1、金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY毕业教学环节成果题 目 基于 MSP430 单片机 的电子测重仪设计 学 院 信息工程学院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 金华职业技术学院毕业教学成果目 录摘要： .1英文摘要: .2引言 .31 单片机的发展 .42 电子测重仪的相关理论与技术 .52.1 MSP430 单片机的特点 .52.2 MSP430FW427 芯片 .62.2.1 MSP430FW427 的模数转换器 ADS1110.72.3 压力传感器 .82.3.1 压力传感器的选择 .83 系统硬件
2、设计 .93.1 电子测重仪系统的构成及工作原理 .93.2 电子秤系统压力传感器电路 .93.3 电子秤系统的显示电路 .103.4 电子测重仪系统的电源电路 .113.5 小结 .114 电子测重仪系统的软件设计 .124.1 电子测重仪系统的程序总流程图 .124.2 初始化程序流程图 .124.3 压力传感器程序流程图 .134.4 小结 .13结论 .14致谢 .15参考文献 .16附件 1程序清单 .17附件 2硬件电路图 .23理工类- 1 -基于MSP430单片机的电子测重仪设计信息工程学院应用电子技术专业 摘要：随着生活的快速发展，人们对重量这个词使用率越来越高目前，大到航空
3、航天小到商场家庭，为了准确快捷的测量出物体的重量，人们对测重仪器的要求也不断地提高，由原来的机械称发展到现在电子侧重仪。而电子测重仪的使用非常普及，逐渐会取代传统的机械称。由压力传感器制作的电子测重仪已广泛地应用到各行各业, 特别是微处理机的出现，工业生产过程自动化程度的不断提高，压力传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。本文介绍了一种以MSP430单片机微处理器最小系统，并配以几个主要的集成电路器件设计成的电子测重仪。本系统是利用压力传感器采集当前压力，准确快速的计算出物品重量并显示到LED上。关键词：压力传感器 测重仪 单片机- 2 -MSP430 microcontroller bas
4、ed 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 sho
5、pping 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 g
6、radually 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 proces
7、s 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
8、 calculate the weight of items and displays to LED digital tube.Keywords: pressure sensor, The test apparatus, microcontroller- 3 -引言随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。单片机技术的出现给工业测控领域带来了一次新的技术革命。随着单片机技术的不断提高，功能不断完善，使其应用日趋成熟，应用领域日趋扩大。目前，台式电子测重仪在日常生活中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要
9、工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的投放市场。基于电子测重仪的现状，本课题拟研究一种用MSP430单片机控制的电子测重仪设计方案。这种电子测重仪体积小、测量准确、携带方便，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合
10、式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。- 4 -1 单片机的发展单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片
11、,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。还有它的体积小、质量轻、价格便宜、而且它低电压，低功耗，便于生产便携式产品，因此为学习、应用和开发提供了便利的条件。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实
12、时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更高级的还有自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等等。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改
13、变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了，因此单片机的学习、开发与应用是十分重要的。- 5 -2 电子测重仪的相关理论与技术2.1 MSP430 单片机的特点处理能力强：MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快：MSP430 系列单片机能在25MHz晶体
14、的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法，如FFT等。 超 低 功 耗 ： 首 先 ， MSP430 系 列 单 片 机 的 电 源 电 压 采 用 的 是 1.8-3.6V 电 压 。 因 而 可 使 其 在 1MHz 的 时 钟 条 件 下 运 行 时 ， 芯 片 的 电 流 最 低 会 在165 A左 右 ， RAM 保 持 模 式 下 的 最 低 功 耗 只 有 0.1 A。 其 次 ， 独 特 的 时 钟系 统 设 计 。 在 MSP430 系 列 中 有 两 个 不 同 的 时
15、 钟 系 统 ： 基 本 时 钟 系 统 、 锁 频环 （ FLL 和 FLL+） 时 钟 系 统 和 DCO数 字 振 荡 器 时 钟 系 统 。 可 以 只 使 用 一 个 晶体 振 荡 器 （ 32768HZ） ， 也 可 以 使 用 两 个 晶 体 振 荡 器 。 由 系 统 时 钟 系 统 产 生 CPU 和 各 功 能 所 需 的 时 钟 。 并 且 这 些 时 钟 可 以 在 指 令 的 控 制 下 ， 打 开 和 关 闭 ，从 而 实 现 对 总 体 功 耗 的 控 制 。 在 系 统 中 共 有 一 种 活 动 模 式 （ AM） 和 五 种 低功 耗 模 式 （ LPM0L
16、PM4） 。 在 实 时 时 钟 模 式 下 ， 可 达 2.5 A ， 在 RAM 保 持模 式 下 ， 最 低 可 达 0.1 A 。片内资源丰富：M SP430 系 列 单 片 机 的 各 系 列 都 集 成 了 较 丰 富 的 片 内 外 设 。它 们 分 别 是 看 门 狗 （ WDT） 、 模 拟 比 较 器 A、 定 时 器 A0（ TIMER_A0） 、 定 时器 A1（ TIMER_A1） 、 定 时 器 B0（ TIMER_B0） 、 UART、 SPI、 I2C、 硬 件 乘 法器 、 液 晶 驱 动 器 、 10位 /12位 ADC、 16位 - ADC、 DMA、 I
17、/O端 口 、 基 本 定时 器 （ BASIC TIMER） 、 实 时 时 钟 （ RTC） 和 USB控 制 器 等 若 干 外 围 模 块 的 不同 组 合 。 其 中 ， 看 门 狗 可 以 使 程 序 失 控 时 迅 速 复 位 ； 模 拟 比 较 器 进 行 模 拟 电压 的 比 较 ， 配 合 定 时 器 ， 可 设 计 出 A/D 转 换 器 ； 16 位 定 时 器 （ TIMER_A 和 TIMER_B） 具 有 捕 获 /比 较 功 能 ， 大 量 的 捕 获 /比 较 寄 存 器 ， 可 用 于 事 件计 数 、 时 序 发 生 、 PWM 等 ； 有 的 器 件 更
18、 具 有 可 实 现 异 步 、 同 步 及 多 址 访 问- 6 -串 行 通 信 接 口 可 方 便 的 实 现 多 机 通 信 等 应 用 ； 具 有 较 多 的 I/O 端 口 ，P0、 P1、 P2 端 口 能 够 接 收 外 部 上 升 沿 或 下 降 沿 的 中 断 输 入 ； 10/12位 硬 件 A/D 转 换 器 有 较 高 的 转 换 速 率 ， 最 高 可 达 200KBPS ， 能 够 满 足 大 多 数 数 据采 集 应 用 ； 能 直 接 驱 动 液 晶 多 达 160 段 ； 实 现 两 路 的 12 位 D/A 转 换 ；硬 件 I2C串 行 总 线 接 口
19、实 现 存 储 器 串 行 扩 展 ； 以 及 为 了 增 加 数 据 传 输 速 度 ，而 采 用 的 DMA模 块 。 MSP430 系 列 单 片 机 的 这 些 片 内 外 设 为 系 统 的 单 片 解 决 方案 提 供 了 极 大 的 方 便 。方便高效的开发环境：MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿 真 器 开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程
20、序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编 程 器 。开发语言有汇编语言和 C 语言。2.2 MSP430FW427 芯片MSP430系列单片机是美国德州仪器( T I ) 推出的一款1 6 位超低功耗的混合信号处理器，其在我国推出的时间也已经很久了，它以低功耗著称，并且将许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，因此一经推出便在我国得到迅速推广。针对目前普遍使用的51系列单片机局限性，为了很好地满足控制器的准确性、精确性的要求，采取了一系
21、列措施。首先，考虑系统所接的外部模块比较多，需要的I/O 口比较多，一般的8 位单片机是不够用的所以考虑选择8 位以上的单片机，再者32 位的单片机功能又太过了，不仅I/O 口比较多，而且好多集成的资源用不上都会浪费，所以考虑使用16 位的单片机，而16 位单片机中的TI 公司MSP430 系列的较为成熟，适用于在仪表仪器中使用，而且用在本系统中也正好合适，其次该控制器本身部分集成了12 位的A/D 转换器进行高精度转换，并可采用软件配置采样通道，确定采样序列，保存采样结果。用于本系统中进行采样也比较合适，再次考虑控制器对功能性接口要求较高，而且存在- 7 -较大数量的计算任务。基于以上的考虑
22、，选择了性价比比较高的MSP430FW427 单片机。图2-1 MSP430FW427的图2.2.1 MSP430FW427 的模数转换器 ADS1110MSP430FW427内嵌模数转换器模块，其采样频率为每通道200kb/s，可以对生物、机械等传感器给出的模拟量进行AD转换。内置的模数转换器又由带有采样和保持的ADC内核、参考电压发生器、转换时钟的选择和控制电路、采样与转换时序控制电路4部分组成。采样系统中数模转换速度与转换时钟有密切关系,利用msp430fw427单片机通用IO口模拟I2C总线扩展16位A/D转换器ads1110完成数据采集工作，并把采集到的数据显示到显示缓冲区。对于要求
23、精确的转化，则需要稳定的转换时钟信号，因此使用由晶体产生的时钟信号。为了得到正确可靠的转换，模拟输入信号必须在采样期间保持稳定，在整个采样与转换期间，不允许有相邻的其他通道引脚有数字信号活跃，这样可减少对模拟信号转换的干扰，以得到正确的结- 8 -果。该程序可以测量的电压误差为0.001V,精度高。MSP430FW427内置模数转换器有4种转换模式：单通道单次转换、单通道多次转换、多通道单次转换、多通道多次转换。图2-2 ADS11102.3 压力传感器2.3.1 压力传感器的选择压力传感器又称荷重传感器，考虑到使用地点的重力加速度（g）和空气浮力（f）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转
24、换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。压力传感器由敏感元件、转换元件、后续处理部分组成，压力传感器一般应用应变片来实现压力的测量，应变片的制造原理是依据桥式电路，当在桥臂上的电阻满足这样的条件：R1R3=R2R4时电桥平衡，则输出的电压为零，当电阻由变化的时候，电桥不平衡，有一定的电压输出。可分为单臂电桥、双臂电桥、全臂电桥，其输出的电压与电阻的变化量成近似的线性变化。应变片是很薄的薄片，上表面镶嵌两个有电阻丝制成的电阻，同时下表面也有两个同样的电阻，在连接上形成桥式电路，当应变片上没有压力是，输出的电压为零，当有压力作用时，上边的电阻变大，下面的电阻变小，电桥不平恒，而且是相同的电阻丝，其电阻的变化量相同，输出的电压与电阻的变化量成线性关系，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。这样就可以测量出压力的大小。本设计中称重范围定为999.9g，测量精确到0.1g，考虑到秤台自重、振动
