基于MSP430單片機(jī)的多功能數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)

摘 要：本文全面、深入、系統(tǒng)地介紹了數(shù)字萬用表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。設(shè)計(jì)中采用了美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)芯片MSP430F149。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由MSP430F149外加一些外圍元件構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示，然后再與參數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連。文章主要介紹了MSP430F149的性能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輸入輸出數(shù)據(jù)及一些功能和原理。整個(gè)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)包括處理器、外部設(shè)備元件的選擇、參數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及電源設(shè)計(jì)，而軟件設(shè)計(jì)則主要是實(shí)現(xiàn)儀表的各功能的控制。

關(guān)鍵詞：數(shù)字萬用表 MSP430F149 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（b）-0041-02

1 數(shù)字萬用表的工作原理

數(shù)字萬用表的最基本功能是測(cè)量直流電壓、直流電流、交流電壓、電阻、溫度、電容及頻率，其基本組成見圖1。

通過功能量程的選擇把被測(cè)物理量連接到相應(yīng)的參數(shù)轉(zhuǎn)換電路上，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換成電壓或頻率使單片機(jī)能夠直接測(cè)量，單片機(jī)通過撥位開關(guān)得到被測(cè)物理量的類型，再通過cpu計(jì)算出被測(cè)物理量的大小，然后控制液晶顯示測(cè)量結(jié)果。

2 MSP430F149芯片簡(jiǎn)介

MSP430F149單片機(jī)是美國(guó)TI公司推出的16位高性能單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)資源，包括時(shí)鐘模塊、捕獲/比較模塊、Flash模塊、看門狗定時(shí)器模塊、定時(shí)器模塊、以及通用I/O口模塊等。

3 參數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3.1 直流電壓測(cè)量電路

直流電壓電路如圖2所示，可選擇3個(gè)檔位0～3V，0～30V，0～300V。通過電阻分壓把被測(cè)電壓調(diào)整到AD的量程（0～3.3V）內(nèi)。本設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換使用單片機(jī)片內(nèi)集成AD，AD參考電壓為3.3V。圖中1M電阻和104電容組成低通濾波器可以濾除表筆與被測(cè)物體接觸時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)和空間的電磁干擾使得測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定[1]。

電阻計(jì)算：由于電壓表要求接到電路上時(shí)對(duì)電路的電壓影響要下，所以輸入阻抗越大越好，本設(shè)計(jì)選擇輸入阻抗Ro=10M。

3.2 直流電流測(cè)量電路

測(cè)量電流的原理是根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)電流Ii=Ui/R，Ui=IiR。從圖3可以看出，測(cè)量電路圖中有2A保險(xiǎn)絲管，電流過大時(shí)會(huì)快速熔斷，起過流保護(hù)作用，由于測(cè)量電流是可能會(huì)有大電流通過采樣電阻所以要考慮采樣電阻的功率，所以R4采用1W的電阻，R3、R2采用2W的繞線電阻。圖中1M電阻和104電容組成低通濾波器可以濾除表筆與被測(cè)物體接觸時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)和空間的電磁干擾使得測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定[2]。

各檔分流電阻的阻值是這樣計(jì)算的，先計(jì)算最大電流檔的分流電阻R4，，再計(jì)算下一檔的R3，，依次可計(jì)算出R2和R1。

3.3 電阻測(cè)量電路

數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測(cè)量法，其電阻測(cè)量電路見圖4。由穩(wěn)壓芯片提供測(cè)量基準(zhǔn)電壓3.3V，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻Ro和被測(cè)電阻Rx的電流基本相等，數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計(jì)，圖中1M電阻和104電容組成低通濾波器可以濾除表筆與被測(cè)物體接觸時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)和空間的電磁干擾使得測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定。A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量電壓和測(cè)量基準(zhǔn)電壓具有如下關(guān)系：即：。

電阻計(jì)算：當(dāng)被測(cè)電阻阻值在200Ω以下是用100Ω的電阻做分壓電阻，；

以此類推…

可計(jì)算出。

3.4 交流電壓測(cè)量電路

交流電壓測(cè)量是通過二極管1N4007把被測(cè)電壓進(jìn)行半波整流，再通過分壓電阻把電壓降低，再通過電阻和電容組成低通濾波器濾成直流，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化成數(shù)字值，再經(jīng)過cpu計(jì)算出電壓有效值，由于1N4007是普通整流二極管，反向恢復(fù)速度較慢所以不能測(cè)量高頻交流電壓[3]。

電阻計(jì)算：為了使200V檔的分壓比為100左右所以R1取9k；750V檔的分壓比為300所以R2取3k；（圖5）

3.5 溫度測(cè)量電路

（1）LM35簡(jiǎn)述

LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此，LM35比按絕對(duì)溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器優(yōu)越感得多。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng)，使用極為方便。靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4～0.8℃（-55～+150℃溫度范圍內(nèi)），重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡(jiǎn)單和方便，可單電源和正負(fù)電源工作[4]。（圖6）

（2）應(yīng)用電路

3.6 頻率和電容測(cè)量電路

（1）頻率測(cè)量

頻率測(cè)量主要是軟件設(shè)計(jì)，單片機(jī)I/O口有電平判決功能，所以無論是，正弦波、三角波、還是鋸齒波，只需把被測(cè)信號(hào)接到單片機(jī)I/O口上就可以測(cè)量，為了防止被測(cè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力過強(qiáng)損壞單片機(jī)，在被測(cè)信號(hào)與單片機(jī)之間接上27k電阻防止電流過大。軟件設(shè)置I/O口下降沿中斷，每來一個(gè)下降沿計(jì)數(shù)加1，再用定時(shí)器B定時(shí)1秒，每次定時(shí)中斷時(shí)讀出計(jì)數(shù)結(jié)果并且清零計(jì)數(shù)。

（2）電容測(cè)量電路

電容測(cè)量是把電容轉(zhuǎn)化成頻率再測(cè)量頻率來算出電容大小，電容頻率變換電路利用lf356高速放大器和電阻電容產(chǎn)生自激振蕩，頻率。電容頻率變換電路如圖7所示。其中R為圖中R1，R2或R3。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中單片機(jī)測(cè)量頻率不能高于20kHz，所以要根據(jù)上面公式計(jì)算出各個(gè)電容檔對(duì)應(yīng)的電阻，使得振蕩產(chǎn)生的頻率在單片機(jī)測(cè)量范圍內(nèi)。例如：當(dāng)測(cè)量nf級(jí)電容式對(duì)應(yīng)電阻為27k時(shí)，產(chǎn)生的頻率范圍是168Hz～16.8kHz，滿足頻率測(cè)量范圍。

4 系統(tǒng)軟件流程

軟件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中最難的部分，它需要把所有的功能綜合在一起，由于本設(shè)計(jì)的功能比較多，要讓多種測(cè)量方式之間能正常轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置多種中斷，要控制各種中斷的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，軟件設(shè)計(jì)包括，AD轉(zhuǎn)換，測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換，LCD顯示驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)總體流程圖如圖8所示，系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)行LCD初始化，ADC初始化，定時(shí)器初始化，I/O口中斷初始化，開總中斷，然后根據(jù)按鍵的輸入狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)處理。

5 結(jié)語

本論文結(jié)合數(shù)字萬用表項(xiàng)目，主要論述了各種物理量的測(cè)量原理、硬件和軟件的設(shè)計(jì)等。選用了具有較大的片內(nèi)存儲(chǔ)空間的高性能16位微處理器MSP430F149作為控制核心，利用片內(nèi)高速12位AD轉(zhuǎn)換器做AD轉(zhuǎn)換，利用撥位開關(guān)選擇測(cè)量物理量，利用LCD作靜態(tài)顯示。本文所討論的數(shù)字萬用表著眼于低硬件成本、高穩(wěn)定可靠性、使用方便。具有極高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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