基于MSP430F448单片机的交流数字电压表设计

　　摘要：描述了一种简易的交流数字电压表的系统设计。系统以MSP430F448为核心，该单片机内部集成了12位的A/D转换器，转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性，极大地简化了硬件设计。因为单片机内部中断资源丰富，电压转换、定时等都采用中断触发，减少了系统响应时间，提高了软件执行效率。此外该单片机的液晶驱动能力可达160段，可以直接将A/D转化数据显示在LCD上。
   　　MSP430F44x系列是TI公司推出的一款超低功耗的16位单片机，其运算速度快而且体积小。片内集成了8路12位A/D、串行通信接口、看门狗定时器、比较器、硬件乘法器等外围设备模块，从而降低了应用电路的复杂程度，提高了系统的可靠性。该芯片可以工作于2.5 V和3.3 V两种电压下，并且可以处于休眠状态，此时的频率只有32768 Hz,功耗非常低，环境温度范围为-40~+125℃。这些优点非常适合设计便携式，且要求长时间连续工作，环境温度变化宽的智能仪器仪表设备。MSP430F44x系列单片机具有其他单片机无法比拟的优点，用其来实现交流电压的测量是一种很好的设计方案。
   　　1 系统总体方案设计
   　　本系统主要由以下4大模块组成：中央处理器、电源电路、电压极性转换电路和显示电路。
   　　为了保证硬件电路设计的通用性，采用单级性电压测量的方法，将输入的双极性电压转换成单级性电压进行测量。然后将转换后的电压送入单片机A/D模拟通道进行模数转换，最终将转换的数字信号在LCD液晶上显示。系统设计框图如图1所示。
   
图1 系统设计框图
   　　2 系统硬件设计
   　　2.1 电压极性转换电路
   　　从图2的电路中可以得到，首先通过变压器将220 V的交流电压降成8 V的交流电压，再经过极性转换电路将双极性的交流电压转换为单级性的交流电压。电路中的R405电位器主要用于调节参考电压，R404电位器用于调节交流输入电压的幅度。经过上面电路的处理，可以将输入的交流电压转换成0~3 V的单级性交流电压，这样很容易使用MSP430单片机自带的A/D转换通道进行模拟量采集，从而实现交流电压的测量。其中，极性转换电路主要由放大电路实现，在此我采用MCP601放大芯片。
   
图2 电压极性转换电路
   　　2.2 电源电路
   　　用电池给系统供电，由于MSP430系列有内置模拟电源和模拟地，所以要进行模拟电源和数字电源的转换，以便给芯片供电。然后将电池电源转换为3V左右的电源给系统供电。具体电路如图3所示。
   
   
   
图3 电源电路

   
   　　2.3 A/D转换、输出显示电路及JTAG接口电路
   　　A/D转换用到了模拟输入通道A0,LCD显示用到了S0至S20,使用4MUX模式。液晶所需要的模拟信号由外接的等值电阻产生。具体电路如图4所示。
   
   
   
图4 A/D、LCD、JTAG电路
   　　3 系统软件设计
   　　对于交流采集，需要在1个工作周期内采集40个点，即时间间隔为500μs,时间间隔采用定时器实现。
   
   
   
图5 程序流程图

   
   　3.1 采样、A/D转换子程序
   

   
   
   
   
   　　3.2 显示子程序
   
   
   
   　　4 测试结果分析
   　　电路测试结果如表1所示。
   
   
表1 电路测试结果

   
   　　通过上述结果分析，测量较高值时测量精度有点低，误差大。但数值小的时候测量精度很高。不足之处是本设计的外围分压电路是通过调节电位器来实现的分压效果，实际电路受到电压源等因素影响较大，这之间会因为电压值的不同而引起效果好坏的改变。
   　　5 结论
   　　文中的程序通过MSP430开发工具IAR EmbeddedWorkbench编译、运行。在实验室做成一个简易电路，并将程序下载到电路板上进行运行，发现此电路可以实现测量交流电压的功能，但在精确度方面需要进一步改进。