基于MSP430F4250的高精度電子天平設計

摘要： 本文介紹了一種利用內部帶S-D模數轉換器的單片機MSP430F4250構成的電子天平設計方案，這可以大大降低產(chǎn)品的成本，同時(shí)又能滿(mǎn)足設計的要求。

關(guān)鍵詞： 電子天平；MSP430；S-D模數轉換

引言

隨著(zhù)現代電子技術(shù)和微電腦技術(shù)的迅速發(fā)展，應用到天平領(lǐng)域，出現了電子天平。從上世紀七十年代末期出現世界上第一臺電子天平起，短短三十幾年中，發(fā)展出了各種規格，門(mén)類(lèi)齊全的系列電子天平，廣泛應用于各行各業(yè)的質(zhì)量計量。

我國電子天平的發(fā)展，緊隨國際發(fā)達國家之后，于上世紀八十年代初期開(kāi)始，現已形成規?；a(chǎn)并廣泛應用到國內各領(lǐng)域，同時(shí)也部分出口世界上許多國家。

電子天平具有數字顯示，直接讀數、快速稱(chēng)量、重量輕、操作簡(jiǎn)便，抗干擾能力強等特點(diǎn)，并采用了微機技術(shù)使得智能化、多功能，可與打印機、計算機相聯(lián)機進(jìn)行在線(xiàn)測量，數據統計分析等，使電子天平具有機械天平無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此應用范圍越來(lái)越廣泛。

本設計的電子天平采用高性能單片微處理器控制，確保稱(chēng)量結果的高精確度和高穩定性。附有標準的RS-232接口輸出，可直接連接打印機、計算機等外部設備，廣泛適用于工農業(yè)，學(xué)校，科研等單位，作物質(zhì)質(zhì)量的快速測定。

硬件設計

本系統由液晶顯示、鍵盤(pán)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

本系統中采用的是TI公司最新發(fā)布的一款MSP430系列單片機MSP430F4250。該款單片機和以往的型號的最大區別就是內部集成了16位S-D模數轉換模塊(圖2)。

圖2  MSP430F4250內部S-D模數轉換模塊的結構

S-D模數轉換模塊和傳統的模數轉換器不同，它是采用過(guò)采樣技術(shù)對信號進(jìn)行采樣，然后通過(guò)數字濾波器進(jìn)行濾波得到最終的轉換結果。所以在啟動(dòng)模數轉換器之前要設定過(guò)采樣率。這個(gè)芯片內部模數轉換模塊過(guò)采樣率可選32~1024。過(guò)采樣率越大，濾波效果越好，但是響應速度越慢。本設計的電子天平要求測量結果精確穩定，對系統響應速度要求不高，所以設置為最大過(guò)采樣率1024。

內部PGA(可編程放大器)放大倍數設置不同，則系統的靈敏度也不同，但是放大倍數越大，信噪比越小。在本設計中選擇設置為放大倍數等于1，以達到最高的轉換精度。

為了進(jìn)一步提高轉換的穩定性，減小溫度變化引起的轉換誤差。在實(shí)際應用中，我們通過(guò)檢測內部溫度傳感器來(lái)補償溫度漂移，取得了很好的效果。

LCD

本設計使用專(zhuān)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(jiǎn)單、生產(chǎn)量大，同時(shí)具有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

專(zhuān)用型液晶顯示模塊采用了存儲單元和顯示單元一一對應的顯示方式，對于單片機來(lái)說(shuō)，只要在相應的存儲單元寫(xiě)入“1”或“0”就會(huì )點(diǎn)亮或熄滅相應的顯示單元，操作非常簡(jiǎn)單。液晶模塊和單片機的接口為串行方式，由一根數據線(xiàn)和讀寫(xiě)信號線(xiàn)組成。由于MSP430F4250沒(méi)有讀寫(xiě)信號線(xiàn)，所以用I/O口來(lái)控制讀寫(xiě)時(shí)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，在本設計中采用了儀器放大器的基本電路，用兩個(gè)OP07組成，如圖3所示。

圖3    前置放大電路

OP07為低零漂的運算放大器，價(jià)格便宜。本電路關(guān)鍵是R13和R14這兩個(gè)電阻需要精確的匹配。在裝配過(guò)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到很高的標準。同時(shí)輸出的信號再經(jīng)過(guò)RC網(wǎng)絡(luò )的濾波傳送到A/D轉換器的輸入端，可以確保測量信號的穩定。在實(shí)際使用中也確認了這一點(diǎn)。

軟件設計

本設計使用C語(yǔ)言編程，編譯調試工具使用IAR的EW430 3.30a，高效地完成了本電子天平的程序設計。

結語(yǔ)

以?xún)炔繋?6位S-D模數轉換器的單片機MSP430F4250為核心組成的電子天平，省去了獨立的S-D模數轉換器，降低了產(chǎn)品的成本，同時(shí)又能夠達到足夠的精度。采用本設計的電子天平已經(jīng)投入正式生產(chǎn)，在當前競爭激烈的市場(chǎng)上，憑借良好的性能價(jià)格比，取得了很好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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