摘要：描述了一種簡易的交流數(shù)字電壓表的系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)以MSP430F448為核心，該單片機內(nèi)部集成了12位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動掃描特性，極大地簡化了硬件設(shè)計。因為單片機內(nèi)部中斷資源豐富，電壓轉(zhuǎn)換、定時等都采用中斷觸發(fā)，減少了系統(tǒng)響應(yīng)時間，提高了軟件執(zhí)行效率。此外該單片機的液晶驅(qū)動能力可達160段，可以直接將A/D轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)顯示在LCD上。
MSP430F44x系列是TI公司推出的一款超低功耗的16位單片機，其運算速度快而且體積小。片內(nèi)集成了8路12位A/D、串行通信接口、看門狗定時器、比較器、硬件乘法器等外圍設(shè)備模塊，從而降低了應(yīng)用電路的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性。該芯片可以工作于2.5 V和3.3 V兩種電壓下，并且可以處于休眠狀態(tài)，此時的頻率只有32768 Hz,功耗非常低，環(huán)境溫度范圍為-40~+125℃。這些優(yōu)點非常適合設(shè)計便攜式，且要求長時間連續(xù)工作，環(huán)境溫度變化寬的智能儀器儀表設(shè)備。MSP430F44x系列單片機具有其他單片機無法比擬的優(yōu)點，用其來實現(xiàn)交流電壓的測量是一種很好的設(shè)計方案。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
本系統(tǒng)主要由以下4大模塊組成：中央處理器、電源電路、電壓極性轉(zhuǎn)換電路和顯示電路。
為了保證硬件電路設(shè)計的通用性，采用單級性電壓測量的方法，將輸入的雙極性電壓轉(zhuǎn)換成單級性電壓進行測量。然后將轉(zhuǎn)換后的電壓送入單片機A/D模擬通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號在LCD液晶上顯示。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 電壓極性轉(zhuǎn)換電路
從圖2的電路中可以得到，首先通過變壓器將220 V的交流電壓降成8 V的交流電壓，再經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換電路將雙極性的交流電壓轉(zhuǎn)換為單級性的交流電壓。電路中的R405電位器主要用于調(diào)節(jié)參考電壓，R404電位器用于調(diào)節(jié)交流輸入電壓的幅度。經(jīng)過上面電路的處理，可以將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成0~3 V的單級性交流電壓，這樣很容易使用MSP430單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道進行模擬量采集，從而實現(xiàn)交流電壓的測量。其中，極性轉(zhuǎn)換電路主要由放大電路實現(xiàn)，在此我采用MCP601放大芯片。
圖2 電壓極性轉(zhuǎn)換電路
2.2 電源電路
用電池給系統(tǒng)供電，由于MSP430系列有內(nèi)置模擬電源和模擬地，所以要進行模擬電源和數(shù)字電源的轉(zhuǎn)換，以便給芯片供電。然后將電池電源轉(zhuǎn)換為3V左右的電源給系統(tǒng)供電。具體電路如圖3所示。
圖3 電源電路
2.3 A/D轉(zhuǎn)換、輸出顯示電路及JTAG接口電路
A/D轉(zhuǎn)換用到了模擬輸入通道A0,LCD顯示用到了S0至S20,使用4MUX模式。液晶所需要的模擬信號由外接的等值電阻產(chǎn)生。具體電路如圖4所示。
圖4 A/D、LCD、JTAG電路
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
對于交流采集，需要在1個工作周期內(nèi)采集40個點，即時間間隔為500μs,時間間隔采用定時器實現(xiàn)。
圖5 程序流程圖
3.1 采樣、A/D轉(zhuǎn)換子程序
3.2 顯示子程序
4 測試結(jié)果分析
電路測試結(jié)果如表1所示。
表1 電路測試結(jié)果
通過上述結(jié)果分析，測量較高值時測量精度有點低，誤差大。但數(shù)值小的時候測量精度很高。不足之處是本設(shè)計的外圍分壓電路是通過調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)的分壓效果，實際電路受到電壓源等因素影響較大，這之間會因為電壓值的不同而引起效果好壞的改變。
5 結(jié)論
文中的程序通過MSP430開發(fā)工具IAR EmbeddedWorkbench編譯、運行。在實驗室做成一個簡易電路，并將程序下載到電路板上進行運行，發(fā)現(xiàn)此電路可以實現(xiàn)測量交流電壓的功能，但在精確度方面需要進一步改進。