基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计毕业设计论文Word文件下载.docx
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目录ii
长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书iii
毕业设计（论文）开题报告v
【摘要】xv
【Abstract】xvi
任务书
学院（系）专业班级
学生姓名指导教师/职称
1.设计（论文）题目：
《基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计》
2．毕业设计（论文）起止时间：
2008年10月8日～2008年6月15日
3．毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）
参考书：
1）万方数据库中有关MSP430F169的16位单片机方面的知识；
2）德州仪器TI公司有关MSP430F169方面的有关资料；
3）《MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例》魏小龙著北京航空航天大学出版社；
4）网路上有关MSP430单片机设计方面的资料，比如MSP430与5V器件的连接，MSP430晶振布局要领等等；
5）《PROTEL入门与提高》电子工业出版社
4．毕业设计（论文）应完成的主要内容
1）掌握并阐述低功耗16位MSP430单片机的I/O、定时器、数据存储器方面的知识；
2）设计以MSP430为核心的最小系统原理图，即该系统应该包括那几个部分；
3）利用PROTEL软件画出以上框图中各个部分的详细硬件原理图，文字说明设计的整个过程；
4）能够基本掌握单片机的编程、调试等过程；
5．毕业设计（论文）的目标及具体要求
1）按照学院的有关要求写出论文；
2）在该毕业设计过程中，需要画出以MSP430F169单片机为核心的最小系统原理图；
3）以上设计的整个过程需要在毕业论文的各个章节中体现出来；
4）掌握单片机的调试及设计的整个过程；
5）以上原理图的绘制需要在PROTELL99SE软件中进行实现，即学会使用电路板的制作软件。
6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求
该毕业设计需要上机学时数为80学时。
其它条件指导老师可以协调来提供。
要查阅资料必须借助学校图书馆和长江大学维普网站、万方数据库以及和相关导师的指导。
任务书批准日期年月日教研室（系）主任（签字）
任务书下达日期年月日指导教师（签字）
完成任务日期年月日学生（签名）
毕业设计（论文）开题报告
题目名称:
题目类型:
院（系）:
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
辅导教师:
开题报告日期:
学生：
王能工程技术学院
指导教师：
蔡昌新电信学院
一、题目来源
实验室建设
二、研究的目的和意义
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入。
同时随着科学技术的提高和成熟，在各个工程设计中对单片机也提出了更高的要求。
如运算速度，功耗及开发的成本和手段等方面。
然而，MSP430系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系统中一颗耀眼的新星，受到国内广大科技人员的欢迎。
本题《基于16位单片机MSP430F169的数据采集系统设计》就是应用美国TI公司生产的MSP430F169单片机。
本系统采用的MSP430单片机设计的最小系统制成的PCB板可以运用到实验室的设备建设，方便开发人员对MSP430单片机的学习。
三、阅读的主要参考文献及资料名称
[1]沈建华，杨艳琴编著.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计.利达尔策划
[2]沈建华，杨艳琴编著.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.利达尔策划
[3]秦龙编著.MSP430单片机长用模块与综合系统实例精讲.电子工业出版社
[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京:
北京航空天大学出版社，2002.
[5]颜永军.Protel99电路设计与应用.北京:
国防上业出版社，2001.
[6]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发.北京:
北京航空航天大学出版社，2003.1
[7]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机.北京:
北京航空航天大学出版社，2001.11
四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向
国内外发展趋势：
我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。
1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。
截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。
与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现以风靡电子界，在2003年7月，（91猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。
一块小小的片子，为何有这样的魔力？
我们首先从它的构成说起：
单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。
它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？
纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。
这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。
所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。
据统计，我国的单片机年容量已达1-3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。
所以，学习单片机在我国是有着广阔的前景。
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MSP430系列单片机以其优越的性能、及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
目前，可用于MSP430系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。
单片机最小系统是在以MSP430单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于各种系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高系统的性能技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
MSP430系列单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
主攻方向：
本课题设计主要在MSP430单片机上，扩展键盘显示接口，晶振的布局，电压转换电路，A/D，D/A转换和电平转换电路以及复位电路的设计。
通过软硬件的设计最终制成PCB板，丰富实验室的建设，方便学校学生对该单片机的学习和应用。
五、主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路
本系统的主要设计框图如下图一：
图一、16位单片机MSP430F169的数据采集系统
（一）具有上电复位功能
由于MSP430具有极低的功耗，如果系统断电后立即上电，系统中电容所存储的电荷来不及释放，此时系统电压不会下降到最低复位电压，因而MSP430不会产生上电复位，同时RET/NMI管脚也没有足够的电平使MSP430复位，这样系统断电后立即上电，MSP430并没有被复位。
为解决这个问题，可在本系统中增加一个二极管，这样断电后存储在复位电容中的电荷就可以通过二极管释放，从而加速电容放电，二极管的型号可取IN4008。
（二）MSP4303V到5V的接口电路
MSP430的供给电压是3V，本系统中有5V的逻辑器件和数字器件在使用，即本系统中存在不同电源电压逻辑器件的接口问题，具体存在如下三个问题：
第一是加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题;
第二是两个电源间电流的互串问题;
第三是必须满足的输入转换门限电平问题。
器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。
这些引脚有二极管或分离元件接到Vcc。
如果接入的电压过高,电流将会通过二极管或分离元件流向电源。
这些情况将引起数据丢失和元件损坏，另外用5V的器件来驱动3V的器件有很多不同情况,各种电路间的转换电平也存在不同情况。
驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并要有足够的容限保证不损坏电路元件。
先罗列一些解决办法：
输入接口：
（1）分压电阻输入接口；
将MSP430和电阻分压来实现；
（2）晶体管输入接口；
（3）运算放大器输入接口；
（4）ULN2003A输入接口；
（5）集成电路输入接口；
（6）模拟输入接口；
输出接口：
（1）晶体管输出接口；
（2）集成电路输出接口；
另外，专用的电平转换器如SN74LVC4245可以用作双向I/O接口，它是一个8Bit宽度的电平转换器，可以将一个完整的MSP430I/O端口转换为5V。
，
（三）键盘电路，显示功能
为了便于人员操作，使仪器系统有良好的人机交互界面，本系统对MSP430进行了LCD液晶显示器及4×
4结构矩阵式键盘扩展设计。
（四）单片机与PC机的串口通信设计
本系统采用了MAX3221EAE（3.3V）和5个0.1μf的电解电容。
而未采用MAX232（5V）。
串口电平转换电路如下图二所示。
图二、串口电平转换电路原理图
（五）对所设计的电路系统进行安装和调试
（六）软件的编写用C语言实现
六、完成毕业设计所必须具备的条件及解决方法
工具书，实验设备和实验环境，计算机一台，相关实验元器件。
七、工作的主要阶段、进度与时间安排
八、指导教师审查意见
学生：
指导老师：
【摘要】
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSigna1Proessor），为电池供电测量应用提供了最终解决方案。
作为混合信号和数字技术的领导者，TI创新生产的MSP430，使系统设计人员能够在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、数字组件和传感器。
本系统以MSP430单片机为核心，用点阵式液晶显示芯片LCD12864完成液晶显示功能，用TPS76330作为电源转换芯片来为MSP430单片机提供电源3.3V，采用4×
4矩阵键盘作为人机交互接口，在模拟信号采集和输出模块中运用TI公司生产的OPA333零漂移运算放大器，产品实现了高精度、微功耗以及微小型封装的完美组合，对模拟信号进行前置滤波放大，减小无用信号的干扰，提高了稳定性。
本系统设有仿真器接口即JTAG接口，方便对系统进行在线编程。
本系统采用MAX3221EAE（3.3V）或SP3220作为串口芯片来完成单片机与PC机的串口通信，使用Protel99SE完成硬件电路的设计，使用IAREmbeddedWorkbench3.41设计各个模块的C语言程序。
本系统不仅可以用于实验室的建设，方便电子爱好者对MSP430单片机的学习，还可以作为开发板，为电子技术人员提供一个很好的开发平台，提高对电子仪器仪表的开发的可能性。
【关键字】：
MSP430单片机，OPA333，JTAG仿真器，MAX3221EAE（SP3220）串口芯片，TPS76330。
MSP430F169-basedsingle-chip16-bitdataacquisitionsystemdesign
【Abstract】
TheMSP430MCUispushedtowardmarketin1996ofakindof16ultra-low-powermixedsignalprocessorbytheTexasInstrument（TI），whichprovidestheultimatesolutionforbattery-poweredmeasurementapplications.Usingleadershipinbothmixed-signalanddigitaltechnologies,TIhascreatedtheMSP430whichenablessystemdesignerstosimultaneouslyinterfacetoanalogsignals,sensorsanddigitalcomponentswhilemaintainingunmatchedlowpower.
ThecorepartofthissystemisaMSP430single-chipcomputer.ItusesLCD12864tocompletefunctionofdisplay.TPS76330isusedasapower-conversionchipforMSP430MCUtoprovidepower（3.3V）.Ituses4×
4matrixkeyboardasinteractiveinterface.Intheanalogsignalacquisitionandoutputmodule,thissystemusestheproductionofTI'
sOPA333whichiszerodriftoperationalamplifier.OPA333iscombinedwithhigh-precisionproduct,micro-powerconsumptionandsmallpackage.OPA333enlargesanalogsignalandreducesunwantedsignalinterferenceimprovingthestability.ThesimulationofthesysteminterfaceisJTAGinterface.ItisConvenienttoprogramon-line.ThesystemusesMAX3221EAE（3.3V）asaserialchiptocompletetheMCUandPC'
sserialcommunication.ThesystemusesProtel99SEtofinishthedesignofthehardwarecircuitandusesIAREmbedbedWorkbench3.14todesignClanguageforallmodules.
ThissystemnotonlycanbeusedfortheconstructionofthelaboratoryforE-loverstolearnMSP430MCUeasily,butalsocanbeusedasdevelopmentboardwhichprovideagooddevelopmentplatformforelectronictechnologystaff.Itenhancesthepossibilityofthedevelopmentofelectronicinstrumentation.
【Keywords】MSP430MCU,OPA333,JTAGEmulator,MAX3221EAE（SP3220）serialchip,TPS763
1绪论
单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改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。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。
在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，以便提高产品质量、降低成本提供信息和手段。
在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬态物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一，它将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力。
在单片机家族的众多成员中，虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。
MSP430系列单片机以高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
本文的设计正是以MSP430这一高性能单片机为核心，设计具有低噪声与高可靠性，电路简单，高性能化，低功耗、低电压的开发板，便于学校学生以及初学者对此单片机的学习和应用，丰富实验室的建设。
1.1单片机的研究现状和发展趋势
单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。
综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。
单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：
（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。
（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。
既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。
（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善，特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。
（4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。
预计其今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：
①微控制器的CPU核仍以CISA为主,但向RISA演化；
②提升指令执行速度；
③集成大容量片上FLASH存储器,实现ISP、IAP；
近几年,位徽控制器竞相采用FLASH存储器,这已成趋势。
因为它集成密度高、价格便宜、技术先进可以取代PROM、EPROM、OTP和EEPROM等。
④普遮使用混合信号（数字一模拟）相混合集成技术；
用CMOS工艺将数字和模拟电路集成于同一个片上的技术已经成熟,有力地削减了片外的附加器件,提高了性能和缩短了产品上市时间。
如片上集成12位A/D、上电复位/掉电检测、捕捉/比较、锁相环、8*8硬件乘法器,以及USB、CAN总线接口等。
⑤增加可联网的外设接口；
⑥追求低电压、低功耗、低价位、LPG（少腿芯片）；
降低工作电压无疑可以成平方地降低功耗。
所以开始出现多电压供电的微控制器,CPU部分工作于1.5V至2.5V,而I/O口工作于3.3V到5V。
为实现低功耗,应尽可能多地将片外器件集成于同一个片上,这样便于一同暂停、一同休眠或部分运行。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势发展，将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压低功耗。
1.2MSP430单片机的性能简介
在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125us的指令周期。
16位的数据宽度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。
当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6us。
其主要特性如下：
1、超低功耗：
MSP430系列单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
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，芯片的电流会在0.1-400uA之间。
其次，独特的系统时钟系统的设计。
在MSP430系列中有两种不同的系统时钟系统：
基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统。
有的使用一个晶体振荡器（32768Hz），有的使用两个晶体振荡器（一个为32768Hz，另一个为高频振荡器）。
由系统时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟。
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。
由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著不同。
在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0-LPM4）。
在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电
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