基于MSP430称重系统毕业设计文档格式.docx

1、电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛的应用于超市，物流配送中心，大中型商场。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的机械式称量工具。相比传统机械式称量工具，电子秤具有装机体积小，称量精度高，应用范围广，易于操作和使用等优点，在工作原理，外形布局，结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经AD转换电路转换为数字量并送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制显示外设，显示出称量数值。作为重量测量的仪器，智能电子秤在各行各业开始呈现其测量准确，测

2、量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统的机械杠杆测量秤，成为测量领域的主流产品。1.2 研究现状20世纪前期，我国的衡器制造业主要以杠杆原理的机械式为主，20世纪后期，我国的衡器不断发展，由过去的全机械式进入机电结合式，在几十年的发展和完善中，发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的检测试验手段和技术装备基本达到国际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。电子秤重技术从静态称重技术向动态称重技术发展；计量方法从模拟量向数字量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对动态称重和快速称重的研究与应用。就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工

3、业发达国家还有较大差距。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。众所周知，传统的量具是杆秤或盘秤，20世纪70年代开始出现电子秤。早期的电子秤多数通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展数字芯片价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子秤的设计也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显提高。由于小型商用电子秤运算不太复杂，所以用8位微处理器即可满足要求。电子秤重系统必须将多只传感器的输出进行计算，才能得到完整准确的称重结果。从20世纪70年代的模拟串联计算到80年代的模拟并联计算，计算技术的发展大幅

4、度即降低了电子秤的成本，又提高了可靠性和稳定性。但是，模拟并联计算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、电子秤四角偏差调试复杂无法对单个传感器进行检测等。目前，解决上述问题的最好方法是采用数字计算或数模混合计算。由于信号放大器成本的不断下降及AD转换器性能的大幅度提高，数字计算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势，引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。目前大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终称重值的，这样的系统一般使用12 bit至14 bit的AD模数转换器就很容易满足要求。然而，高精密检测的电子秤如果要

5、达到要求，那么ADC的精度需要接近于20 bit。1.3 论文主要内容和预期目标学习MSP430系列MSP430XF425单片机的使用，结合IAR编译器进行软件设计，设计一种称重系统用于测量量程在0500g物体的质量。利用传感器测量桥式电路的压差，采用差分放大电路放大压差信号，使其达到可使单片机识别的电压，通过单片机的处理并显示出来。 预期目标：正确的设计称重系统方案，编写程序实现要求的控制算法。设计完成一种具有响应快、精确度高、稳定性好的称重系统。1.4 论文组织结构具体章节安排如下：第1章介绍了本课题的研究背景、研究意义与研究现状，本论文的主要研究内容、所要解决的问题及最终所要实现的目标。

6、第2章概述了本课题部分知识的理论基础，对桥式传感器、模拟放大电路、液晶显示进行了介绍。重点学习了桥式传感器与模拟放大电路相结合的实现方法。通过对系统分析，选择系统的总体设计方案和各模块的设计方案。第3章介绍了称重系统模块的硬件设计，并对设计出的系统硬件电路进行了说明。第4章介绍了称重系统模块的软件设计，对程序流程设计进行了说明，并详细介绍了系统的软件设计。第5章对完成称重系统的制作，对系统进行调试并总结。2 称重系统总体方案设计2.1 称重系统基本工作原理称重系统的主要工作原理是：将应变片粘至金属力臂上侧，力臂上放置秤盘，重物放入秤盘时产生压力，使应变片发生形变从而产生电信号，信号经放大调理后

7、传至微控制器处理显示。称重系统主要包括：桥式应变传感器、放大电路、AD转换电路、单片机最小系统电路、显示电路和电源管理电路等部分，图2.1为系统设计总体方案框图。图2.1 系统设计总体方案框图2.2 称重系统模块方案设计 整个硬件系统由五大模块组成，下面以控制系统结构为依据就针对各模块做具体的方案设计。2.2.1 主控制器模块方案设计方案一：选用51系列单片机作为称重系统的主控制芯片，51系列单片机是8位微处理器，使用简单，价格低，但是本称重系统需要涉及到高速AD的数据处理，51系列单片机运算速度达不到系统的设计要求，所以不采用本方案。方案二：根据称重系统系统设计要求与主控制系统能完成的功能，

8、选用MSP430F425单片机。MSP430F425单片机是一款16位单片机，运算速度快，精度高，而且以MSP430F425单片机为主控制器的设计，可以更加容易使计算控制技术和测量技术结合在一起。故采用此方案。2.2.2 数据采集模块方案设计数据采集模块分为 3 个部分：称重传感器、电压放大器和 AD转换器。（1）称重传感器 称重传感器由以下方案可以选择：采用四片贴片电阻，自行搭建桥式电路。优点是成本低，但是由于贴片需要的精度不能保证，那么传感器的测量精度和稳定性也不能保证。故此方案不宜采用。选用平行式测重传感器LAA-H1，为全桥式电路形式。通过输出称量重物时产生的压差信号测量重物的大小。特

9、点是精度高、回零快、滞后小。适合小量贵重物品的测量和要求精度高的称量工具的制造。以上特点适用于本设计，故采用此方案。（2）电压放大器电压放大器的设计有以下几种方案可以采用：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。但是普通低温漂运算放大器所构成多级放大器会引入大量噪声。而AD转换器需要很高的精度，几毫伏大小的干扰信号就会直接影响到最后的测量精度。所以，此方案不宜采用。由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有增益高，高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放做成一个差动放大器。 实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度会有较大影响。方案三：采用专用的仪表放大器。此类芯片内部采用经

10、典的三运放改进设计。差模输入阻抗大，共模抑制比高，增益高，精度也非常好，外部接口简单，且放大器的增益通过改变一个外接电阻的阻值是可以改变的。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620作为称重系统的电压放大器。（3）AD 转换器按设计要求：电子秤最大称重为500g，重量误差不能大于1%0，精度要求为0.1g。同样也有以下几种方案采用：采用 8位逐次逼近式AD转换器ADC0809，在单片机外接AD转换器完成，模数转换的功能，但是由于称重系统的精度要求精度较高，ADC0809不能达到设计功能的要求，故不采用。选用MSP430单片机内部的AD模数转换器，转换器为16位高速

11、模数转换器，完全可以满足精度要求，而且SD16是单片机内部器件，稳定性好，故采用此方案。2.2.3 数据显示模块方案设计本设计只需要显示出所称实物的实际重量，如果采用LCD1602显示，成本较高，虽然可以显示更多信息，但是称重系统对此要求不高，所以不采用。而 LCD048 具有耗电省、成本低、亮度高、驱动简单、使用寿命长等优点，且在MSP430F425单片机中带有LCD048的硬件驱动，更易于使用单片机对其进行变成控制，所以选用LCD048显示。2.2.4 电源管理模块方案设计称重系统的供电系统需要多种电压，多种电压的需求就要求更加合理的电源系统设计。这里把电源设计成用220V的交流电经过变压

12、器后输出的12电压供驱动压力传感器使用，经整流滤波电路后， 通过电压转换芯片LM7805 转换为5V电压供液晶LCD使用，再通过电压转换芯片LM1117转换得到3.3V 电压，供MSP430F425单片机系统的其他芯片使用。多种电压的需求就要求更加合理的，电源系统设计。2.3 设计方案总结综上所述，称重系统以MSP430F425单片机作为控制器，压力检测传感器采用平行式称重传感器LAA-H1，信号放大采用精密仪表放大芯片AD620，采用低功耗LCD048显示屏。称重系统的设计量程为500g，分辨率为0.1g，可以实现精准测量。3 称重系统硬件设计3.1 MSP430单片机最小系统设计3.1.1

13、 MSP430单片机介绍MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：（1）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；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。（2）运算速度快MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。 16 位的数据宽度、125ns的指令周期以

14、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用6s。（3）功耗低MSP430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。（4）系统稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟 MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正

15、常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。（5）偏上外围模块丰富MSP430系列单片机的各成员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A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I 2 C 总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些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AD转换器； 16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较

16、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；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问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，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14 位硬件AD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I 2 C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（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。（6）开发

17、环境方便高效目前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在烧写或掩膜芯片；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。3.1.2 MSP430单片机接口电路设计MSP430单片机最小系统电路包括：晶振电路，复

18、位电路，JTAG仿真、调试接口电路。a晶振电路每个单片机系统里都有晶振，全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通

19、讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振电路如图3.1所示。图3.1 晶振电路b复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。本设计采用手动按钮复位，当人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+

20、5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。MSP430系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的触发器中。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。如图3.2所示为复位电路图。图3.2 复位电路cJTAG仿真、调试接口电路JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要

21、用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议,如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。相关JTAG引脚的定义为：TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。TI还定义了一种叫SBW-JTAG的接口，用来在引脚较少的芯片上通过最少的利用引脚实现JTAG接口，它只有两条线，SBWTCK，SBWT

22、DIO。实际使用时一般通过四条线连接，VCC，SBWTCK，SBTDIO，GND，这样就可以很方便的实现连接，又不会占用大量引脚。JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程,从而大大加快工程进度。JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。在硬件结构上，JTAG 接口包括两部分：JTAG 端口和控制器。与JTAG 接口兼容的器件可以是微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、PLD、CPL、FPGA、ASIC 或其它符合IEEE1149.1 规范的芯片。IEEE1149.1 标准中规定对应于数字集成

23、电路芯片的每个引脚都设有一个移位寄存单元，称为边界扫描单元BSC。它将JTAG 电路与内核逻辑电路联系起来，同时隔离内核逻辑电路和芯片引脚。由集成电路的所有边界扫描单元构成边界扫描寄存器BSR。边界扫描寄存器电路仅在进行JTAG 测试时有效，在集成电路正常工作时无效，不影响集成电路的功能。如图3.3为JTAG接口电路图。图3.3 JTAG接口电路图如图3.4所示为MSP430单片机最小系统原理图。图3.4 MSP430单片机最小系统原理图3.2 电源管理模块设计3.2.1 5V转换电路传感器需要12V电压供电，而LCD显示模块需要5V供电，这就需要将12V电压转换为5V电压。如图3.5 所示为

24、12V转5V转换电路。图3.5 12V转5V转换电路3.2.2 3.3V转换电路由于MSP430单片机使用3.3V电源供电，所以要将经过LM7805 转换得到的5V电压，再经LM1117将电压转换为3.3V。如图3.6所示为5V转3.3V转换电路图。图3.6 5V转3.3V转换电路图3.3 信号采集模块电路设计3.3.1 工作原理电阻应变式称重传感器是基于如下原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），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

25、力变换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重系统的主要部分。a电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。电阻应变片的重要参数是灵敏系数K。设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = L/S（） （3-1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作。对式（3-1）求全微分

26、，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： R = L/S + L/S SL/S2 （3-2） 用式（3-1）去除式（3-2）得到 R/R = / + L/L S/S （3-3） 另外，我们知道导线的横截面积S = r2，则 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （3-4） 从材料力学我们知道 r/r = -L/L （3-5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（3-4）（3-5）代入（3-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （3-6） 其中： K = 1 + 2 +（/）/（L/