毕业设计方案

济南大学泉城学院毕业设计方案题目基于MSP430F149单片机的时钟设计专业机械设计制造及其自动化班级1102学生宫海龙学号2011010568指导教师王肖二〇一五年三月九日毕业设计方案济南大学泉城学院-1-学院泉城学院专业机械设计制造及其自动化学生宫海龙学号2011010568设计题目基于MSP430F149单片机的时钟设计一、选题背景与意义1．国内外发展状况目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。基于单片机控制的电子时钟具有计时准确、功耗低等优点。美国德州仪器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。集多种领先技术于一体，以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人以耳目一新的感觉。加之TI优良的服务，充分体现了世界级著名IC厂商的势力和综合优势。TI公司从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，推出了33X、32X、31X等几个系列。MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)和EPROM型(E)等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即用户可以用EPROM型开发样机，用OTP型进行小批量生产，而ROM型适应大批量产品的生产。随着FLASH技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列单片机中。2000年推出了F11X/11X1系列，这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，价格也比较低廉。在2000年7月推出了带ADC或硬件乘法器的F13X/F14X系列。在2001年7月到2002年又相继推出了带LCD控制器的F41X、F43X、F44X。TI在2003到2004年期间推出了F15X和F16X系列产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展：一是增加了RAM的容量，如F1611的RAM容量增加到了10KB，这样就可以引入实时操作系统(RTOS)或简单文件系统等；二是从外围模块来说，增加了DMA、DAC12和SVS等模块。另外，TI在2004年下半年推出了MSP430X21X系列，该系列是对MSP430X1XX片内外设的进一步精简，价格低廉，适合做一些简单的应用。MSP430系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域，如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适合用于一些电池供电的低功耗产品，如能量表、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。此次设计就是用MSP430F149单片机设计数字时钟，在硬件电路方面，采用SPX1117低压差稳压器为单片机提供电源，它将5V电压转化为3.3V提供给单片机；用4*4矩阵键盘进行输入；在时毕业设计方案济南大学泉城学院-2-间的显示上介绍了两种方法显示，即LED数码显示和LCD液晶显示；除此以外，在电路板上还留有供扩展电路应用的引脚接口。在软件设计方面，完成了键盘扫描程序、显示模块程序以及系统主程序的设计。通过此次设计，可以了解MSP430F149的内部结构，理解其工作原理，同时可以掌握一般电子系统的调试方法。2.背景与意义.目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。以单片机制成的电子时钟具有计时准确、功耗低的优点，从而得到了许多领域的广泛应用。单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。单片机正向着功能更强、速度更快、功耗更低、辐射更小的方向发展。随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件，这也是单片机以后发展的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置，广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能，诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。通过对此次的时钟电路的设计，一方面可以巩固已经学习过的专业知识，比如Protel99SE的使用等；另一方面可以了解并掌握一些新的知识，比如此次所用的核心芯片MSP430单片机以及LCD液晶显示器等。通过这次毕业设计，可以将我的综合能力提升很多，学习很多东西，为以后的学习生活打下坚实的基础。毕业设计方案济南大学泉城学院-3-二、设计内容本课程设计的是以MSP430F149单片机为核心的时钟系统。采用SPX1117低压稳压器为MSP430单片机提供电源。首先要求学习MSP430F149单片机内部结构、特点和应用。查阅相关芯片的数据手册，了解各模块电路的工作原理。然后在这个基础上进行系统设计。具体包括单片机控制、时钟电路设计、液晶显示显示电路设计等。学习MSP430单片机的集成开发环境，编写各模块的接口驱动程序，编写软件包含：系统主程序设计、时钟程序设计等。MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机,具有强大的综合优势。在运算能力方面，MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6µｓ。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共计有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0～LPM4)。在等待方式下，耗电为0.7µA，在节电方式下，最低可达0.1µA。另外，MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。MSP430F149是MSP430X14X系列的一种，、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟。毕业设计方案济南大学泉城学院-4-三、设计方案方案一：采用EDA设计，整个数字钟电路由振荡脉冲发生器、计数电路、显示译码/驱动器和七段显示器组成，如图4-1所示：图3-1数字时钟系统框图振荡脉冲发生器用来产生秒脉冲。计数电路由秒个位计数器、秒十位计数器、分个位计数器、分十位计数器、时个位计数器、时十位计数器组成。计数器的功能是每来一个脉冲计一个数。显示译码/驱动器采用74LS47共阳极显示译码器。显示器采用共阳极七段显示器。方案二：采用数字电路进行设计。如图4-2所示，整个系统是由主体电路、扩展电路、振荡器、分频器等几部分组成，主体电路完成时间的显示和调时的功能，扩展电路中留有接口供扩展电路使用。该系统的工作原理是：振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时计数器进位，小时计数器按“12翻1”规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。计数器部分采用74LS90进行计数，而译码部分采用74LS48七段译码驱动器驱动数码显示器。用数字电路设计的电路的特点是软件部分比较简单，但是其硬件电路比较复杂。图3-2数字时钟系统框图时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路触摸整点报时报整点时数仿电台报时定时功能分频器振荡器主体电路扩展电路振荡脉冲发生器计数电路显示译码驱动电路七段显示器毕业设计方案济南大学泉城学院-5-方案三：利用单片机设计。采用MSP430F149作为整个电路的核心部件，应用4*4的矩阵键盘作为输入，外接LCD或LED进行显示，同时还连接一些扩展电路以便增加时钟功能。用单片机为核心的系统其硬件电路非常简单，计数、调时、译码显示等全部都由软件控制实现，准确性较高。经过比较选择决定采用方案三，MSP430系列单片机具有强大的处理功能，而且其超低功耗的特点非常适合电池供电的仪表仪器。以单片机为核心的系统处理能力强、误差小，而且采用键盘输入更为方便，容易操作。3.2系统总体设计如图3-3所示，整个时钟电路由MSP430F149单片机、4*4矩阵键盘、显示电路、扩展功能电路、电源和晶振等几部分组成。其中MSP430F149单片机是整个系统的核心部件。4*4的矩阵键盘作为系统的输入，有调时、复位等功能；显示电路部分采用LCD液晶显示器和LED数码管显示器同时进行显示；扩展电路是为系统预留的部分，在这部分可以进行一些功能的添加，如闹铃、温度显示等功能。单片机外接两个晶体振荡器：低速晶体振荡器LFXT1和高速晶体振荡器XT2。低速晶体振荡器为32KHZ，晶振只需经过XIN和XOUT两个引脚相连，不需要其他外部器件，所有保证系统工作稳定的元件和移向电容都集成在芯片中。LFXT1振荡器在发生有效PUC信号后开始工作，依次有效PUC信号可以将SR寄存器中的OscOff位复位，即允许XT1工作。如果LFXT1CLK信号没有用作SMCLK或MCLK信号，可以用软件将OscOff位置位以禁止LFXT1工作。高速晶体振荡器为8MHZ的标准晶体振荡器，经过XT2IN和XT2OUT两个引脚相连。它产生时钟信号XT2CLK，它的工作特性与LFXT1振荡器工作在高频模式时相似。如果XT2CLK信号没有用做MCLK和SMCLK时钟信号，可以用控制位XT2OFF关闭XT2。图3-3系统整体框图MSP430F149芯片显示电路扩展功能电路4*4矩阵键盘电源电路晶振毕业设计方案济南大学泉城学院-6-四、参考文献[1]沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社，2004.[2]沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计[M].北京:清华大学出版社，2004.[3]康华光.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.[5]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.[6]崔武子，付钪，鞠慧敏.C语言程序设计实践教程[M].北京:清华大学出版社，2005.[7]黄继昌.实用单元电路及应用[M]