基于MSP430F448單片機(jī)的交流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

王若男，韓 進(jìn)

（山東科技大學(xué) 山東 青島 266510）

MSP430F44x系列是TI公司推出的一款超低功耗的16位單片機(jī)，其運(yùn)算速度快而且體積小。片內(nèi)集成了8路12位A/D、串行通信接口、看門狗定時(shí)器、比較器、硬件乘法器等外圍設(shè)備模塊，從而降低了應(yīng)用電路的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性。該芯片可以工作于2.5 V和3.3 V兩種電壓下，并且可以處于休眠狀態(tài)，此時(shí)的頻率只有32 768 Hz，功耗非常低，環(huán)境溫度范圍為－40～+125℃[1]。這些優(yōu)點(diǎn)非常適合設(shè)計(jì)便攜式，且要求長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，環(huán)境溫度變化寬的智能儀器儀表設(shè)備。MSP430F44x系列單片機(jī)具有其他單片機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，用其來實(shí)現(xiàn)交流電壓的測(cè)量是一種很好的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由以下4大模塊組成：中央處理器、電源電路、電壓極性轉(zhuǎn)換電路和顯示電路。

為了保證硬件電路設(shè)計(jì)的通用性，采用單級(jí)性電壓測(cè)量的方法，將輸入的雙極性電壓轉(zhuǎn)換成單級(jí)性電壓進(jìn)行測(cè)量。然后將轉(zhuǎn)換后的電壓送入單片機(jī)A/D模擬通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)在LCD液晶上顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓極性轉(zhuǎn)換電路

圖2 電壓極性轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Voltage polarity of transform circuit

從圖2的電路中可以得到，首先通過變壓器將220 V的交流電壓降成8 V的交流電壓，再經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換電路將雙極性的交流電壓轉(zhuǎn)換為單級(jí)性的交流電壓。電路中的R405電位器主要用于調(diào)節(jié)參考電壓，R404電位器用于調(diào)節(jié)交流輸入電壓的幅度。經(jīng)過上面電路的處理，可以將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成0～3 V的單級(jí)性交流電壓，這樣很容易使用MSP430單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行模擬量采集，從而實(shí)現(xiàn)交流電壓的測(cè)量。其中，極性轉(zhuǎn)換電路主要由放大電路實(shí)現(xiàn)，在此我采用MCP601放大芯片。

2.2 電源電路

用電池給系統(tǒng)供電，由于MSP430系列有內(nèi)置模擬電源和模擬地，所以要進(jìn)行模擬電源和數(shù)字電源的轉(zhuǎn)換，以便給芯片供電。然后將電池電源轉(zhuǎn)換為3 V左右的電源給系統(tǒng)供電。具體電路如圖3所示。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換、輸出顯示電路及JTAG接口電路

A/D轉(zhuǎn)換用到了模擬輸入通道A0，LCD顯示用到了S0至S20，使用4MUX模式。液晶所需要的模擬信號(hào)由外接的等值電阻產(chǎn)生。具體電路如圖4所示。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于交流采集，需要在1個(gè)工作周期內(nèi)采集40個(gè)點(diǎn)，即時(shí)間間隔為500 μs，時(shí)間間隔采用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。

圖4 A/D、LCD、JTAG 電路Fig.4 A/D、LCD、JTAG circuit

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

3.1 采樣、A/D轉(zhuǎn)換子程序

3.2 顯示子程序

4 測(cè)試結(jié)果分析

電路測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 電路測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of circuit

通過上述結(jié)果分析，測(cè)量較高值時(shí)測(cè)量精度有點(diǎn)低，誤差大。但數(shù)值小的時(shí)候測(cè)量精度很高。不足之處是本設(shè)計(jì)的外圍分壓電路是通過調(diào)節(jié)電位器來實(shí)現(xiàn)的分壓效果，實(shí)際電路受到電壓源等因素影響較大，這之間會(huì)因?yàn)殡妷褐档牟煌鹦Ч脡牡母淖儭?/p>

5 結(jié) 論

文中的程序通過MSP430開發(fā)工具IAR Embedded Workbench編譯、運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)室做成一個(gè)簡(jiǎn)易電路，并將程序下載到電路板上進(jìn)行運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)此電路可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量交流電壓的功能，但在精確度方面需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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