基于MSP430的低功耗通用实验装置的研制

贾 巍

(襄樊学院 物理与电子工程学院, 湖北 襄樊 441053)

基于MSP430的低功耗通用实验装置的研制

贾 巍

(襄樊学院 物理与电子工程学院, 湖北 襄樊 441053)

设计出一套基于低功耗单片机硬件电路的综合实验装置，本装置以MSP430单片机为微控制器，采用端口复用的方式连接外围扩展模块. 画出详细的硬件原理接线图，并对系统进行抗干扰性设计.

MSP430单片机；外围功能模块；端口复用；抗干扰

目前，高校单片机实验室大多采用传统实验箱，存在着以下一些问题：一是价格一般比较昂贵，功耗过高；二是主要以 51单片机为主，功能有限，其他类型单片机较少涉及；三是系统体积较大，接口灵活性较低，不便于维修. 针对这些不足，本文设计出基于MSP430单片机的低功耗通用实验装置，具有体积小、功能强、功耗低、重复利用率高、维修方便的特点.

图1 系统组成框图

1 系统组成框图

整个实验装置由单片机控制单元和外围扩展功能模块组成，系统组成框图如图1所示. 在单片机最小系统的基础之上，通过端口复用的方式与外部扩展电路相连. 外围功能模块包括：稳压电源、键盘模块、串行通信模块、LED数码管模块、时钟模块、液晶显示模块、点阵显示模块、红外接收模块、继电器控制模块等. 由于MSP430内部带有A/D和D/A,因而省去了模/数和数/模转换模块. 下面分别作介绍.

图2 MSP430单片机最小系统

1.1 MSP430单片机最小系统

系统采用16位超低功耗MSP430F149单片机作为核心控制器，片内有60KB的Flash和2KB的RAM，无须外扩存储器. 利用JTAG接口技术可以对片上闪存方便的编程[1].工作电压为3.3V，其I/O电平也是3.3V逻辑电平，并且与5V TTL电平兼容. F149集成了较丰富的片内外设，分别是看门狗、模拟比较器A、定时器A、定时器B、串口0/1、硬件乘法器、液晶驱动器、10 位/12位 ADC、16位AD、端口O、端口1-6等. MSP430单片机最小系统如图2所示[2].

1.2 矩阵键盘和跑马灯模块

按键模块分为独立式按键和矩阵按键. 传统的矩阵键盘为4*4，这里采用5*5，通过跳线的灵活选择，可以组成任意矩阵键盘. 采用 8个 LED构成流水灯电路. MSP430的P2端口的每一位都对应一个LED. 矩阵键盘电路如图3所示.

图3 矩键键盘电路

1.3 LED数码管模块

系统采用了串行和并行数码管两种显示方式. 数码管正常工作电流一般为几百毫安，该模块的并行显示部分采用的是PNP三极管驱动，来提高数码管的工作电流. 通过跳线，可以灵活的选择自己需要的数码管工作. 串行显示部分采用的是两片74HC595级联来驱动8位数码管. 串行LED数码管显示电路如图4所示.

1.4 温度采集与红外遥控模块

采用数字温度传感器芯片DS18B20作为温度传感器, 可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理. 红外遥控电路，采用一体化的红外接收头HS0038，通过发射器发射数据代码，红外接收头对其接收，由单片机对所接收的数据进行解码. 温度检测与红外接受电路如图5所示.

图4 串行LED数码管显示电路

图5 18B20温度检测与HS0038红外接收电路

图6 LCD12864显示电路

1.5 LCD液晶显示模块

液晶显示模块采用12864[3]，控制芯片为 ST7920，128X64具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库. 其显示分辨率为128×64,利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示. LCD12864显示接口电路如图6所示.

1.6 串行通信模块

串行通信采用RS232芯片来进行TTL电平和RS-232电平之间的转换[4]. MSP430F149片内集成了两个UART端口，这里使用了它的UART0端口. MCU通过TXD0(P3.4)向PC机发送数据，通过RXD0(P3.5)接收来自PC机的数据. 在TX线上有个绿色LED，RX线上有个红色LED，当MCU通过RS232与PC机通信时，两个LED会根据通信线上电平的变化而闪烁发光，指示通信的进行. 串行通信电路图如图7所示.

1.7 点阵显示模块

图7 串行通信电路

点阵显示模块由4个8*8点阵组成，能够显示一般图形和一个汉字. 该模块采用4片595芯片分别级联来驱动点阵，用其中两片级联来驱动点阵的行显示，另外两片级联来驱动点阵的列显示.

1.8 继电器控制模块

继电器是常用的输出控制接口，可以做直流交流信号的输出切换，达到用低压信号控制高压电路的功能. 本电路采用的是5V的常开继电器. 采用隔离光耦提高电路的抗干扰能力. 通过继电器开关动作，借助外部接口J15，可以来控制外部电器(AC22V或DC220V)打开或关闭.

图8 继电器控制电路

2 抗干扰设计

为了保证单片机系统的正常工作，可靠性设计尤其重要. 按照抗干扰设计的基本原则：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能[5]，本装置主要采用了以下的抗干扰措施.

1)充分考虑电源对单片机的影响. 电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半；2)晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定；3)继电器线圈增加续流二极管(如继电器模块部分)，消除断开线圈时产生的反电动势干扰；4)用好去耦电容. 主要包括电源输入端跨接10—100μf的电解电容器. 每个集成电路芯片都布置一个0.01pF的瓷片电容；5)电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号. 尽可能把干扰源(如继电器)与敏感元件(如单片机)远离；6)用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点接于电源地. PCB布线时接地线应尽量加粗，如有可能，应在2—3mm以上. 接地线构成闭环路，提高抗噪声能力；7)尽可能缩短高频元器件(如电容)之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰.

3 结语

本实验装置在设计时采用模块化的结构，使单片机最小系统与各功能模块分离，通过接线端口将单片机的所有引脚全部引出来. 在做某些单片机实验时，将不需要跟单片机相连接的外围电路与单片机端口断开，将端口让给所需要连接的外围电路，可以使电路的连接清晰明了，有利于降低编程的复杂性，更重要的是实现了端口的复用功能，使实验装置在各种搭配上发挥出更为强大的功能，而且更方便进行扩展外接.由于MSP430单片机本身具有功能强、功耗低的特点，因而这样的电路搭配可以把功耗降至最低. 另外通过对整个系统的可靠性设计的全面考虑，能够有效地抑制单片机控制系统的干扰.

[1] 沈建华, 杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]. 北京: 华大学出版社, 2004.

[2] 秦 龙. MSP430单片机常用模块与综合系统实例精华[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[3] 魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.

[4] HSIAO YU-HUNG, HUANG MIN-CHIH, WANG CHAU-CHANG. Development of MSP430-based expandable underwater acoustic recorder[J]. Ocean Engineering, 2009, 36: 446-455.

[5] 王幸之, 王 磊. 单片机应用系统抗干扰技术[M]. 北京: 北京航天航空大学出版社, 2002.

（责任编辑：饶 超）

Designing of General Ultra-Low Power Experimental Device Based on MSP430

JIA Wei
(Physics and Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

The paper developed a set of integrated experimental device base on ultra-low power MCU hardware circuit. MCU MSP430 is adopted as the micro-controller, the external function modules are linked through port multiplexing, including the keyboard module, serial communication module, LED display module, LCD display module, dot matrix module, the clock module, infrared receiver module and relay controlling module and so on. The paper drew the hardware schematic diagram in detail and made an anti-jamming design for the whole system.

MSP430; External function module; Port multiplexing; Anti-jamming

TP368.1

A

1009-2854(2010)02-0035-04

2010-01-20；

2010-02-17

贾巍(1968— ), 女, 湖北襄樊人, 襄樊学院物理与电子工程学院副教授.