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，這可以大大降低產品的成本，同時又能滿足設計的要求。

關鍵詞： 電子天平；MSP430；S-D模數轉換

引言

隨著現代電子技術和微電腦技術的迅速發展，應用到天平領域，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，發展出了各種規格，門類齊全的系列電子天平，廣泛應用于各行各業的質量計量。

我國電子天平的發展，緊隨國際發達國家之后，于上世紀八十年代初期開始，現已形成規模化生產并廣泛應用到國內各領域，同時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、快速稱量、重量輕、操作簡便，抗干擾能力強等特點，并采用了微機技術使得智能化、多功能，可與打印機、計算機相聯機進行在線測量，數據統計分析等，使電子天平具有機械天平無法比擬的優點，因此應用范圍越來越廣泛。

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，學校，科研等單位，作物質質量的快速測定。

硬件設計

本系統由液晶顯示、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

本系統中采用的是TI公司最新發布的一款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，它是采用過采樣技術對信號進行采樣，然后通過數字濾波器進行濾波得到最終的轉換結果。所以在啟動模數轉換器之前要設定過采樣率。這個芯片內部模數轉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。在實際應用中，我們通過檢測內部溫度傳感器來補償溫度漂移，取得了很好的效果。

LCD

本設計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、生產量大，同時具有價格便宜的優點。

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的顯示方式，對于單片機來說，只要在相應的存儲單元寫入“1”或“0”就會點亮或熄滅相應的顯示單元，操作非常簡單。液晶模塊和單片機的接口為串行方式，由一根數據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鍵部分，在本設計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為低零漂的運算放大器，價格便宜。本電路關鍵是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到很高的標準。同時輸出的信號再經過RC網絡的濾波傳送到A/D轉換器的輸入端，可以確保測量信號的穩定。在實際使用中也確認了這一點。

軟件設計

本設計使用C語言編程，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

以內部帶16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，降低了產品的成本，同時又能夠達到足夠的精度。采用本設計的電子天平已經投入正式生產，在當前競爭激烈的市場上，憑借良好的性能價格比，取得了很好的經濟效益。

參考文獻：

1.  沈建華、楊艷琴、翟曉曙，“MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用”，清華大學出版社，2004.11.
2．  胡大可，“MSP430系列單片機C語言程序設計與開發”， 北京航空航天大學出版社，2005.1.
3．  “MSP430F42x0 mixed signal micro controller datasheet”，Texas Instruments Incorporated，2005
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5．  ”MSP430x2xx Family User's Guide Extract, “Texas Instruments Incorporated，2005