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1、MSP430G2系列Launchpad開(kāi)發(fā)板應(yīng)用實(shí)例作品基于MSP430G2211實(shí)現(xiàn)的多路電源開(kāi)關(guān)控制器秦臻美國(guó)德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)上海（有限）公司西安電子科技大學(xué)MSP430單片機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2011年12月第一章作品概述2第一節(jié)基本情況2第二節(jié)軟硬件總體設(shè)計(jì)方案2第二章作品硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3第一節(jié)MSP430G2系列Launchpad開(kāi)發(fā)板組成及硬件資源情況介紹3第二節(jié)關(guān)鍵器件選型以及性能指標(biāo)參數(shù)4第三節(jié)單元電路介紹4第五節(jié)PCB板設(shè)計(jì)要求和注意事項(xiàng)9第六節(jié)安裝調(diào)試注意事項(xiàng)10第三章作品軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)11第一節(jié) 程序流程圖介紹11第二節(jié)CCS設(shè)計(jì)與調(diào)試方法介紹12第四章總結(jié)與思考17第一章 作品概

2、述第一節(jié) 基本情況本作品使用MSP430G2211單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)按鍵對(duì)四路功率繼電器進(jìn)行選擇控制，達(dá)到對(duì)四路交流電源加電/斷電的控制要求，由于是對(duì)220V市電進(jìn)行控制，所以作品中盡可能的考慮了使用安全問(wèn)題，使用了隔離電路以及在每一路上都有功率限制。第二節(jié) 軟硬件總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如下圖1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 為了實(shí)現(xiàn)安全的控制220V的交流電，本作品使用隔離控制大功率繼電器的方式實(shí)現(xiàn)。220V交流電引入系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)繼電器和保險(xiǎn)管后再經(jīng)過(guò)四路插座輸出。在控制繼電器的方式上，為了安全起見(jiàn)，控制信號(hào)通過(guò)光耦隔離之后控制繼電器。本作品可以實(shí)現(xiàn)4路220W的功率輸出控制。各個(gè)模塊之間的具體

3、工作關(guān)系如下，用戶通過(guò)鍵盤像MSP430處理器發(fā)送命令，MSP430G2211處理器在檢測(cè)到案件后，會(huì)對(duì)相應(yīng)的繼電器控制I/O置位，注意此時(shí)的控制信號(hào)是隔離之前的信號(hào)；此信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離模塊之后交給控制模塊，用來(lái)控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，從而使得不同的通道導(dǎo)通。第二章 作品硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié) MSP430G2系列Launchpad開(kāi)發(fā)板組成及硬件資源情況介紹MSP430G2系列Launchpad是TI推出的一款低成本的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它適用于適用于TI 最新MSP430G2xx 系列產(chǎn)品其基于USB 的集成型仿真器可提供為全系列MSP430G2xx 器件開(kāi)發(fā)應(yīng)用所必需的所有軟、硬件。LaunchPad 具有

4、集成的DIP 目標(biāo)插座，可支持多達(dá)20 個(gè)引腳，從而使MSP430 Value Line 器件能夠簡(jiǎn)便地插入LaunchPad 電路板中。此外，其還可提供板上Flash 仿真工具，以直接連接至PC 輕松進(jìn)行編程、調(diào)試和評(píng)估。LaunchPad 試驗(yàn)板還能夠?qū)Z430-RF2500T 目標(biāo)板、eZ430-Chronos 手表模塊eZ430-F2012T/F2013T 目標(biāo)板進(jìn)行編程。此外，它還提供了從MSP430G2xx 器件到主機(jī)PC 或相連目標(biāo)板的9600 波特UART 串行連接。MSP430G2系列Launchpad開(kāi)發(fā)板硬件資源： USB 調(diào)試與編程接口無(wú)需驅(qū)動(dòng)即可安裝使用，且具備高達(dá)

5、9600 波特的UART 串行通信速度 支持所有采用PDIP14 或PDIP20 封裝的MSP430G2xx 和MSP430F20xx 器件 分別連接至綠光和紅光LED 的兩個(gè)通用數(shù)字I/O 引腳可提供視覺(jué)反饋 兩個(gè)按鈕可實(shí)現(xiàn)用戶反饋和芯片復(fù)位 器件引腳可通過(guò)插座引出，既可以方便的用于調(diào)試，也可用來(lái)添加定制的擴(kuò)展板 高質(zhì)量的20 引腳DIP 插座，可輕松簡(jiǎn)便地插入目標(biāo)器件或?qū)⑵湟瞥诙?jié) 關(guān)鍵器件選型以及性能指標(biāo)參數(shù)作為大功率電源開(kāi)關(guān)的核心器件，大功率繼電器的選型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和性能都起著至關(guān)重要的作用。本作品中選用了廈門宏發(fā)電聲生產(chǎn)的HF115-1ZS1型大功率繼電器。其關(guān)鍵指標(biāo)如下：1

6、. 觸點(diǎn)負(fù)載達(dá)到12A,250VAC,完全可以滿足1A,220VAC的通過(guò)能力要求2. 最大切換電壓和電流達(dá)到440VAC和12A。3. 觸點(diǎn)間耐壓達(dá)到1000VAC。實(shí)物圖如圖2.1所示圖2.1 繼電器實(shí)物圖在對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求上，該繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)規(guī)格為：驅(qū)動(dòng)電壓大于3.5V，驅(qū)動(dòng)電流大于80mA。綜上可見(jiàn)，HF115-1ZS1型大功率繼電器可以完全滿足本作品的要求。第三節(jié) 單元電路介紹1. MSP430G2211控制系統(tǒng)模塊模塊電路如下圖2.2 單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊電路如圖2.1所示，P1.6,P1.7,P2.6,P2.7用于產(chǎn)生四個(gè)繼電器的控制信號(hào)，由于本系統(tǒng)是用于大功率電源控制，從安全上考慮

7、，在系統(tǒng)上電單片機(jī)復(fù)位階段，由于I/O電平不確定，有可能會(huì)給后級(jí)帶來(lái)安全隱患，所以這里將四路I/O口全部下拉，用改變I/O口方向的方法實(shí)現(xiàn)控制電平的切換。這樣，在系統(tǒng)復(fù)位到對(duì)I/O初始化的過(guò)程內(nèi)電平都可控。確保了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)由于G2211系列I/O資源較少，這里同時(shí)將指示燈功能也通過(guò)硬件的方法實(shí)現(xiàn)，高電平的時(shí)候繼電器導(dǎo)通，并電量相應(yīng)LED。在按鍵控制方法上，由于G2系列單片機(jī)已經(jīng)內(nèi)置了上拉電阻，所以這里只需要將相應(yīng)的P1.1,P1.2,P1.4,P1.5口與按鍵相連接地即可。2. 繼電器控制模塊圖2.3 繼電器控制模塊電路這里使用一種最常用的繼電器控制電路，同時(shí)為了保證系統(tǒng)安全，在每一路都

8、增加的電流峰值吸收電路和保險(xiǎn)管。圖2.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路ULN2003是一款大功率的達(dá)林頓管陣列芯片，用在控制繼電器上可以省略掉續(xù)流二極管。這里將經(jīng)過(guò)光耦隔離出來(lái)的單片機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)繼電器的目的。在繼電器驅(qū)動(dòng)中，R13和C1用于吸收在繼電器切換瞬間的電流尖峰，以免造成單片機(jī)干擾。3. 控制信號(hào)隔離模塊圖2.5 控制信號(hào)隔離模塊為了確保控制安全，控制信號(hào)全部經(jīng)過(guò)一片TLP521-4芯片進(jìn)行電器隔離，將強(qiáng)電弱電完全分離。4. 隔離電源模塊圖2.6 隔離電源模塊由于控制信號(hào)的隔離，因此系統(tǒng)電源也隔離為兩套。V電源引進(jìn)系統(tǒng)后，一路經(jīng)過(guò)直接供給用于驅(qū)動(dòng)繼電器和ULN2003

9、；另一路經(jīng)過(guò)DC-DC隔離模塊之后供給單片機(jī)系統(tǒng)。第四節(jié) 系統(tǒng)元器件清單系統(tǒng)元件清單如下CommentFootprintQuantitynotes1uF 630vAXIAL0.15410uFR12061104R12061紅色LED-14顏色自定，尺寸可適當(dāng)修改1A保險(xiǎn)管4封裝根據(jù)實(shí)際尺寸自定220V接線端子JK2-5085注意接線端子耐壓?jiǎn)闻挪遽?5V接線端子JK2-50819013SOT-23BJT430R120641kR1206830AXIAL0.25_V4100R1206410KR12064HF115繼電器4封裝根據(jù)實(shí)際尺寸自定觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)KEYSB34UNL2003ASOIC161TLP5

10、21-4DIP-16-KEY1DCDC模塊ISOSPWR_2W/S1要求功率大于400mALM1117SOT-2231第五節(jié) PCB板設(shè)計(jì)要求和注意事項(xiàng)由于本系統(tǒng)引入了220交流電，為了滿足強(qiáng)電安全規(guī)范，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將220V電源的走線寬度大于50mil,走線間距大于20mil,以滿足爬電距離要求。在加工PCB時(shí)也應(yīng)要求PCB板厚度大于1.2mm。同時(shí)由于強(qiáng)電和弱點(diǎn)采用了電器隔離，所以在對(duì)弱點(diǎn)走線和覆銅是應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)電走線。需要在光耦芯片TLP521-4下面機(jī)械層開(kāi)槽以增加爬電距離。圖2.7 機(jī)械隔離完整系統(tǒng)原理圖如圖2.8圖2.8 完整系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)PCB圖如圖2.9，2.10圖2

11、.9 系統(tǒng)PCB正面圖2.10 系統(tǒng)PCB圖背面第六節(jié) 安裝調(diào)試注意事項(xiàng)由于本系統(tǒng)涉及到了強(qiáng)電，所以在上電之前請(qǐng)務(wù)必將保險(xiǎn)管安裝到位，同時(shí)對(duì)涉及到220V的接線端子，請(qǐng)務(wù)必使用耐壓參數(shù)合格的產(chǎn)品。系統(tǒng)板實(shí)物圖如圖2.11圖2.11 系統(tǒng)版實(shí)物圖在系統(tǒng)加電之前，請(qǐng)檢查好保險(xiǎn)管的規(guī)格參數(shù)，這里使用的1A的保險(xiǎn)管。根據(jù)本作品的設(shè)計(jì)，輸入和輸出的一根線是接通的，另一根線由繼電器控制，所以為了確保安全，在改變負(fù)載之前請(qǐng)確保電源已經(jīng)徹底斷開(kāi)。系統(tǒng)連接實(shí)物圖如圖2.12所示圖2.12 系統(tǒng)連接實(shí)物圖第三章 作品軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié) 程序流程圖介紹1.程序流程圖圖3.1 系統(tǒng)總流程圖圖3.2 中斷服務(wù)程序流程圖

12、程序流程說(shuō)明：由于控制繼電器的I/O口采用的下拉方式，所以控制程序使用改變I/O方向的方式來(lái)改變輸出電平。例如，需要將P1.6口輸出高電平時(shí)，需要將P1.6輸出設(shè)為高，同時(shí)將方向設(shè)置為輸出模式；如果希望P1.6輸出低電平，則將P1.6口方向置為輸入即可。這樣可以保證在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)也有確定的低電平輸出。2.程序代碼及注釋#includemsp430g2231.hvoid Sys_Clk_Init();void Delay(unsigned int time);void Port_Init();/對(duì)I/O操作口進(jìn)行宏定義，方便后面的操作#define CONTROL_1_HIGH P1DIR|=BI

13、T6 /將P1.6口設(shè)置為輸出模式，輸出高#define CONTROL_1_LOW P1DIR&=BIT6 /將P1.6口設(shè)置為輸入模式，通過(guò)下來(lái)電阻使其輸出低#define CONTROL_2_HIGH P1DIR|=BIT7#define CONTROL_2_LOW P1DIR&=BIT7#define CONTROL_3_HIGH P2DIR|=BIT7#define CONTROL_3_LOW P2DIR&=BIT7#define CONTROL_4_HIGH P2DIR|=BIT6#define CONTROL_4_LOW P2DIR&=BIT6unsigned char Push

14、Cnt=0; /記錄按下的次數(shù)，該變量決定了I/O口的反轉(zhuǎn)void main() WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /關(guān)閉看門狗 Sys_Clk_Init(); /系統(tǒng)時(shí)鐘初始化 Delay(60000); /略微延時(shí)等待系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定 Port_Init(); /I/O口初始化設(shè)置 _EINT(); /打開(kāi)系統(tǒng)總中斷 while(1) ;#pragma vector=PORT1_VECTOR_interrupt void Port_Control() /按鍵消抖 unsigned char Pushkey; Pushkey=P1IFG&(BIT1+BIT2+BIT4+BIT5); D

15、elay(20000); if(P1IN&Pushkey)=Pushkey) P1IFG=0; return; /如果是毛刺直接返回 /不是毛刺，進(jìn)入按鍵處理程序 if(Pushkey&BIT1) /如果按下BIT1 if(PushCnt&BIT1) /檢測(cè)上一次I/O狀態(tài) CONTROL_4_HIGH; /如果上一次為低則這一次將其設(shè)置為高，反之亦然 else CONTROL_4_LOW; PushCnt=BIT1; /記錄響應(yīng)按鍵的動(dòng)作 if(Pushkey&BIT2) if(PushCnt&BIT2) CONTROL_3_HIGH; else CONTROL_3_LOW; PushCnt

16、=BIT2; if(Pushkey&BIT4) if(PushCnt&BIT3) CONTROL_2_HIGH; else CONTROL_2_LOW; PushCnt=BIT3; if(Pushkey&BIT5) if(PushCnt&BIT4) CONTROL_1_HIGH; else CONTROL_1_LOW; PushCnt=BIT4; P1IFG=0; return;/*函數(shù)名稱：Sys_Clk_Init函數(shù)功能：對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行初始化入口參數(shù)：無(wú)出口參數(shù)：無(wú)*/void Sys_Clk_Init() DCOCTL = 0xA0;/使用內(nèi)部DCO,頻率約為32768*51=1632k

17、Hz BCSCTL1= 0x07;/ACLK不分頻 RSEL=7 BCSCTL2= 0; /MCLK時(shí)鐘源選為DCOCLK，不分頻，SMCLK選為DCOCLK,不分頻/延時(shí)程序void Delay(unsigned int time) for(unsigned int i=0;itime;i+);/端口初始化,將繼電器的控制端口設(shè)置為輸出高，通過(guò)切換方向來(lái)改變輸出電平/把鍵盤的端口設(shè)置為輸出高，同時(shí)方向設(shè)置為輸入，內(nèi)部上拉打開(kāi)void Port_Init() /系統(tǒng)開(kāi)機(jī)指示燈 P1DIR|=BIT0; P1OUT|=BIT0; /鍵盤端口輸入 P1OUT|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT

18、5; /把輸出設(shè)置為高，否則上拉不起效 P1REN|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; /上拉打開(kāi) P1IE|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; P1IES|=BIT1+BIT2+BIT4+BIT5; /繼電器設(shè)置,通過(guò)切換端口方向來(lái)改變輸出電平，輸入時(shí)為低電平，輸出時(shí)為高電平 P1OUT|=BIT6+BIT7; P2OUT|=BIT6+BIT7; P2SEL=0;第二節(jié) CCS設(shè)計(jì)與調(diào)試方法介紹1. CCS概述Code Composer Studio (CCStudio) 是用于德州儀器 (TI) 嵌入式處理器系列的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)。 CCStudio 包含一整套用于

19、開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用的工具。 它包含適用于每個(gè) TI 器件系列的編譯器、源碼編輯器、項(xiàng)目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器、描述器、仿真器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及多種其他功能。Code Composer Studio 以 Eclipse 開(kāi)源軟件框架為基礎(chǔ)。 Eclipse 軟件框架最初作為創(chuàng)建開(kāi)發(fā)工具的開(kāi)放框架而被開(kāi)發(fā)。 Eclipse 為構(gòu)建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了出色的軟件框架，并且逐漸成為備受眾多嵌入式軟件供應(yīng)商青睞的標(biāo)準(zhǔn)框架。 CCStudio 將 Eclipse 軟件框架的優(yōu)點(diǎn)和 TI 先進(jìn)的嵌入式調(diào)試功能相結(jié)合，為嵌入式開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)引人注目、功能豐富的開(kāi)發(fā)環(huán)境。2. 建立新的工程雙擊桌面的CCS圖標(biāo)后會(huì)

20、進(jìn)行一系列的加載，同時(shí)會(huì)詢問(wèn)開(kāi)發(fā)者選擇一個(gè)工作空間路徑。如圖圖3.3 設(shè)置工作空間我們選擇一個(gè)常用的開(kāi)發(fā)代碼文件夾，注意路徑中不能有中文，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。接下來(lái)進(jìn)入主界面，如圖圖3.4 主界面選擇File-New-CCS Project,進(jìn)入如圖所示界面圖3.5 建立新工程圖3.6 選擇開(kāi)發(fā)類型圖3.7 選擇器件型號(hào)單擊Finish之后，還有最后一步就可以開(kāi)始編程了，對(duì)工程單擊右鍵選擇New-Source File,添加一個(gè)main.c文件。以下就是完整的開(kāi)發(fā)界面圖3.8 編程界面3. 開(kāi)始調(diào)試在程序編寫(xiě)完成后，單擊Project-Build Active Project，如果沒(méi)錯(cuò)就可以單擊快

21、捷工具欄的debug按鈕開(kāi)始在線調(diào)試，CCS提供了強(qiáng)大的調(diào)試工具，結(jié)合debug快捷工具可以實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行，單步運(yùn)行，設(shè)置斷點(diǎn)，觀察變量等一系列功能，如圖。第四章 總結(jié)與思考MSP430G2系列單片機(jī)高性能低成本的特點(diǎn)決定了十分適合應(yīng)用于類似本作品的這種應(yīng)用當(dāng)中。本作品在設(shè)計(jì)上充分考慮了MSP430G2系列單片機(jī)的資源，并同時(shí)重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了考慮，采用了諸如控制，保險(xiǎn)管，尖峰吸收電路等一系列措施保證系統(tǒng)的安全可靠。本作品安全可靠，使用方便，充分利用了G2系列低功耗低成本的特點(diǎn)。在本作品基礎(chǔ)上，建議讀者關(guān)于本作品功能的進(jìn)一步增強(qiáng)進(jìn)行如下思考。如：如何使系統(tǒng)的功率和耐壓值更高？斷電之后系統(tǒng)如何保持當(dāng)前狀態(tài)？是否能增加無(wú)線控制功能，進(jìn)一步增強(qiáng)控制人員的安全？是否能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造，統(tǒng)一遠(yuǎn)程控制？建議在功能上做如下擴(kuò)展工作：1. 控制切換電壓提高到380V2. 增加Zigbee無(wú)線控制功能3. 提供網(wǎng)絡(luò)化控制功能25