基于单片机的时钟设计.docx
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基于单片机的时钟设计
毕业设计说明书
基于MSP430单片机的时钟设计
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期
基于MSP430单片机的时钟设计
摘要:
MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。
说明书介绍了以MSP430F149单片机为核心的时钟系统的设计。
在硬件电路方面,采用SPX1117低压差稳压器为单片机提供电源,它将5V电压转化为3.3V提供给单片机;用4*4矩阵键盘进行输入;在时间的显示上采用了两种方法显示,即LED数码显示和LCD液晶显示;除此以外,在电路板上还留有供扩展电路应用的引脚接口。
在软件设计方面,完成了键盘扫描程序、显示模块程序以及系统主程序的设计。
由于采用MSP430为核心,它的超低功耗的特点使得整个系统的功耗非常的低,一个普通的钮扣电池可使用长达10年之久。
另外,由于片内具有丰富的外围电路,加之电路板上留有供扩展电路应用的引脚接口,还可以对其增加一些功能,比如整点报时、温度显示等。
关键词:
MSP430;时钟设计;矩阵键盘;LCD
TheDesignofClockBasedonMCU430
Abstract:
TheseriesofMSP430isa16bit,withRISC,ultra-lowpowermixedMCU.
TheBrochureintroducesthedesignofclocksystemwiththecoreofMSP430F149MCU.Inhardwareelectriccircuitaspect,IadoptSPX11117lowpressManostattoprovideelectricalsourceforMCU.Ittranslates5Vpressinto3.3VthenprovidesittoMCU.Andituse4*4matrixkeyboardtoinput.Andinthedisplayoftimeaspect,Iusetwowaysofshowing:
LEDandLCD.Otherwise,Iremainsomecitewayforextendingtheuseofelectro-circuit.Inthedesignofsoftware,Ifinishthescanprocessofkeyboard,theprogrammerofdisplaymodule,andthedesignofthemainprocessofthesystem.ChosenMSP430whichisovertakelowconsumeasitiscore,sothecostofthewholesystemisverylow,abuttonbatteriescanbeusedfortenyears.Inaddition,becausealotofcircuitsareinit,andbecausetherearesomecitewaysremainedforextendingtheuseofelectro-circuit,wecanstilladdsomefunctionstoit,suchasgivethecorrecttimewhenitisthefulltime,thedisplayoftemperatureandsoon.
Keywords:
MSP430;Clockdesign;Matrixkeyboard;LCD
基于MSP430单片机的时钟设计
1概述
时钟,自从它发明的那天起,就成为人类的朋友,但随着时间的推移,科学技术的不断发展,人们对时间计量的精度要求越来越高,应用越来越广。
现今,高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器。
由于电子钟、石英表、石英钟都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调校。
数字式电子钟用集成电路计时,译码代替机械式传动,用LED显示器代替指针显示进而显示时间,减小了计时误差,这种表具有时、分、秒显示时间的功能,还可以进行时和分的校对,片选的灵活性好。
时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用,是保证系统正常工作的基础。
在一个单片机应用系统中,时钟有两方面的含义:
一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号,主要由晶振和外围电路组成,晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢;二是指系统的标准定时时钟,即定时时间,它通常有两种实现方法:
一是用软件实现,即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现,但误差很大,主要用在对时间精度要求不高的场合;二是用专门的时钟芯片实现,在对时间精度要求很高的情况下,通常采用这种方法,典型的时钟芯片有:
DS1302,DS12887,X1203等都可以满足高精度的要求。
目前单片机应用于各个领域,其应用于仪器仪表中显得更为优越。
基于单片机控制的电子时钟具有计时准确、功耗低等优点。
美国德州仪器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。
集多种领先技术于一体,以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念,给人以耳目一新的感觉。
加之TI优良的服务,充分体现了世界级著名IC厂商的势力和综合优势。
TI公司从1996年推出MSP430系列开始到2000年初,推出了33X、32X、31X等几个系列。
MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块,对提高系统的集成度较有利。
每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)和EPROM型(E)等芯片。
EPROM型的价格昂贵,运行环境温度范围窄,主要用于样机开发。
这也表明了这几个系列的开发模式,即用户可以用EPROM型开发样机,用OTP型进行小批量生产,而ROM型适应大批量产品的生产。
随着FLASH技术的迅速发展,TI公司也将这一技术引入MSP430系列单片机中。
2000年推出了F11X/11X1系列,这个系列采用20脚封装,内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少,价格也比较低廉。
在2000年7月推出了带ADC或硬件乘法器的F13X/F14X系列。
在2001年7月到2002年又相继推出了带LCD控制器的F41X、F43X、F44X。
TI在2003到2004年期间推出了F15X和F16X系列产品。
在这一新的系列中,有了两个方面的发展:
一是增加了RAM的容量,如F1611的RAM容量增加到了10KB,这样就可以引入实时操作系统(RTOS)或简单文件系统等;二是从外围模块来说,增加了DMA、DAC12和SVS等模块。
另外,TI在2004年下半年推出了MSP430X21X系列,该系列是对MSP430X1XX片内外设的进一步精简,价格低廉,适合做一些简单的应用。
MSP430系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域,如仪器仪表、自动控制以及消费品领域,更适合用于一些电池供电的低功耗产品,如能量表、手持式设备、智能传感器等,以及需要较高运算性能的智能仪器设备。
此次设计就是用MSP430F149单片机设计数字时钟,在硬件电路方面,采用SPX1117低压差稳压器为单片机提供电源,它将5V电压转化为3.3V提供给单片机;用4*4矩阵键盘进行输入;在时间的显示上介绍了两种方法显示,即LED数码显示和LCD液晶显示;除此以外,在电路板上还留有供扩展电路应用的引脚接口。
在软件设计方面,完成了键盘扫描程序、显示模块程序以及系统主程序的设计。
通过此次设计,可以了解MSP430F149的内部结构,理解其工作原理,同时可以掌握一般电子系统的调试方法。
2课题研究背景与意义
单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展,但对处理器的综合性能要求也越来越高。
综观单片机的发展,以应用需求为目标,市场越来越细化,充分突出以“单片”解决问题,而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心,外扩各种接口构成各种应用系统。
单片机系统作为嵌入式系统的一部分,主要集中在中、低端应用领域(嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成),在这些应用中,目前也出现了一些新的需求,主要体现在以下几个方面:
a.以电池供电的应用越来越多,而且由于产品体积的限制,很多是用纽扣电池供电,要求系统功耗尽可能低,如手持式仪表、玩具等。
b.随着应用的复杂,对处理器的功能和性能要求不断提高。
既要外设丰富、功能灵活,又要有一定的运算能力,能做一些实时算法,而不仅仅做一些简单的控制。
c.产品更新速度快,开发时间短,希望开发工具简单、廉价、功能完善。
特别是仿真工具要有延续性,能适应多种MCU,以免重复,增加开发费用。
d.产品性能稳定,可靠性高,既能加密保护,又能方便升级。
2.1课题研究背景
目前单片机应用于各个领域,其应用于仪器仪表中显得更为优越。
以单片机制成的电子时钟具有计时准确、功耗低的优点,从而得到了许多领域的广泛应用。
单片机正处在微控制器的全面发展阶段,各公司的产品在尽量兼容的同时,向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。
单片机的发展推动了应用系统的发展,应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求,从而促进单片机的发展。
单片机正向着功能更强、速度更快、功耗更低、辐射更小的方向发展。
随着集成度的不断提高,把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件,这也是单片机以后发展的重要趋势。
除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外,随着单片机档次的提高,以适应检测、控制功能更高的要求,片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。
2.2课题研究意义
数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能,诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备,甚至各种定时电器的自动启用等,所有这些都是以钟表数字化为基础的。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
通过对此次的时钟电路的设计,一方面可以巩固已经学习过的专业知识,比如Protel99SE的使用等;另一方面可以了解并掌握一些新的知识,比如此次所用的核心芯片MSP430单片机以及LCD液晶显示器等。
通过这次毕业设计,可以将我的综合能力提升很多,学习很多东西,为以后的学习生活打下坚实的基础。
3MSP430F149介绍
MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机,具有强大的综合优势。
在运算能力方面,MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
在运算速度方面,MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下,实现125ns的指令周期。
16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。
MSP430系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便。
当系统处于省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒只用6µs。
超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
由于系统运行时打开的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共计有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。
在等待方式下,耗电为0.7µA,在节电方式下,最低可达0.1µA。
另外,MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
MSP430F149是MSP430X14X系列的一种,、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟。
3.1MSP430F149芯片特点
a.低电源电压范围:
1.8~3.6V。
b.超低功耗:
2.5µA@4KHz,2.2V;280µA@1MHz,2.2V。
c.5种节电方式:
等待方式1.6µA;
RAM保持的节电方式0.1µA。
d.从等待方式唤醒时间小于6µA。
e.16位RISC结构,125ns指令周期。
f.基本时钟模块配置:
高速晶体(最高8MHz);低速晶体(32768Hz);DCO。
g.配合外部器件可构成单斜边A/D转换器。
h.12位200Ksps的A/D转换器,自带采样保持。
i.内部温度传感器。
j.具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A,Timer_B。
k.两通道串行通信接口可用于异步或同步(UART/SPI)模式。
l.6个8位并行端口,且2个8位端口有中断能力。
m.硬件乘法器。
n.多达60KBFLASHROM和2KBRAM。
o.串行在线系统编程。
p.保密熔丝的程序代码保护。
3.2MSP430F149芯片引脚
MSP430F149芯片共有64个引脚,其中有48个为I/O引脚,具体说明如表3-1所示。
表3-1MSP430F149芯片引脚说明表
引脚
I/O
说明
名称
序号
P1.0/TACLK
12
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,TACLK时钟信号输入
P1.1/TA0
13
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,捕获:
CCI0A输入,
比较:
OUT0输出
P1.2/TA1
14
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,捕获:
CCI1A输入,
比较:
OUT1输出
P1.3/TA2
15
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,捕获:
CCI2A输入,
比较:
OUT2输出
P1.4/SMCLK
16
I/O
通用数字I/O引脚/SMCLK信号输出
P1.5/TAO
17
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,比较:
OUT0输出
P1.6/TA1
18
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,比较:
OUT1输出
P1.7/TA2
19
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,比较:
OUT2输出
P2.0/ACLK
20
I/O
通用数字I/O引脚/ACLK输出端
P2.1/TAINCLK
21
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,INCLK时钟信号
P2.2/CAOUT/TA0
22
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,捕获:
CCI0B输入,
比较:
OUT0输出
P2.3/CA0/TA1
23
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,捕获:
CCI0B输入,
比较:
OUT0输出
P2.4/CA1/TA2
24
通用数字I/O引脚/Timer_A,比较:
OUT2输出
P2.5/Rosc
25
I/O
通用数字I/O引脚/外接一电阻用以确定DCO的工作频率
续表3-1:
引脚
I/O
说明
名称
序号
P2.6/ADC12CLK
26
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器的转换时钟
P2.7/TA0
27
I/O
通用数字I/O引脚/Timer_A,比较:
OUT0输出
P3.0/STE0
28
I/O
通用数字I/O引脚/从属传输使能:
USART0/SPI模式
P3.1/SIMO0
29
I/O
通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输入或主输出
P3.2/SOMI0
30
I/O
通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输出或主输入
P3.3/UCLK0
31
I/O
通用数字I/O引脚/外部时钟输入—USART0/UART或SPI模式,时钟输出——USART0/SPI模式
P3.4/UTXD0
32
I/O
通用数字I/O引脚/发送数据输出——USART0/UART模式
P3.5/URXD0
33
I/O
通用数字I/O引脚/接收数据输入——USART0/UART模式
P3.6/UTXD1
34
I/O
通用数字I/O引脚/发送数据输出——USART1/UART模式
P3.7/URXD1
35
I/O
通用数字I/O引脚/接收数据输入——USART1/UART模式
P4.0/TB0
36
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR0
P4.1/TB1
37
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR1
P4.2/TB2
38
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR2
P4.3/TB3
39
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR3
P4.4/TB4
40
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR4
P4.5/TB5
41
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR5
P4.6/TB6
42
I/O
通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口——定时器B_7CCR6
P4.7/TBCLK
43
I/O
通用数字I/O引脚/定时器B_3的输入时钟TBCLK
P5.0/STE1
44
I/O
通用数字I/O引脚/从机发送使能——USART1/SPI模式
续表3-1:
引脚
I/O
说明
名称
序号
P5.1/SIMO1
45
I/O
通用数字I/O引脚/USART1的从输入、主输出或SPI模式
P5.2/SOMI1
46
I/O
通用数字I/O引脚/USART1的从输出、主输入或SPI模式
P5.3/UCLK1
47
I/O
通用数字通用I/O引脚/外部时钟输入——USART1/UART或SPI模式,时钟输出——USART1/SPI模式
P5.4/MCLK
48
I/O
通用数字I/O引脚/主系统时钟MCLK输出
P5.5/SMCLK
49
I/O
通用数字I/O引脚/子系统时钟SMCLK输出
P5.6/ACLK
50
I/O
通用数字I/O引脚/辅助时钟ACLK输出
P5.7/TBOUTH
51
I/O
通用数字I/O引脚/切换所有的PWM数字输出口为高阻抗定时器B_3TB0~TB2
P6.0/A0
59
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道0
P6.1/A1
60
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道1
P6.2/A2
61
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道2
P6.3/A3
2
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道3
P6.4/A4
3
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道4
P6.5/A5
4
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道5
P6.6/A6
5
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道6
P6.7/A7
6
I/O
通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道7
RST/NMI
58
I
复位输入/不可屏蔽中断输入口,或自动加载程序启动(FLASH版本器件有此功能)
TCK
57
I
测试时钟,TCK是用于器件测试与自动加载程序启动的时钟输入接口(FLASH版本器件有此功能)
TMS
56
I
测试方式选择,器件编程与测试的输入口
TDI
55
I
测试数据输入口,器件的保护熔丝被连接到TDI
TDO/TDI
54
I/O
测试数据输出口/编程数据输入口
VeREF+
10
I/O
送到模数转换器ADC12的外部基准电压
VREF+
7
O
模数转换器ADC12的内部基准电压的正输入端
VREF-/VeREF-
11
O
模数转换器ADC12的内部基准电压或外部加的基准电压负端
XIN
8
I
晶体震荡器XT1的输入口
XOUT/TCLK
9
I/O
晶体震荡器XT1的输出口或测试时钟的输入口
续表3-1:
引脚
I/O
说明
名称
序号
XT2IN
53
I
晶体震荡器XT2的输入口,只能接标准晶体
XT2OUT
52
O
晶体震荡器XT2的输出口
AVcc
64
模拟电源的正输入端,送到模数转换器ADC12的模拟部分
AVss
62
模拟电源的负输入端,送到模数转换器ADC12的模拟部分
DVcc
1
数字电源的正输入端
DVss
63
数字电源的负输入端
3.3MSP430F149芯片处理单元
处理单元基于一种一致的正交设计的CPU和指令集,这种设计结构形成了一种对应用开发高度透明,并以编程简单著称的类RISC体系。
除了程序流指令以外的所有操作,都是作为寄存器操作连同7种源寻址方式和4种目的操作数寻址方式来执行的。
MSP430F149芯片CPU有16个寄存器提供精简指令执行时间。
存储器到寄存器操作执行时间被减少到处理器频率的一个周期,4个寄存器被保留,专门用作程序计数器、堆栈计数器、状态寄存器和常数发生器。
其余的寄存器可用作通用寄存器。
外设利用一个数据地址和控制总线连接到CPU,并能容易利用内存处理指令操作。
3.4MSP430F149芯片运行模式
MSP430F149具有一种活动模式和五种软件可选的低功耗运行模式。
一个中断事件可以将芯片从五种低功耗模式中的任何一种唤醒为请求服务并在从中断程序返回时恢复低功耗模式。
下列六种运行模式由软件配置:
a.活动模式AM
-所有时钟活动
b.低功耗模式0(LPM0)
-CPU关闭
ACLK和SMCLK保持活动,MCLK关闭
c.低功耗模式1(LPM1)
-CPU关闭
ACLK和SMCLK保持活动,MCLK关闭
如果DCO在活动模式中没有使用,DCO的直流发生器将关闭
d.低功耗模式2(LPM2)
-CPU关闭;ACLK保持活动
MCLK、FLL+,DCOCLK关闭
DCO的直流发生器保持活动
e.
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- 基于 单片机 时钟 设计
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