基于MSP430F4250的高精度電子天平設(shè)計(jì)

摘要： 本文介紹了一種利用內(nèi)部帶S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)MSP430F4250構(gòu)成的電子天平設(shè)計(jì)方案，這可以大大降低產(chǎn)品的成本，同時又能滿足設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞： 電子天平；MSP430；S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換

引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和微電腦技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用到天平領(lǐng)域，出現(xiàn)了電子天平。從上世紀(jì)七十年代末期出現(xiàn)世界上第一臺電子天平起，短短三十幾年中，發(fā)展出了各種規(guī)格，門類齊全的系列電子天平，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的質(zhì)量計(jì)量。

我國電子天平的發(fā)展，緊隨國際發(fā)達(dá)國家之后，于上世紀(jì)八十年代初期開始，現(xiàn)已形成規(guī)?；a(chǎn)并廣泛應(yīng)用到國內(nèi)各領(lǐng)域，同時也部分出口世界上許多國家。

電子天平具有數(shù)字顯示，直接讀數(shù)、快速稱量、重量輕、操作簡便，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并采用了微機(jī)技術(shù)使得智能化、多功能，可與打印機(jī)、計(jì)算機(jī)相聯(lián)機(jī)進(jìn)行在線測量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等，使電子天平具有機(jī)械天平無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍越來越廣泛。

本設(shè)計(jì)的電子天平采用高性能單片微處理器控制，確保稱量結(jié)果的高精確度和高穩(wěn)定性。附有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口輸出，可直接連接打印機(jī)、計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備，廣泛適用于工農(nóng)業(yè)，學(xué)校，科研等單位，作物質(zhì)質(zhì)量的快速測定。

硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由液晶顯示、鍵盤輸入、前置放大、MCU、報警輸出、ISP下載、RS-232接口和電源等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 電子天平框圖

MCU

本系統(tǒng)中采用的是TI公司最新發(fā)布的一款MSP430系列單片機(jī)MSP430F4250。該款單片機(jī)和以往的型號的最大區(qū)別就是內(nèi)部集成了16位S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(圖2)。

圖2  MSP430F4250內(nèi)部S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)

S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不同，它是采用過采樣技術(shù)對信號進(jìn)行采樣，然后通過數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。所以在啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前要設(shè)定過采樣率。這個芯片內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊過采樣率可選32~1024。過采樣率越大，濾波效果越好，但是響應(yīng)速度越慢。本設(shè)計(jì)的電子天平要求測量結(jié)果精確穩(wěn)定，對系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高，所以設(shè)置為最大過采樣率1024。

內(nèi)部PGA(可編程放大器)放大倍數(shù)設(shè)置不同，則系統(tǒng)的靈敏度也不同，但是放大倍數(shù)越大，信噪比越小。在本設(shè)計(jì)中選擇設(shè)置為放大倍數(shù)等于1，以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)換精度。

為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，減小溫度變化引起的轉(zhuǎn)換誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過檢測內(nèi)部溫度傳感器來補(bǔ)償溫度漂移，取得了很好的效果。

LCD

本設(shè)計(jì)使用專用的電子天平液晶顯示模塊，相比通用型液晶顯示模塊顯示信息豐富而有針對性，而且由于功能簡單、生產(chǎn)量大，同時具有價格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

專用型液晶顯示模塊采用了存儲單元和顯示單元一一對應(yīng)的顯示方式，對于單片機(jī)來說，只要在相應(yīng)的存儲單元寫入“1”或“0”就會點(diǎn)亮或熄滅相應(yīng)的顯示單元，操作非常簡單。液晶模塊和單片機(jī)的接口為串行方式，由一根數(shù)據(jù)線和讀寫信號線組成。由于MSP430F4250沒有讀寫信號線，所以用I/O口來控制讀寫時序，同樣非常方便。

前置放大

前置放大電路使保證測量精度的關(guān)鍵部分，在本設(shè)計(jì)中采用了儀器放大器的基本電路，用兩個OP07組成，如圖3所示。

圖3    前置放大電路

OP07為低零漂的運(yùn)算放大器，價格便宜。本電路關(guān)鍵是R13和R14這兩個電阻需要精確的匹配。在裝配過程中R13和R14使用了精度為0.1%的精密電阻，再加上人工的精確匹配，使本電路的漂移和共模抑制比都能達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)。同時輸出的信號再經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)的濾波傳送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，可以確保測量信號的穩(wěn)定。在實(shí)際使用中也確認(rèn)了這一點(diǎn)。

軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用C語言編程，編譯調(diào)試工具使用IAR的EW430 3.30a，高效地完成了本電子天平的程序設(shè)計(jì)。

結(jié)語

以內(nèi)部帶16位S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)MSP430F4250為核心組成的電子天平，省去了獨(dú)立的S-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，降低了產(chǎn)品的成本，同時又能夠達(dá)到足夠的精度。采用本設(shè)計(jì)的電子天平已經(jīng)投入正式生產(chǎn)，在當(dāng)前競爭激烈的市場上，憑借良好的性能價格比，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

1.  沈建華、楊艷琴、翟曉曙，“MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用”，清華大學(xué)出版社，2004.11.
2．  胡大可，“MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)”， 北京航空航天大學(xué)出版社，2005.1.
3．  “MSP430F42x0 mixed signal micro controller datasheet”，Texas Instruments Incorporated，2005
4．  “MSP430x4xx Family User's Guide (Rev. E)“, Texas Instruments Incorporated，2005
5．  ”MSP430x2xx Family User's Guide Extract, “Texas Instruments Incorporated，2005