基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤稒z測儀設(shè)計說明

1、 PAGE37 / NUMPAGES46目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358837533設(shè)計總說明 PAGEREF _Toc358837533 h IHYPERLINK l _Toc358837534Introduction PAGEREF _Toc358837534 h IIIHYPERLINK l _Toc3588375351 緒論 PAGEREF _Toc358837535 h 1HYPERLINK l _Toc3588375361.1 課題背景與研究意義 PAGEREF _Toc358837536 h 1HYPERLINK l _Toc35883

2、75371.2 主要研究容與結(jié)構(gòu)安排 PAGEREF _Toc358837537 h 1HYPERLINK l _Toc3588375382 燃?xì)庑孤z測儀系統(tǒng)構(gòu)成框圖 PAGEREF _Toc358837538 h 3HYPERLINK l _Toc3588375392.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 PAGEREF _Toc358837539 h 3HYPERLINK l _Toc3588375402.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成方案與論證 PAGEREF _Toc358837540 h 3HYPERLINK l _Toc3588375412.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 PAGEREF _Toc358837541 h 4

3、HYPERLINK l _Toc3588375423 燃?xì)庑孤z測儀硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc358837542 h 5HYPERLINK l _Toc3588375433.1 MCU核心模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc358837543 h 5HYPERLINK l _Toc3588375443.1.1 MSP430系列單片機(jī)發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc358837544 h 5HYPERLINK l _Toc3588375453.1.2 MSP430系列單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 PAGEREF _Toc358837545 h 5HYPERLINK l _Toc3588375463.

4、1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹 PAGEREF _Toc358837546 h 6HYPERLINK l _Toc3588375473.1.4 單片機(jī)的選型 PAGEREF _Toc358837547 h 9HYPERLINK l _Toc3588375483.1.5 單片機(jī)外圍電路設(shè)計 PAGEREF _Toc358837548 h 11HYPERLINK l _Toc3588375493.2 采集模塊硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc358837549 h 11HYPERLINK l _Toc3588375503.3串口模塊硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc358837550 h 13HYPE

5、RLINK l _Toc3588375513.4 雙電源供電模塊硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc358837551 h 15HYPERLINK l _Toc3588375523.4.1 雙12V穩(wěn)壓電源設(shè)計 PAGEREF _Toc358837552 h 15HYPERLINK l _Toc3588375533.4.2 3.3V電源設(shè)計 PAGEREF _Toc358837553 h 16HYPERLINK l _Toc3588375543.5 LCD液晶顯示模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc358837554 h 18HYPERLINK l _Toc3588375553.6 本章小結(jié) PA

6、GEREF _Toc358837555 h 21HYPERLINK l _Toc3588375564 燃?xì)庑孤z測儀軟件設(shè)計與實現(xiàn) PAGEREF _Toc358837556 h 22HYPERLINK l _Toc3588375574.1總程序流程圖 PAGEREF _Toc358837557 h 22HYPERLINK l _Toc3588375584.2顯示模塊軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc358837558 h 22HYPERLINK l _Toc3588375594.3顯示模塊軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc358837559 h 28HYPERLINK l _Toc35883

7、75604.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358837560 h 29HYPERLINK l _Toc3588375615 硬件的安裝與調(diào)試 PAGEREF _Toc358837561 h 30HYPERLINK l _Toc3588375625.1 PCB版的設(shè)計 PAGEREF _Toc358837562 h 30HYPERLINK l _Toc3588375635.2 PCB板的調(diào)試 PAGEREF _Toc358837563 h 32HYPERLINK l _Toc3588375645.3 PCB板的焊接 PAGEREF _Toc358837564 h 33HYPERLINK

8、l _Toc3588375656 結(jié)論 PAGEREF _Toc358837565 h 35HYPERLINK l _Toc358837566參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358837566 h 36HYPERLINK l _Toc358837567附錄 PAGEREF _Toc358837567 h 37HYPERLINK l _Toc358837568致 PAGEREF _Toc358837568 h 38基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤z測儀設(shè)計設(shè)計總說明燃?xì)猬F(xiàn)已成為人們生活中必不可少的能源，液化氣、天然氣等作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用。但是隨著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，由于燃?xì)庑孤?/p>

9、所引發(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)等事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。燃?xì)馐褂脝挝慌c居民用戶選擇一種適合的燃?xì)鈭缶b置成為必要之舉。基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤z測儀，是一種適合家庭使用的小型燃?xì)獍踩喇a(chǎn)品。能有效避免因燃?xì)庑孤抖鸬谋ā⒒馂?zāi)、中毒等惡性事故發(fā)生，在全世界大部分國家地區(qū)廣泛應(yīng)用。基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤z測儀是燃?xì)忸I(lǐng)域的安全衛(wèi)士，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤?，它能與時提醒用戶，避免各類中毒事故的釀成。在一些發(fā)達(dá)國家中都大力推廣甚至強(qiáng)制安裝燃?xì)鈭缶?，如日本東京和大阪、國漢城、德國漢堡等城市，目前有80以上的居民家庭安裝各類基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤z測儀。同樣，在國一些城市，如、等城市

10、，針對燃?xì)庵卸臼鹿式佣B三地發(fā)生，果斷采取措施。據(jù)1998年資料顯示，每年與液化石油氣有關(guān)的事故僅發(fā)生75起，而城市燃?xì)夤艿烙脩舭l(fā)生事故率更低，家用燃?xì)鈭缶髟谌毡景l(fā)展30年來, 日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報警器的使用，使燃?xì)庑孤┖捅ǖ仁鹿实氖鹿事蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家，基于單片機(jī)的燃?xì)庑孤z測儀已成為家庭生活的必需品。本課題設(shè)計一款燃?xì)庑孤z測器，監(jiān)控燃?xì)庠钍欠裼行孤┈F(xiàn)象，并根據(jù)燃?xì)庑孤┝髁看笮?，?dāng)燃?xì)庑孤┲党^安全標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)進(jìn)行報警，顯示煤氣是否有異?，F(xiàn)象，并發(fā)出同步信號控制電磁閥切斷氣源。本設(shè)計以功耗小的單片機(jī)為核心器件，通過采集流量脈沖信號輸入給單片機(jī)，通過軟件程序來判斷是否在合理

11、的流量圍之，當(dāng)超出正常值時，控制單元MCU會給出相應(yīng)的控制，驅(qū)動進(jìn)行報警信號，同時液晶顯示出當(dāng)前累積流量與每個灶的開關(guān)狀態(tài)。同時，本設(shè)計還會配合DTU、串口通訊模塊將信息遠(yuǎn)傳給上位機(jī)進(jìn)行宏觀控制,從根本上解決安全使用燃?xì)獾膯栴}，有效避免因燃?xì)庑孤┰斐傻幕馂?zāi)、爆炸、窒息、死亡等惡性事故的發(fā)生。為了做到實時監(jiān)控本設(shè)計采用了雙電源供電，即電源與電池交替供電，并且在當(dāng)電池電量不足時，本設(shè)計還能夠進(jìn)行欠壓報警，當(dāng)城市停止供電時本設(shè)計會自動跳轉(zhuǎn)到電池供電從而是本設(shè)計在沒電的情況下也能進(jìn)行監(jiān)控。另外，本設(shè)計還根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了防靜電、防雷擊、防潮、防抖動方面的考慮使本設(shè)計能夠高效安全的為消費(fèi)者所用。所以本設(shè)

12、計有以下功能： 采集功能：采集灶具火焰熱電偶信號、燃?xì)獗砻}沖信號、報警器輸出信號。報警提示：有流量異常、電源欠壓、濃度報警器等報警信息的聲光提示。電源轉(zhuǎn)換功能：采用市電供電的泄漏檢測儀在市電斷電時能自動轉(zhuǎn)換到備用電源（部電池）當(dāng)市電恢復(fù)時能自動轉(zhuǎn)換到城市供電狀態(tài)。無線通信功能：能夠與主站（集中器）無線通信的功能，既能夠接收和回復(fù)集中器或主站發(fā)出的數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置命令。顯示功能：顯示燃?xì)獗矸e累流量，灶具火焰狀態(tài)、火焰異常等信息。以下為本論文對本設(shè)計的具體述。關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；燃?xì)?；報警；控制Design of detection instrument based on MCU gas

13、 leakageIntroductionGas has become the people essential to life energy, liquefied petroleum gas, natural gas as a clean energy, such as in business and is widely used in urban residents users. But as the gas is widely used, due to gas leakage caused by explosion, fire and poisoning accidents also ha

14、ppen from time to tome, this to some extent increase the unsafe and unstable factors of the city. Gas using the units and residents the user to select a suitable gas alarm system become necessary. Gas leakage detector based on single-chip microcomputer, is a kind of suitable for family use small gas

15、 security products. Can effectively avoid explosion caused by gas leaks, fire, poisoning and other malignant accidents, has most of the countries and regions are widely used all over the world. Gas leakage detector based on single-chip microcomputer is the security guards of the gas field, in case o

16、f gas leakage, it can timely remind consumer to avoid all kinds of lead poisoning accident. In some developed countries are heavily promoted even mandatory gas alarm, such as Tokyo and Osaka, Seoul, South Korea, Hamburg, Germany and other cities, there are more than 80% of the households to install

17、all kinds of gas leakage detector based on single-chip microcomputer. Also, in some domestic cities such as Beijing, chengdu, Harbin and other cities, according to gas poisoning accidents occurred one after another, take decisive measures, in a couple of years ago, will be installed gas leakage alar

18、m set forth in the form of local legislation, and the results of gas accidents declined dramatically. According to 1998 data show that every year only accident associated with liquefied petroleum gas (LPG) since 75, the city gas users happen accident rate is lower, and household gas alarm system dev

19、elopment for 30 years in Japan, the Japanese government and enterprises to vigorously promote the use of alarm, leakage and explosion accidents of gas accident rate is far lower than Europe and the United States and other developed countries, gas leakage detector based on single-chip microcomputer h

20、as become the necessities of family life.This topic design a gas leakage detector, monitor if there is a leak phenomenon kitchen burning gas, gas leak flow and according to the size, when the gas leakage value exceed safety standards, alarm system, gas according to whether there is abnormal phenomen

21、on, and the signal synchronization control solenoid valve to cut off the gas source. This design with low consumption of the microcontroller as the core device, the flow pulse signal input to MCU through gathering, through the software to determine whether or not in the range of reasonable flow, whe

22、n the normal level, gives the corresponding control unit MCU control, alarm signal drive, the LCD shows the current accumulated flow rate at the same time and each focal switch state, at the same time, this design also will cooperate with DTU, serial port communication, far information module to PC

23、for macro control, fundamentally solve the problem of safe use of gas, effectively avoid fire and explosion caused by gas leakage, asphyxia and death of malignant accidents.In order to achieve real-time monitoring the design adopts the double power supply, namely alternating power supply and battery

24、 power supply, and when the battery power is insufficient, this design can also under voltage alarm, when the city power supply this design will automatically jump to the battery power supply which is the design in the case of no electricity can also monitor. In addition, this design according to th

25、e national standard for anti-static, lightning protection, moistureproof, jitter considerations make this design to efficient and safe for consumer use.So this design has the following functions:Sampling function: ovens, gas flame thermocouple signal table output pulse signal, alarm signal.Alarm pro

26、mpt: there are abnormal traffic, power supply voltage and the concentration of the alarm sound and light alarm information such as tips.Leakage detector power supply conversion function: the mains power supply can automatically switch to the standby power supply when mains power (battery) can automa

27、tically switch to city power supply when mains to restore state.Wireless communication function: being able to master station (concentrator) wireless communication function, can receive and reply to concentrator or a host of data acquisition and parameter setting commands.Key words: MCU; gas ;alarm;

28、 solenoid valve; draft fan1 緒論1.1 課題背景與研究意義近年來，隨著生活水平的增高，全國煤氣行業(yè)發(fā)展迅猛，煤氣，液化氣，天然氣等能源已在千家萬戶得到了廣泛的應(yīng)用。燃?xì)獾钠张c與應(yīng)用無疑對改善環(huán)境質(zhì)量和提高人們的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。然而，由于使用不當(dāng)或者設(shè)備老化等原因?qū)е碌娜細(xì)庑孤┮l(fā)的中毒、爆炸、火災(zāi)，時有發(fā)生，直接威脅著人們的生命安全和財產(chǎn)安全，與時發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w的泄漏將是安全使用可燃?xì)怏w的一個重要方面。然而，一般的煤氣報警器功能單一，性能穩(wěn)定性差，不能很好的滿足人民生活的需要，并且還會引起火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難。而大型的監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴，需專門的技術(shù)人員管理，不適

29、合家用。因此，為了既能滿足人民安全的需要又能滿足消費(fèi)需要，需要設(shè)計一款集以上兩點為一身的燃?xì)庑孤z測儀。本燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，當(dāng)燃?xì)庠钶敵鋈細(xì)饬髁砍鰳?biāo)準(zhǔn)，程序會判斷流量是否異常，若異常檢測儀將進(jìn)行報警并給出相應(yīng)動作并自動關(guān)閉閥門，保證了燃?xì)馐褂玫陌踩?.2 主要研究容與結(jié)構(gòu)安排為了能在低功耗的情況下保證家用燃?xì)獾陌踩瑢⑽ｋU防患于未然，本論文主要以低功耗的MSP430系列單片機(jī)為核心，通過檢測流過燃?xì)庠钪腥細(xì)獾牧髁看笮砼袛嗔髁渴欠裾亩袛嗳細(xì)馐欠裥孤?，若發(fā)生泄漏本設(shè)計將自動進(jìn)行泄漏報警，并關(guān)閉閥門，從而保證家庭用氣的安全性。本設(shè)計以低功耗的MSP30系列單片機(jī)為控制核心，

30、配合采集模塊、串口傳輸模塊、LCD顯示屏模塊并通過軟件編程來控制不正常流量下的設(shè)備反應(yīng)，增強(qiáng)了電路的實時監(jiān)控性，很好地滿足了實際要求。在本論文中首先在第一章中主要敘述了本設(shè)計的研究背景與意義、結(jié)構(gòu)安排，概括的敘述了本論文的結(jié)構(gòu)和研究順序，第二章主要對本設(shè)計所采用的方法進(jìn)行了比較論證，選定了方法，列出了本設(shè)計的系統(tǒng)框圖。本論文第三章主要闡述了本設(shè)計所選系列單片機(jī)的發(fā)展歷程、特點、與最小單片機(jī)系統(tǒng)和各個模塊的硬件設(shè)計與與應(yīng)用電路，具體的敘述了，采集模塊、雙電源模塊、串口通信模塊、核心控制模塊、與LCD顯示模塊的設(shè)計方法。第四章主要講述了本設(shè)計的軟件部分包括程序流程圖，與軟件的與調(diào)試等。第五章主要敘

31、述了硬件的安裝與調(diào)試，詳細(xì)介紹了在繪制電路板時、調(diào)試電路板時所需要的注意的問題。第六章是本論文的結(jié)論部分，主要敘述了設(shè)計本論文的一些心得體會，最后是附錄與參考文獻(xiàn)闡述了本設(shè)計的一些附屬資料。2 燃?xì)庑孤z測儀系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成方案與論證為了更好地滿足設(shè)計需要，本設(shè)計介紹了兩種設(shè)計方案：方案一：選用一般性能的普通51系列單片機(jī)，配合看門狗電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示屏驅(qū)動電路等附屬電路完成設(shè)計。89C51單片機(jī)是8位單片機(jī)。其指令是采用的被稱為“CISC”的復(fù)雜指令集，共具有111條指令。 HYPERLINK :/ eeworld .cn/mcu/search

32、.php?keywords=89C51%E7%B3%BB%E5%88%97&search=1 t _blank 89C51系列單片機(jī)由于其部總線是8位的，其部功能模塊基本上都是8位的雖然經(jīng)過各種努力其部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。在開發(fā)工具上面，對于89C51來說，由于它是最早進(jìn)入中國的單片機(jī)，人們對它在熟悉不過了，再加上我國各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開發(fā)工具。但是如何實現(xiàn)在線編程還是一個很大的問題。89C51系列單片機(jī)本身的電源電壓是5伏，有兩種低功耗方式：待機(jī)方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為24mA，在掉電狀態(tài)下，其

33、耗電電流仍為3mA，即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到2V，但是為了保存部RAM中的數(shù)據(jù)，還需要提供約50uA的電流。方案二：采用低功耗的MSP430單片機(jī)，利用其功耗小功能強(qiáng)大的特點，含A/D轉(zhuǎn)換部分，與外圍電路達(dá)到設(shè)計要求。MSP430單片機(jī)是16位的 HYPERLINK :/ eeworld .cn/mcu/search.php?keywords=%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA&search=1 t _blank 單片機(jī)，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，只有簡潔的27條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以與片數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算。這些核指令均為單

34、周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。MSP430系列其基本架構(gòu)是16位的，同時在其部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換還存在8位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對它這樣的開放型的架構(gòu)來說，無論擴(kuò)展8位的功能模塊，還是16位的功能模塊，即使擴(kuò)展模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)/模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。這也就是為什么 HYPERLINK :/ eeworld .cn/mcu/search.php?keywords=MSP430%E7%B3%BB%E5%88%97&search=1 t _blank MSP430系列產(chǎn)品和其中功能部件迅速增加的原因。對于MSP430系列而言，由于引進(jìn)了Flash型程序存儲器和JTAG技

35、術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現(xiàn)在線編程。MSP430系列單片機(jī)在低功耗方而的優(yōu)越之處，則是89C5l系列不可比擬的。正因為如此，MSP430更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。綜上所述，從性能上考慮MSP430單片機(jī)擁有較多的引腳，單片機(jī)本身具有較強(qiáng)的處理能力，方便了電路設(shè)計，它采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，在8MHZ時指令速度可達(dá)8MIPS。另外MSP430F5529采用了16位多功能硬件乘法器等先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，能夠做到跟蹤監(jiān)控能力，所以本設(shè)計采用方案二，用MSP430系列單片機(jī)做核心電路。2.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖本設(shè)計以單片機(jī)

36、為核心，主要是通過采集燃?xì)庠钶敵龅拿}沖流量的大小通過與設(shè)定值進(jìn)行比較來判斷是否泄漏，并配合以液晶顯示模塊顯示當(dāng)前狀態(tài)，配合串口通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，使燃?xì)獍踩臑榧彝ハM(fèi)者所用其系統(tǒng)構(gòu)成框圖 如下圖2-1所示:電壓采集流量脈沖采集 單片機(jī)電磁閥煤氣罐熱水器信號采集信號報警上位機(jī)圖2-1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖3 燃?xì)庑孤z測儀硬件設(shè)計3.1 MCU核心模塊設(shè)計為了更好地滿足設(shè)計要求，通過89C51系列單片機(jī)與MSP430系列單片機(jī)的論證與比較，本設(shè)計采用的是MSP430系列單片機(jī)為本設(shè)計的MCU核心模塊。3.1.1 MSP430系列單片機(jī)發(fā)展歷程MSP430系列單片機(jī)是美國 HYPERLINK :

37、/baike.baidu /view/28784.htm t _blank 儀器（ HYPERLINK :/baike.baidu /view/281529.htm t _blank TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有 HYPERLINK :/baike.baidu /view/981569.htm t _blank 精簡指令集（ HYPERLINK :/baike.baidu /view/23531.htm t _blank RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor），稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的 HYP

38、ERLINK :/baike.baidu /view/635021.htm t _blank 模擬電路、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/635019.htm t _blank 數(shù)字電路模塊和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1125.htm t _blank 微處理器集成在一個芯片上，該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。MSP430系列的部分產(chǎn)品具有Flash存儲器，在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試與實際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。TI公司推出具有Flash 型存儲器與 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2

39、76735.htm t _blank JTAG邊界掃描技術(shù)的廉價開發(fā)工具M(jìn)SP-FET430X110，將國際上先進(jìn)的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/276735.htm t _blank JTAG技術(shù)和Flash在線編程技術(shù)引入MSP430。這種以Flash 技術(shù)與FET開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機(jī)開發(fā)方式。3.1.2 MSP430系列單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域MSP430型系列是一款超低功耗類型的微控制器，特別適合于手持設(shè)備和安全領(lǐng)域的應(yīng)用。MSP430雖屬微控制器，但在眾多單片機(jī)系列中有獨(dú)特的優(yōu)勢。該MSP430系列

40、將大量的外圍模塊整合到片，也適合于設(shè)計片上系統(tǒng)，具有豐富的不同型號的器件可供選擇，給設(shè)計者帶來很大的靈活性。其原因就在于它是一個16位的精簡指令構(gòu)架，有大量的工作寄存器和數(shù)據(jù)存儲器，其RAM單元也可以實現(xiàn)運(yùn)算。在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8HHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位數(shù)據(jù)寬度，125ns的指令周期以與多功能的硬件乘法器(能實現(xiàn)乘加)相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法。2004年10月又推出了MSP430F2XX系列新款單片機(jī)，該款新品可實現(xiàn)前代產(chǎn)品兩倍的處力性能而待機(jī)功耗僅為前代品一半。同其它單片機(jī)相比，MSP430系列可以大大延長電池的使用壽命。lus

41、-6uS的啟動時間可以使啟動更加迅速。ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)；低電壓供電；多達(dá)64KB尋址空間，包含ROM、RAM、閃存RAM和外圍模塊；外部中斷引腳；I0口具有中斷能力；外圍模塊地址為存儲器分配；全部寄存器不占用RAM空間，均在模塊；定時器中斷可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；看門狗功能；AD轉(zhuǎn)換器(10位、12位、16位或更高精度)并且支持C語言和匯編語言。3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成，主要包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路，其硬件框圖如圖3-1所示。MSP430電源電路通信接口電路晶振電路復(fù)位電路數(shù)據(jù)存

42、儲電路圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖（1）時鐘電路在時鐘電路中，低速晶體振蕩器(LFXTl)滿足了低功耗與使用32768kHz晶振的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即32768kHz，也可以通過外接450kHz8MHz的高速晶體振蕩器或瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接2個22pF的電容經(jīng)過XIN和XOUT連接到MCU。高速晶振也稱為第二振蕩器XT2，它為MSP430工作在高頻模式時提供時鐘，XT2最高可達(dá)8MHz。在系統(tǒng)中XT2采用4MHz的晶體，XT2外接2個30pF的電容經(jīng)過XT2IN和XT2OUT連接到MCU，如下圖3-2所示。（2）復(fù)位電路：復(fù)位電路是

43、單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的部分，其好壞影響整個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。同時，復(fù)位電路非常容易受到外部噪聲干擾，因此，復(fù)位電路的設(shè)計首先要求保證整個應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，其次是具有抗干擾能力。復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。圖3-2時鐘電路圖MSP430的復(fù)位電路包括一個上電復(fù)位(POR)和上電清除信號(PUC)。POR是設(shè)備復(fù)位信號，它通常在以下三種事件發(fā)生時被觸發(fā)：a.上電；b.復(fù)位模式下RST/NMI腳出現(xiàn)低電平；c.電壓監(jiān)控設(shè)備(Brown

44、out)觸發(fā)。當(dāng)供電電壓VCC緩慢上升時，POR監(jiān)測器保持POR信號有效直到VCC超出VPOR水平，當(dāng)供電電壓VCC快速上升時，POR延時t(POR DELAY)提供了足夠長的有效POR信號以確保MSP430有足夠的時間進(jìn)行初始化。經(jīng)常使用的復(fù)位電路有以下幾種：手動按鈕復(fù)位：手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如圖3-3所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒所以完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。圖 3.3 手動按鈕復(fù)位電路上電復(fù)位： C51的

45、上電復(fù)位電路如圖3-4所示只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機(jī)由于在RST端部有一個下拉電阻故可將外部電阻去掉而將外接電容減至1F。上電復(fù)位的工作過程是在加電時復(fù)位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號此高電平信號隨著Vcc對電容的充電過程而逐漸回落即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時Vcc的上升時間約為10ms而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率如晶振頻率為10MHz起振時間為1ms晶振頻率為1MHz起振時間則為10ms。在復(fù)位電路中當(dāng)Vcc掉電時必然會使

46、RST端電壓迅速下降到0V以下但是由于部電路的限制作用這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外在復(fù)位期間端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)復(fù)位后系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值因此CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。本設(shè)計采用的是最簡單的復(fù)位電路如3-4所示：圖3-4 復(fù)位電路圖如上圖所示，當(dāng)加入電源時電容相當(dāng)于短路，RST輸出低電平，復(fù)位，當(dāng)電容充滿電后電容相當(dāng)于斷路RST輸出高電平復(fù)位結(jié)束。（3）JTAG為了更方便本設(shè)計要求，本設(shè)計采用JTAG接口直接對核心芯片MSP430F5529進(jìn)行電氣規(guī)則檢查和編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進(jìn)行預(yù)

47、編程現(xiàn)再裝到板上，現(xiàn)簡化流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進(jìn)度。JTAG接口可對PSD芯片部的所有部件進(jìn)行編程。JTAG(Joint Test Action Group；聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片部測試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。其接口電路如下圖3-5所示，引腳功能如表1所示。 圖3-5 JTAG接口電路表1 JTAG引腳圖3.1.4 單片機(jī)的選型本論文的核心部件為以單片

48、機(jī)MSP430為核心的控制模塊，TI公司的超低耗單片機(jī)特別適合與便攜式的或雙電源供電的設(shè)備，MSP430F5529單片機(jī)的電源電壓采用1.8-3.6V低電壓。獨(dú)特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括兩個不同時鐘:基本時鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)時鐘系統(tǒng)，另外MSP430F5529有多種工作模式LPMX以有力的方式支持低功耗系統(tǒng)的各種要求，用中斷請求將CPU喚醒只需要6us。由于本論文要求在停電時也能進(jìn)行監(jiān)控所以此款單片機(jī)十分符合本設(shè)計要求。MSP430F5529單片機(jī)具有較強(qiáng)的處理能力：它采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，在8MHZ時指令速度可達(dá)8MIPS。另外MSP430F149采用了16位多功能硬件乘法器等先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)

49、了其數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力能夠做到跟蹤監(jiān)控能力。MSP430F5529單片機(jī)有豐富的外圍模塊：12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，比較器Comparetor-A，硬件乘法器，2個帶有捕獲/比較寄存器的16位定時器，2個可實現(xiàn)異步、同步的串行同行接口，看門狗。另外MSP430F5529采用矢量中斷，2個8位端口有中斷能力，支持十多個中斷源，并可以任意嵌套。這種功能大大的精簡了電路設(shè)計和程序設(shè)計。MSP430F5529單片機(jī)開發(fā)方式與其方便，利用單片機(jī)本身具有的JTAG接口，可以實現(xiàn)程序下載、調(diào)試為整個項目的開發(fā)提供方便。由于MSP430F5529單片機(jī)強(qiáng)大的功能所以本設(shè)計用非常少簡單的電路就能實現(xiàn)單片機(jī)對

50、液晶顯示屏、串口通信、程序下載，以與完成軟件編程的功能。圖3-6為MSP430F5529芯片的管腳。由于此款單片機(jī)的管腳較多，并且很密，因此在設(shè)計PCB電路的時候，一定要查看MSP430的用戶手冊來獲得官方的尺寸，不然很有可能是制作出來的PCB板和插座連接不好，導(dǎo)致芯片接收不到模擬信號通道所獲得的數(shù)據(jù)。圖3-6 MSP430F5529芯片管腳圖3.1.5 單片機(jī)外圍電路設(shè)計模擬地與數(shù)字地隔離電路在MSP430系列單片機(jī)中數(shù)字地與模擬地不能接在一起的，因為模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和

51、數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點接在一起。對于低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分采用一點接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾。而對于高頻電路和數(shù)字電路，由于這時地線的電感效應(yīng)影響會更大，一點接地會導(dǎo)致實際地線加長而帶來不利影響，這時應(yīng)采取分開接地和一點接地相結(jié)合的方式。另外對于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是：盡量加粗地線，以降低噪聲對地阻抗。滿接地，即除傳輸信號的印制線以外，其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。另外用磁珠連接、用電容連

52、接、用電感連接、用0歐姆電阻連接。是常用的方法，本設(shè)計采用0歐姆電阻連接來進(jìn)行數(shù)字地與模擬地分離，電路圖如下圖3-7所示：圖 3-7模擬數(shù)字地分離電路3.2 采集模塊硬件設(shè)計本設(shè)計中的采集模塊主要功能是采集灶具火焰模擬信號與燃?xì)獗砹髁棵}沖信號和報警器的報警信號，其中流量信脈沖信號由燃?xì)庠钛b置附屬裝置流量表直接輸出并輸入到控制單元，所以此處的采集模塊主要是采集燃?xì)庠钶敵龅臒犭娕夹盘柎笮?，輸入給單片機(jī)通過單片機(jī)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而來判斷燃?xì)庠钍浅鲇陉P(guān)閉還是打開狀態(tài)。由于燃?xì)庠钶敵鲭妷禾〔⒉荒茏R別，本設(shè)計采用放大模塊進(jìn)行放大，本設(shè)計中的采集模塊由一個兩級運(yùn)算放大電路組成，主要用于

53、放大輸出電壓到能使單片機(jī)識別的大小。采集模塊電路通過調(diào)節(jié)電流中阻值的大小從而來控制放大倍數(shù)的大小，其電路原理圖如下圖3-8所示：本電路中可知電路的放大倍數(shù)為： （公式 3-1）由此可知，為滿足電路需要，電路中個電阻的組織應(yīng)調(diào)至為R1為4.8K，R2為16.1K，R3為4.4K，R4為36.9K。LM358芯片LM358部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電圖3-8 采集模塊電路原理圖源電壓圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用圍包括傳感放大器、直流增益模擬、音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供

54、電的使用運(yùn)算放大器的場合。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特點：部頻率補(bǔ)償。 直流電壓增益高(約100dB) 。 單位增益頻帶寬(約1MHz) 。 電源電壓圍寬：單電源(330V)；雙電源(1.5一15V) 。 低功耗電流，適合于電池供電。 低輸入偏流。 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 共模輸入電壓圍寬，包括接地。 差模輸入電壓圍寬，等于電源電壓圍。 輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5V) 。LM358引腳圖如下圖3-9所示。圖3-9 LM358引腳圖3.3串口模塊硬件設(shè)計MSP430系列微控制器都自帶串行通信口，有幾款還有兩個串口。這樣就方便了與PC機(jī)接口，增強(qiáng)了與外界通信的

55、能力。不過串口的電平和邏輯關(guān)系與MSP430存在很大的差別。以廣泛應(yīng)用的EIA - RS - 232C標(biāo)準(zhǔn)為例，對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平為-3V -15V，邏輯“0”（空號）的電平為+3V +15V；對于控制信號：接通狀態(tài)（ON），即信號有效的電平為+3V +15V，斷開狀態(tài)(OFF)，即信號無效的電平為-3V -15V。也就是說當(dāng)傳輸電平的絕對值介于3V 15V時，認(rèn)為是有效信號，其它電平均認(rèn)為是無效的。而MSP430輸出的電平卻在0 3V左右，因此要想與PC串口接口或者其它帶有串口的終端接口，必須要進(jìn)行EIA-RS-232C與MSP430電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)這種變

56、換的方法很多，可用分離元件，也可用集成電路。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223 等芯片可完成多路3V 15V電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換。在MSP430與PC串口接口時，用MAX232A電路比較簡單（只需外接幾個電容），而且這款芯片可以實現(xiàn)兩路變換，價格也較便宜。本設(shè)計采用MAX3221芯片，可來完成3V15V電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換，其串行部分的電路圖如下圖3-10所示。圖3-10 串口部分電路圖MAX3221芯片MAX3221包含一個線驅(qū)動器一個線接收器和一個帶有15KVD的ESD保護(hù)的雙電荷汞，該器件可滿足TIA/EIA-232-

57、F要求并在一個異步通信控制器和串行端口連接器之間提供接口電荷汞和四個小型外接電容器可在單路3V至5.5V電源電壓下工作這些器件在數(shù)據(jù)信號率達(dá)到250kbit/s且最大的30-V/s驅(qū)動輸出回轉(zhuǎn)率時工作。當(dāng)串行端口失效時可對電壓管理進(jìn)行靈活的控制選擇在FORCEON為低且FORCEOFF為高時自動掉電功能起作用在這種工作方式中若器件未感應(yīng)到接收器輸入端上的一個有效的RS-232信號則驅(qū)動器輸出端被禁止若FORCEOFF置為低且EN為高則驅(qū)動器和接收器均被切斷電源電流降至1A斷開串行端口或關(guān)閉外圍驅(qū)動器將會導(dǎo)致自動掉電；當(dāng)FORCEON和FORCEOFF為高時自動掉電被禁止，當(dāng)自動掉電被使能且在接

58、收器輸入端加一個有效信號時，器件被激活。無效INVALID輸出告知用戶查看RS-232信號是否加在接收器輸入端，如果接收器輸入端電壓高于2.7V或低于-2.7V或在+0.3V之間并持續(xù)少于30s，INVALID為高數(shù)據(jù)有效；如果接收器輸入端電壓在+0.3V之間并持續(xù)超過30s則INVALID為低數(shù)據(jù)無效接收器輸入端電平。特點：（1）能滿足或超過TIA/EIA-232-F和ITUv.28標(biāo)準(zhǔn)的要求，工作電源電壓為3V至5.5Vz最多可處理250kbit/sz，一個驅(qū)動器和一個接收器低待機(jī)電流典型值為1Az外接電容器0.1F。（2）接受5V邏輯輸入電平和3.3V電源電壓，可與MaximMAX322

59、1互換使用。（3）可供選擇的高速引腳可兼容器件(1Mbit/s)SNx5C3221zRS-232總線，引腳ESD保護(hù)超過15kV時，采用人體模型HBMz自動掉電特點可自動使驅(qū)動器失效以節(jié)約電源12應(yīng)用圍。（4）電池上電手持和便攜式設(shè)備、掌上個人電腦、數(shù)碼相機(jī)。（5）移動和無線設(shè)備。3.4 雙電源供電模塊硬件設(shè)計3.4.1 雙12V穩(wěn)壓電源設(shè)計隨著社會發(fā)展現(xiàn)在城市供電已經(jīng)變得趨于穩(wěn)定，但是并不排除有停電的可能，當(dāng)停電時并且電力系統(tǒng)無法短時間恢復(fù)供電時會對燃?xì)庠畹牧髁勘O(jiān)控帶來不便，因此本設(shè)計本著安全周到的理念設(shè)計了雙電源供電，當(dāng)停電時啟用備用電源，再停電的情況下也能進(jìn)行量的監(jiān)控、報警。一般的雙電源

60、供電采用兩個互相獨(dú)立的電源。雙電源一般用于區(qū)域電源回路中，以保證該區(qū)域能夠在一個電源故障時，仍能繼續(xù)得到電源。一般雙電源不允許并列運(yùn)行，所以往往是一個電源投入運(yùn)行，另一個電源備用。一旦工作電源失去后，備用電源自動或手動投入繼續(xù)供電。以下為雙電源供電的電路圖，如圖3-11所示：以上電路為雙電源供電電路，主要提供的是12V電源，一方面12V電源有外設(shè)電源提供，當(dāng)正常供電的情況下采用外電源供電，另一方面當(dāng)停電時程序控制自動調(diào)轉(zhuǎn)到電池供電，當(dāng)電池電量不夠達(dá)到設(shè)計所需電量時，由一個分壓電路輸入到控制模塊中可以進(jìn)行電池欠壓報警。兩種電源供電共同為單片機(jī)的驅(qū)動電源提供原電源保證了設(shè)計的穩(wěn)定性。工作原理如下：