直流毫伏信號發(fā)生器設計

電子電路設計報告直流毫伏信號發(fā)生器摘要本設計采用兩塊MSP430F149微控制器作為控制核心并進行通訊，以AD（16位7705）和DA（兩片12位MAX539）模塊為信號的主要控制環(huán)節(jié)，通過矩陣鍵盤輸入給定值，兩塊LCD（1602）顯示輸出值，建立反饋環(huán)節(jié)，對輸出信號進行檢測并不斷校準；同時本設計兼有模擬熱電偶模式，485通訊協(xié)議，設置波特率以及485和上位機進行通訊等功能，并經多次測試、改進，已能完成題目中基礎要求和發(fā)揮部分的所有項目要求。關鍵詞：MSP430F149，ADC7705,DACMAX539,1602,485通訊，熱電偶目錄摘要HYPERLINK 1HYPERLINK1系統(tǒng)方案 3HYPERLINK1.1控制器的論證與選擇 3HYPERLINK1.2電源模塊的論證與選擇 3HYPERLINK1.3ADC的論證與選擇 4HYPERLINK1.4DAC的論證與選擇 4HYPERLINK1.5顯示模塊的論證與選擇 4HYPERLINK1.6485模塊的論證與選擇 5HYPERLINK2功能模塊電路設計 5HYPERLINK2.1系統(tǒng)結構圖 6HYPERLINK2.2模塊電路設計 6HYPERLINK2.2.1主控電路模塊設計 62.2.2ADC電路模塊設計HYPERLINK 62.2.3DAC電路模塊設計HYPERLINK 62.2.4穩(wěn)壓模塊設計HYPERLINK 72.2.5矩陣鍵盤設計HYPERLINK 72.2.6模擬電壓與數字電壓的切換HYPERLINK 72.2.7485通訊模塊的設計HYPERLINK 7HYPERLINK3軟件的設計 8HYPERLINK3.1軟件流程圖 8HYPERLINK3.2主程序 8HYPERLINK4測試方案與測試結果 9HYPERLINK4.1測試方案 9HYPERLINK4.2測試條件與儀器 9HYPERLINK4.3測試結果及分析 9HYPERLINK4.3.1測試結果 9HYPERLINK4.3.2測試結果說明 95元器件清單及價格表HYPERLINK 10 1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由控制器、電源模塊、ADC模塊、DAC模塊、顯示模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1控制器的論證與選擇方案一：STC89C52。這是一款應用非常廣泛的單片機，應用歷史較久，資料非常豐富。它使用8052內核芯片，具有含FlashEEPROM存儲器，但是只具有8KB的存儲空間，對于我們的程序來說太小。方案二：STM32F103。STM32F103的功能非常強大。提供算法庫（FFT，PID），Crotex-M3內核，速度比ARM7快，效率也有所提高，內部硬件集成實時時鐘，UART，SPI接口，IIC接口，16位的AD芯片等常用外設，但是價格比較貴，而且控制程序寫起來比較麻煩方案三：MSP430F149。MSP430F149是非常穩(wěn)定的一款單片機，具有60KB的Flash，2KB的RAM，12位的AD，硬件乘法器，11個定時器，48個IO口等豐富的資源，IO中斷很多，非常適合用于控制。功耗超低。綜合考慮：MSP430F149具有12位AD，在控制系統(tǒng)中經常涉及采樣，較之STC89C51方便，而且處理速度較快；STM32F103的功能無疑是最強大的，但是在本控制系統(tǒng)中對處理速度，內部處理庫的要求不是很高。綜合考慮選用MSP430F149芯片，它的性價比非常高，而且功耗極低，適合做本控制系統(tǒng)的處理器。1.2電源模塊的論證與選擇方案一：學生電源供電采用實驗室學生電源供電；優(yōu)點：方便調試缺點：電壓不穩(wěn)，對于直流毫伏信號發(fā)生器來說，噪聲太大影響輸出精度方案二：9V電池供電。采用一塊9Ｖ電池供電，即電源電壓為9V；優(yōu)點：輸出電壓較穩(wěn)，使用方便，適合作直流毫伏信號發(fā)生器的電源。缺點：價格相對較高。綜合考慮，顯然選擇方案二。1.3ADC模塊的論證與選擇方案一：8位的ADC芯片直接采用51單片機上的外設ADC0804，基礎要求是范圍0～＋1V，步進0.5mV，由ADC0804是8位的芯片，在1V的范圍內分辨率將近4mv，達不到精度要求。方案二：12位的ADC芯片采用12位的ADC芯片，基礎要求是范圍0～＋1V，步進0.5mV，由ADC是12位的芯片，在1V的范圍內步進可達到0.24mv，能達到基礎部分的精度要求，但是發(fā)揮部分的要求是范圍0～＋2V，步進0.1mV，所以難以達到要求。方案三：16位的ADC芯片采用ADC7705，這是一款16位的ADC芯片，精度更加的高，在2.5V參考電壓的情況下分辨率能達到0.03mv，滿足檢測步進0.1mV的要求。綜合考慮，選擇方案三1.4DAC模塊的論證與選擇方案一：16位的DAC芯片考慮到ADC芯片要達到精度要求必須要用16位的ADC芯片，所以要實現數模轉換也需要16位的芯片。但在查找的過程中，發(fā)現適合的16位的DAC芯片種類很少，而且價格比較貴。方案二：12位的DAC芯片一塊12位的DAC芯片顯然難以達到精度的要求，但是用兩塊12位DAC的組合，將其中一片DAC的輸出作為另一片DAC的參考電壓，理論上分辨率可以達到0.00012mv，所以完全滿足要求，而且12位的DAC的價格比16位的DAC要便宜的多。綜合考慮：選擇方案二1.5顯示模塊的論證與選擇方案一：12864液晶12864液晶屏幕比較大，可以任意顯示數字、字符和漢字，但是操作相對比較繁瑣，而且在直流毫伏信號發(fā)生器這個題目中，用12864相對來說有點浪費資源，而且成本高。方案二：1602液晶1602液晶為5V電壓驅動，可以顯示兩行，配置環(huán)境比較容易，能夠滿足本題目的所有顯示數據的要求，而且價格相對便宜。綜合考慮：選擇方案二1.6485模塊的論證與選擇方案一：直接用電容、電阻等搭建485模塊優(yōu)點：鍛煉搭建模塊的能力，有助于提高分析問題，處理問題的能力缺點：花費很多時間，而且需要很多器材，不易購買，費時費力，不確定搭建的模塊 是否能夠正常工作。方案二：直接使用430開發(fā)板上的485集成模塊優(yōu)點：節(jié)省時間和精力，能夠快速的入手485操作缺點：相對比較貴綜合考慮：選擇方案二2功能模塊電路設計485通訊模塊2.1系統(tǒng)結構圖485通訊模塊LCD(1602)顯示模塊A輸LCD(1602)顯示模塊A輸入模塊（矩陣鍵盤）MCU（MSP430F149A）DAC(MAX539)模塊、穩(wěn)壓(MAX873)模塊DAC(MAX539)模塊、穩(wěn)壓(MAX873)模塊ADC模塊（7705）ADC模塊（7705）MCUMCU（MSP430F149B）LCD（1602）LCD（1602）顯示模塊B圖1系統(tǒng)結構圖2.2模塊電路設計2.2.1主控電路模塊的設計MSP430F149電路原理圖圖2主控電路模塊設計圖2.2.2ADC電路模塊的設計 圖3ADC電路模塊設計圖2.2.3DAC電路模塊的設計圖4DAC電路模塊設計圖2.2.4穩(wěn)壓模塊的設計圖5穩(wěn)壓模塊設計圖2.2.5矩陣鍵盤的設計圖6矩陣鍵盤設計圖2.2.6模擬電壓與數字電壓的切換圖7模擬電壓與數字電壓切換圖2.2.7485通訊模塊圖8485通訊模塊的設計3程序設計3.1軟件流程圖MSP430F149A控制部分圖9程序流程圖（430A）MSP430F149B控制部分圖10程序流程圖（430B）3.2主程序（調試程序）注：詳見附件14測試方案與測試結果4.1測試方案1、硬件測試在硬件測試方面：將相應功能模塊的測試例程下載主控中，通過430來測試每個模塊是否能實現相應功能。2、軟件測試在軟件測試方面：采用自下而上的調試方式，先進行模塊測試程序的調試，待全部通過之后將所有的軟件程序串接起來并結合硬件電路進行整體調試。4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：模擬示波器，數字萬用表。4.3測試結果及說明4.3.1測試結果電壓輸出模式設定電壓值/mv00.10.511050100500100015002000ADC測得的電壓值/mv00.120.531.0610.0350.04100.02500.071000.071500.302000.19誤差電壓/mv00.020.030.060.030.040.020.070.070.30.19萬用表測得的電壓/mv00.81.31.710.850.6100.449999714941993模擬熱電偶模式設定溫度/℃01010050010001200理論電壓值/mv00.5005.26027.38057.93969.530ADC測得的電壓值/mv00.5705.26027.35057.94069.540誤差電壓/mv00.07000.0300.0010.01萬用表測得的電壓/mv0.71.35.928.058.470.14.3.1測試結果說明經過幾天的調試與測試，記錄了以上幾組數據，測試結果表明，我們的作品直流毫伏信號發(fā)生器實現了量程0—2V，步進0.1毫伏的要求，實現了485的通訊，且可以設置波特率，能顯示實際值與設定值之間的誤差，同時也有模擬J型熱電偶分度簡表的功能，檢測部分為單獨的一個模塊，可以外接測量其他電壓，上位機用VB編寫，能夠通過485連接與信號發(fā)生器進行通訊，可以設置電壓和模擬熱電偶，也能設置波特率。5、元器件清單及價格表 器件名稱數量價格0832芯片3塊50元0804芯片2塊mas485芯片2片MAX485RS485模塊1塊19.8元RS485轉TTL模塊1塊通信模塊1塊收發(fā)器5V1個16位ADC模塊1個42元USB轉485模塊1個22元MAX539BESA芯片3塊56元MAX873ACSA3塊38元SOP-8轉DIP-8電路板10塊(30片)17元焊錫2m50元杜邦線若干普通悍板3塊電阻、電容、穩(wěn)壓芯片若干9V電池2塊7