基于低功耗msp430无磁水表单片系_统开发毕业设计(编辑修改稿)

基于低功耗msp430无磁水表单片系_统开发毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

传感器，并使他们成 90176。 ，我们可以得到 4 种情况： 00， 01， 10， 11。 根据四种情况的交替变化，我们不仅可以得到转子的转速，也可以得到转子运动的方向。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 10 图 位置转换图 上图是抽象的位置 转换 图， 00 代表两个传感器都处于金属区， 01 和 10 代表一个 传感器处于非金属区，另一个传感器 处于金属区， 11 代表两个 传感器 都 处于 非金属区。 对应这个位置转换图 能 知道 转子 转动 的 方向，从 变换 快慢可以知道 转子转动的 快慢 ，此处我们需要的是转子转动的圈数，从圈数我们可以得到用水量。 图 传感器位置 相序图 以上就是使用 LC 振荡电路原理 进行流量检测的基 本 逻辑。 流量检测传感器的选型 LC 振荡的公式： 𝑓𝑟 = 12𝜋√ 1𝐿𝐶 ………………………….. （ ） 其中： fr：振荡频率 ； XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 11 L：电感 ； C：电容 ； 下图中列出了不同电感和电容互相组合后的频率。 表 电感电容组合表 SCAN IF 模块工作 过程 SCAN IF 模块是一个接口，外部只需连接一个合适的电容和电感即可完成检测。 从时序上对 SCAN IF 模块进行分析： ： 激励过程很短， SCAN IF 模块给电容充电，然后马上断开。 ： 这时 LC 振荡电路开始振荡 ，产生衰减的正弦波。 正弦波 需要 振荡 一段时间才会有明显的衰减。 ：此时检测波形，根据波形可以得出传感器是出于金属区还是非金属区。 ：由 当前 传感器的位置和上一次检测时传感器的位置，可以 知道转子转动的方向和圈数。 经过以上几个时序完成一次检测。 内部 DAC 了 设定一条参考电压，在检测时间内 ，即图中 tgate，如果正弦波的包络线在参考电压之下则为 0，如果在参考电压之上则为 1。 由于电压的迟滞，通常使用两个 成对的 DAC 寄存器完成对 传感器信号的判断。 这部分在手册中有详细说明。 图 波形检测原理图 MSP430 单片机中的 SCAN IF 模块 能够在低功耗下自动检测 振荡信号的振幅或者包络线 ， 它由模拟前端 (AFE)、信号处理状态机 (PSM)、定时状态机 (TSM)3 部分XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 12 组成。 [2] 图 SCAN IF 模块框图 模拟前端 (AFE)完成对输入信号的采集，并通过和内部 DAC 比较 得到 检测信号 ，并 转化为 可识别的 数字信号传递到 信号处理状态机 (PSM)， 信号处理状态机 (PSM)根据用户软件编写的向量表完成计数操作， 定时状态机 (TSM)按顺序执行，定时 执行操作。 PSM 状态机设置 PSM 状态机工作流程： PSM 根据上一次采样到的 S1S2 和这次采样到的 S1S2决定取表中哪的数据。 然后根据表中的 Q1 和 Q2 的值，和 SIFCTL 的设置来修改SIFCNT 的值。 为此，这张表的 编写 至关重要。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 13 图 PSM 状态机工作框图 PSM 状态表原理 在下表中： No Rotation 表示 S S2 没有变化 ， Turns right 表示向右运动了 90度， Turns left 表示向左运动了 90 度。 Error： 表示发生了错误的运动。 以初始状态 00 为例，下一次是 01，则表示取 PSM 状态表的第二行，第二行的数据是 0x03,则 Q1 位是 1，所以 SIFCNT 计数器加一。 以此类推。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 14 表 PSM 状态机状态表 PSM 状态表编写 PSM 状态表是由用户编写的，因此 它有 很高的灵活性。 正确的状态表是无磁水表正确计数的前提条件。 使用 两个 LC 传感器最少 需要 编一张 16 个成员的表。 每一个成员是一个 8 位数据，从最低到最高位是 Q1Q7，在简化的表中， Q4Q7 是没有使用到的。 Q3 和 Q0 表示当前 S1 和 S2 的值。 Q1 和 Q2 表示当该值为 1 时对 计数器进行加一或者减一的操作。 即运行到该行时，如果 Q1 的值 是 1，则计数器加一，Q2 的值 是 1 则计数器减一。 SIFPSMV 指针 通过地址来指向下一个成员。 初始化时，我们把状态表的首地址赋值给了 SIFPSMV，下一个值的地址是： Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q0 S2 S1 下一次运行的状态表 中的 成员 就是 首地址偏移该值后的成员。 以 S1S2 为 00 为例，由于未使用 Q7Q4，所以 Q7Q4 等于 0，又 Q Q0 等于XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 15 0， S1S2 等于 0 时，计数器不操作，即 Q Q2 等于 0，所以状态表第一个数是 0x00，S1S2 是 01 时，取的是状态表的第二个成员，我们认为从 00 到 01 是向右转，此时我们需要计数器加一，所以 Q1 等于 1，所以第二个成员的值是 一 张状态表。 参考电压 自校准流程 参考电压 自校准也就是通过程序自动寻找到合适的参考电压，是 SCAN IF 编程中最重要的一部分。 自校准完成后， SCAN IF 的参考电压就确定了。 自校准的过程如下： 1. 初始给一个最大值 0x3ff，此时检测 SIFCTL3 的 SIF0OUT 位，该位为只读的，当 SIFDAC 的值在波形之上时， SIFOUT 等于 0。 当 SIFDAC 的值在波形之下时，SIFOUT 等于 1。 当给 出 的是 最大值时 ，波形必然在参考电压之下 ， SIFOUT 必然等于 0。 2. 延时一段时间后，减小 SIFDAC 的值，再次检测，直到 SIFOUT 等于 1，否则执行步骤 2。 3. 记录下 SIFOUT 等于 1 时的 SIFDAC 的值，多次循环后保留最大值。 4. 然后从最小值开始， 减小 SIFDAC 的值，再次检测，直到 SIFOUT 等于 0， 仿照前几步，寻找到 最小值。 5. 检测 UpperDAC1LowerDAC1 大于设定范围时，跳出循环，否则再从步骤 1 开始。 6. 这时，我们得到的 UpperDAC1 和 LowerDAC1，这两个值就是可用 SIFDAC 的上下限。 得到 UpperDAC1 和 LowerDAC1 后， UpperDAC1+LowerDAC1 除以 2 就是中间值。 7. 使用中间值加减 5 给 SIFDAC 赋值。 传感器 1 和传感器 2 是一样的，只需更改指定的寄存器即可。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 16 给一个较大的参考电压延时一段时间减小参考电压输出是否是 1否记录最大值U p p e r D A C 1是给一个较小的参考电压延时一段时间增大参考电压输出是否是 0否记录最小值L o w e r D A C 1是U p p e r D A C 1 L o w e r D A C 1 设定范围处理数据是 图 自校准程序流程图 总体设计思路 以 MSP430FW427 作为主控设备。 初始化各个模块后 ，立即 进入 到 低功耗模式，外设脱离 CPU 工作于 低功耗模式。 SCAN IF 工作时，自动计数，适时唤醒 CPU， 处理计数器中的值。 Timer_3 等待中断产生，当产生中断时，作为串口接收数据， 处理数据。 根据接收到的数据做出相 应的动作，如：抄表，开关阀等。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 17 结构框图 下图是本课题的结构框图。 本次课题 以 msp430fw427做 主控器，配合其他外设 ，完成无磁水表的系统设计。 图 系统设计结构框图 本章小结 本章主要介绍了 无磁传感器 的工作原理，从 LC 振荡电路 到无磁水表的计数逻辑，再深入分析了 SACN IF 模块的工作原理 ，其中主要 分析了 PSM 的状态机设计，分析了 PSM 状态表的原理和编写。 介绍了自校准的相关知识及逻辑。 以结构框图的形式展示了无磁水表 的设计思路。 M S P 430FW 427上位机液晶显示S CA N IF流量检测电机控制电池E 2 P R O M数据存储M B U S 通讯低功耗设计XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 18 3 硬件设计 根据总体设计的需求进行元件的选型，并完成原理图，再根据原理图完成 PCB图，最后制成实物。 主控芯片的选型 MSP430 系列单片机是 TI 公司 1996 年 推出的 一种 16 位 低功耗 单片机， 具有精简指令集（ RISC）的混合信号处理器（ Mixed Signal Processor）。 MSP430FW42x 系列单片机是 TI 公司针对电子式流量与旋转运动检测最新开发的专用 MCU 芯片 ,它将超低功耗 MCU、旋转扫描接口 (SCAN IF)和液晶显示 LCD驱动模块完美地结合在一起。 [6]该器件的超低功耗结构和流量检测模块不仅延长了电池 寿命 ,同时还提高了仪表的精度与性能。 [6]MSP430FW42x 的典型应用包括热量仪表、热水和冷水仪表、 气体仪表和工业流量计、风力计以及其他旋转检测应用。 [6] 其中 MSP430FW427 有 32K 的 Flash 存储器和 1KB 的 RAM，芯片大约 2 美元一片，在能完成所需功能的情况下尽量控制成本。 下图 为 MSP430FW42x 的内部结构框图。 图 MSP430FW42x 系列单片机内部结构框图 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 19 LC 振荡 电路设计 在 第二章中已经 介绍了 LC 振荡电路的原理。 本小节主要介绍 LC 振荡电路外围器件的连接，下图中 J4 连接 LC 传感器 1 的一端， LC 传感器 1 的另一端接到 J5， J6 连接 LC 传感器 2 的一段， LC 传感器 2 的另一端也接到 J5 上。 单片机的 SIFCOM,SIFCH0,SIFCH1 对应连接图中 SIFCOM,SIFCH0,SIFCH1。 图 SCAN IF 外围原理图 液晶显示硬件连接 MSP430FW427 的液晶模块最大驱动为 96 段。 其中公共端为 1 到 4 段可以编程选择。 本次设计中，我们使用 4 个公共端， 20 个 LCD 管脚，总计 24 个 IO 口，图中 S0S19，分别连接单片机 S0S19 的 IO 口。 图 液晶接线原理图 电机驱动电路 电机驱动电路使用的是 H 桥式电路 ， 使用 IO 口来控制三极管的导通 和 截止，从而 控制电流通过电机的方向。 当 K1 等于 1， K2 等于 0 时 ， Q7 截止， Q8 导通，所以 Q12 和 Q3 导通 ，电流方向为 J11 到 J12；当 K1 等于 0， K2 等于 1 时， Q7 导XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 20 通， Q8 截止，所以 Q11 和 Q2 导通， 电流方向为 J12 到 J11，当 K1K2 都等于 0 时，则 没有电流。 由于水表阀门使用的电机 并不需要电机调速，所以我们给出的信号只需是一个稳定的高低电平即可。 在遇到需要电机调速的情况时 ，在 K1 和 K2 端 给出一个可调占空比的 PWM 方波。 图 电机 H 桥驱动电路原理图 电流比较电路设计 当开始执行开关阀 门动作 时，打开比较器和 VREF， 图中 CA0 和 CA1 连接在比较器两端。 D5 是一个二极管， 由于二极管的钳位， D5 末端的电压为。 可以算出 CA1 处的电压为。 当电机正常转动时， H 桥流出的电流大约 20mA，则 CA0处的电压 小于 CA1，约 为 ，当电机 堵转 而产生大电流 时， 桥式电路下端的 电流大约 是 300mA，则 CA0 处的电压为 ， CA0 大于 CA1。 当 CA0 的电压大于CA1 的电压时，我们可以判断电机已经到达指定位置，为了防止电流过大烧坏电路，此时让 K1 和 K2 等于 0 关断 H 桥电路，使电机停止转动。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 21 图 电机电流比较原理图 下图是实测的电机开始转动到电机 堵 转的 电流检测图。 检测点是上图 R34 的上端， R34 是一个 1 欧的电阻。 电机刚启动 时有一个较大的启动电流，随后稳定在较低的值，当电机堵转后，电流又 急剧增加，并不再变化。 图 电机 电流 检测波形图 E2PROM 电路设计 图中 WP 标号 是单片机的一个 IO 口，连接在 E2PROM 的 VCC 引脚 上 ， 可以通过控制 IO 口的高低电平来控制 E2PROM 的电源开关，当我们不使用 E2PROM 时，WP 拉低，这时该模块的功耗为 0，可以降低功耗。 XXXXXXXX 本科毕业设计（论文） 22 图 E2PROM 原理图。