V）；
6、通过软件选择内部或外部参考电压；
7、八路单独配置外部输入通道；
8、为AVCC，内部温度传感器，外部参考源分配了通道；
9、可单独选择正、负参考源
10、可选择转换的钟源
11、4种转换模式
12、ADC的内核和参考电压可单独断电
13、18个ADC中断向量寄存器
14、16的转换结果存储寄存器
2.1.2.2寄存器及参考电压：
REFON:
REFON=1 开启参考电压发生器
REF2_5V:
REF2_5V=1，参考电压2.5V; REF2_5V=0，参考电压1.5V
转换与存储:
16组-- ADC12MEMx ADC12MCTLx
SREFx 定义参考电压
INCHx 选择输入通道
EOS 定义序列采样的结束（使用序列模式）
CSTARTADDx 定义起始ADC12MCTLx（单通道和序列通道都使用）
转换模式:
MSC 多重快速转换
中断:
ADC12IE 中断允许寄存器
ADC12IFG 中断标志寄存器
ADC12V 中断向量寄存器
ADC12IFGx 当转换结果被写入ADC12MEMx后,该位被置位（ADC12IEx和GIE被置位,才产生中断）
寄存器:
ACD12CTL0:
SHT1x SHT0x -- 采样保持需要的ADC12CLK的周期数
ENC -- 允许转换
ADC12SC --软件开启转换,触发源模式00
ADC12CTL1:
CSTARTADDx -- 定义起始ADC12MCTLx（单通道和序列通道都使用）
SHSx -- 触发源选择
ADC12SSELx --时钟源选择
ADC12MCTLx:
EOS --定义序列采样的结
SREFx --参考电压选择
000 VR+ = AVCC and VR- = AVSS
001 VR+ = VREF+ and VR- = AVSS
010 VR+ = VeREF+ and VR- = AVSS
011 VR+ = VeREF+ and VR- = AVSS
100 VR+ = AVCC and VR- = VREF-/ VeREF-
101 VR+ = VREF+ and VR- = VREF-/ VeREF-
110 VR+ = VeREF+ and VR- = VREF-/ VeREF-
111 VR+ = VeREF+ and VR- = VREF-/ VeREF-
2.1.2.3具有采样和保持功能的的12位转换内核
ADC12内核由一个12位的模数转换器组成，它可以将转换出来结果保存到ADC12MEM转换存储器中。
该内核使用了两个能够自己编程的参考电压（VR+和VR-）来定义转换的最大值和最小值。
当外部输入的模拟电压不小于VR+时，ADC12输出满量程值0FFFH，当输入电压等不大于VR-时，ADC12就会输出0。
外部输入的模拟电压的最终变化结果满足公式：
ADC12内核的配置由ADC12CTL1和ADC12CTL0两个控制寄存器完成。
ADC12内核在没有被使用时可以自动关闭来节省电能。
ADC内核使能由ADC12ON位控制。
当在ENC=1时，ADC12的控制不能被修改，在进行转换时，ENC位将会设为1。
2.1.2.4转换时钟选择
ADC12CLK作为转换的时钟，有四个时钟源可以选择，ADC12CLK时钟源源为SMCLK（系统子时钟），MCLK（系统主时钟），ACLK（辅助时钟），和一个内部时钟ADC12OSC（5MHZ）。
2.1.2.5采样和转换定时
ADC12内部采样保持电路触发源有四种选择：
1、ADC12SC（00）
2、定时器A输出单元
（1）（01）
3、定时器B输出单元（0）（10）
4、定时器B输出单元
（1）（11）
4种采样保持电路触发源由SHSx控制：
当SHI（采样保持输入信号）低电平到高电平时开始采样，当SAMPCON有高电平跳向低电平时采样保持结束，然后开始转换。
ADC12有两种采样定时模式，并且由SHP位控制。
一种叫扩展性采样模式，另一种叫脉冲模式。
2.1.2.6扩展性采样模式：
当SHP=0时，SHI信号直接控制SAMPCON。
即当SHI信号由低电平到高电平是SAMPCON也如此，此时就开始采样保持。
当SHI信号由高电平跳至低电平时采样结束，并且开始装换。
图2-2扩张采样模式
2.1.2.7脉冲模式：
在脉冲模式时，SHP=1。
在此模式时，SHI的一个上升沿触发采样，而不能直接控制采样时间。
采样时间的控制是由ADC12内部的一个采样定时器控制，该定时器的时间可以有用户自己控制。
图2-3脉冲模式
2.1.2.8部分ADC12寄存器：
1）SHP（采样保持定时器）：
SHT1x：
定义寄存器ADC12MEM8到ADC12MEM15对应转换通道的采样保持时间时间；
SHT0x：
定义寄存器ADC12MEM0到ADC12MEM7对应转换通道的采样保持时间时间；
图2-1采样保持定时器
SHTx
ADC12时钟周期
0000
4
0001
8
0010
16
0011
32
0100
64
0101
96
0110
128
0111
192
1000
256
1001
384
1010
512
1011
768
1100
1024
1101
1024
1110
1024
1111
1024
采样时间
，其中N为SHT1或SHT0对应的4位二进制数。
2）MSC（多次采样/转换位）：
当MSC=0时，需要SHI信号开启下一次转换。
当MSC=1时，SHI信号只是一个触发信号，下一次转换会自动进行直到转换完成。
注：
仅适用于序列或重复转换模式。
3）ADC12BUSY：
当ADC12BUSY=0时，表示当前没有转换；
当ADC12BUSY=1时，表示的当前有装换；
ADC12一共有4种转换模式：
1、单通道单次转换
2、序列通道单次转换
3、单通道多次转换
4、序列通道多次转换
在ADC12转换结束以后我们必须将ENC第二次复位并置位，这样才能够准备下一次转换。
在次之前的所有输入输入信号将被忽略。
ADC12的转换模式能够在转换的开始和未结束之前得到切换，新模式将会在当前转换完成以后重新开始。
2.1.2.9单通道单次转换模式状态图：
图2-4单通道单次转换模式状态图
2.1.2.10ADC12的结构原理图：
（如下图）
图2-5ADC12结构原理
2.212864液晶显示器说明
2.2.1液晶显示模块概述
在此次毕业设计中用到的液晶显示器是12864液晶显示模块，其体积小、功耗低、显示内容丰富，不仅能显示数字、字符，对于带有中文字库的显示器还能显示汉字，对设计的质量及直观性有很大的提高。
图2-6液晶显示模块
2.2.2主要技术参数:
表2-3显示器主要技术参数
显示容量
128X64点阵
工作电压
4.8～5.2V
工作电流
4.0mA（5.0V）
背光源工作电流
<150.0mA
点尺寸
0.48X0.48（WXH）mm
模块最佳工作电压
5.0V
背光源颜色
白色（5.0V）
蓝膜负显
STN
2.2.3模块引脚说明
图2-7液晶模块引脚说明
2.2.412864与msp430单片机的接口电路
如下图所示：
该接口电路用的是单片机的P4口作为数据口，由于采用的是并行数据模式所以15脚（psb）接高电平。
数据/命令选择端口接的是P3.0，读/写控制信号用的是单片机的P3.2，使能信号接的是单片机的P3.1口。
图2-8接口电路
第3章系统方案设计
3.1主要部分介绍
数字电压表设计的主要部分有电源部分、单片机AD转换部分、LCD显示部分
1.电源部分是采用7805与AMS117产生3.3v电压为整个系统供电。
2.AD转换部分采用的是MSP430F149单片机自带ADC高精度12位模数转换电路。
3.LCD部分选用LCM12864B液晶做显示器，实现在液晶屏上的4位电压显示。
3.2电源设计方案
方案一：
该方案选择交流电源供电的方式，将220伏的市电经过一个变压器转换成直低电压的交流电压，然后再通过直流稳压电路为7805提供电源。
方案二：
该方案采用干电池（蓄电池）供电，干电池（蓄电池）中，干电池采用串联的方式提升电压，如果是蓄电池我们可以选取12V左右的直接经7805为系统供电。
方案选取：
在两种方案中，很明显如果采用第一方案的话就会存在很大的安全隐患，另外我们还要单独购买变压器，还要制作直流稳压电路，所以成本会大大提高。
如果采用方案二的话，我们就可以很好的避开上述缺点，并且其还方便携带，即插即用。
综上所述考我们虑选择干电池（蓄电池）作为此次设计的供电方式。
3.3显示模块方案
方案一：
该方案采用数码管作为显示装置对测量电压值进行动态显示。
方案二：
该方案采用12864液晶显示器作为显示模块。
方案选取分析：
方案一中采用数码管动态显示。
数码管由于其显示亮度高、清晰而广泛使用在各种家用电器、自动化仪器仪表中，但是由于它是通过驱动发光二极管来发光、并且是采用段的方式来显示，所以虽然其显示亮度高但是其功耗也大，并且显示内容并不丰富，还有普通的段式发光二极管并不能完成对汉字的显示，所以显示结果比较单一，并不能附以相应的汉字说明，同时段式数码管需要较大的驱动电流，并不能直接采用430的端口直接驱动，如果采用430系列单片机作为主控芯片还必须加上相应的驱动电路，这样就使电路的复杂性增加以及可靠性下降。
方案二中液晶显示器由于体积小、功耗低、显示内容丰富，不仅能显示数字、字符，还能对中文进行，使显示的质量及直观性有很大程度提高。
综上所述我们选择液晶显示器作为电路的显示模块
3.4系统总体结构图
系统总体结构图，如下图所示：
图3-1系统总体结构图
3.5单片机最小系统
3.5.1电源电路
如下图：
电源部分主要由外部提供6V电压，经过7805转换成5V电压，此5V电压可提供给12864液晶显示器作为输入电压，接着电路经过AMS117产生3.3V电压，再通过C4和C5两个去耦电容，最终把电压提供给msp430单片机。
图3-2电源电路
3.5.2晶振电路
如下图所示：
该晶振电路由两个晶振构成，一个32.768K低频晶振与单片机的XT1引脚相连，另外由一个8M高频晶振和两个12P电容构成与单片机的XT2引脚相连。
图3-3晶振电路
3.5.3复位电路
如下图所示：
该复位电路由一个100K电阻和一个复位按键加上一个0.1U的电容组成最总接至单片机的复位引脚。
图3-4复位电路
3.5.4衰减电路
由于设计中包含15V档，但因单片机的参考电压（最大3.3V）和单片机的最大承受电压的原因，致使在测量15V档位时必须外接衰减电路。
衰减电路采用的是两个电阻分压的模式，上面一个大电阻，下面一个固定小电阻，单片机模拟电压输入端接至两个电阻中间，这样就完成了输入电压衰减。
3.6系统硬件结构图
该硬件电路图主要有单片机最小系统再加上液晶显示模块，其中电源部分有5V与3.3V接口供其他电路使用。
图3-5系统硬件结构图
3.7系统软件设计
3.7.1软件设计总流程图
3.7.1.1系统初始化
系统初始化主要包括使能ADC通道设P6.0为外部模拟电压输入通道，再设置P4.0为与12864液晶显示器的数据通信端口接着是选择电压量程，最后是ADC初始化和液晶显示器初始化。
如图3-7所示
3.7.1.2ADC初始化
ADC初始化主要包括使能转换和打开ADC，然后设置采样时间和使能ADC中断以及选择采样通道和转换模式等。
如图3-8所示
3.7.2软件调试
基于MSP430F149的数字电压表是在IAREW430设计软件上完成编程，调试以及烧写的。
另外，本设计在用的程序下载软件除IAR以外还用到了BSL下载软件，本软件需要的是从IAR编译产生的一个TXT文档，再把此文档用BSL下载进单片机。
图3-9BSL下载器截面
注：
只需要点击载入文件（在IAR）中生成的TXT文档，再点击执行就可以将程序烧写进单片机。
运用上面的两个开发软件就能够完成对MSP430单片机的编程、调试以及烧写。
由于自己制作的单片机最小系统不含JTAG下载口，所以对单片机的程序烧写用上面的方法就很方便。
毕竟USB仿真器价格很贵。
第4章电路调试
4.1调试方法
本设计中用到的调试工具主要是是万用表和一字螺丝刀各一个，万用表测量的数据作为参考电压，一字螺丝刀用于对分压电路比进行校正，使得测量的准确性得以提高
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