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1、 毕业设计报告（论文）(2012届)题 目： 智能用电管理器设计 所 属 系： 自动化技术系 班 级： 电子0921班 学 生 姓 名： 王凯 学 号： 2009238236 同 组 成 员： 指 导 教 师： 梅笙 摘 要 本文主要介绍一款智能用电管理器。该管理器具有日历时钟功能、温度检测功能、电压电流及功率检测、人体检测、无线收发、声光报警等功能。此智能用电管理器可以显示时间，可以设定用电设备的运行时间，能控制运行状况；能设定用电设备运行温度，并能实时监测；可以检测用电设备运行时的电压、电流、功率，能检测在用电设备运行时出现的过压、过流等故障，有保护功能，并能报警；可以检测用电设备周围环境
2、中有无人员，并能控制设备是否运行；可以结合物联网，对用电设备实现远程控制。此智能用电管理器是以MSP430单片机为核心，采用集成温度传感器和铂电阻两种方案来实现测温功能，采用热释电红外传感器和超声波传感器两种方案来实现人体检测功能，采用nRF401芯片完成无线收发功能，采用DS1302芯片来实现日历时钟功能等。此用电管理器采用低功耗元器件，具有节能环保、成本低的优点。具有测量精度高、可靠性高、低成本、模块化、可扩展等特点，在现代生产生活中具有很高的应用价值。关键词 用电管理器 MSP430单片机 低功耗 检测与控制目 录1 前言2 方案设计2.1 整体方案2.2 单片机的选择2.3 检测电路和
3、控制电路的方案设计2.4 温度检测电路的方案设计2.5 人体检测电路的方案设计2.6 无线收发模块的方案设计2.7 其他电路的方案设计3 单元电路设计3.1 MSP430单片机最小系统的设计3.2 检测电路、控制电路和辅助电源的设计3.3 温度检测电路的设计3.4 人体检测电路的设计3.5 无线收发模块的设计3.6 日历时钟电路的设计3.7 报警电路的设计3.8 显示模块的设计3.9 键盘电路的设计4 软件设计4.1 软件设计流程图4.2 程序清单5 结论参考文献致谢1 前言随着经济的飞速发展，人们生活条件的不断改善，越来越多的电器，如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进寻常百姓家。市场上
4、各种各样的电器产品越来越多，家电的种类繁多在带给人们方便的同时也带来了安全隐患。从而产生了用电控制器，用电控制器帮助人们解决了许多繁琐的问题。但是现在的家电控制器功能单一，一般家电控制器只具有定时、定温等特定功能，并且具有功能简单、执行效率低、安全系数低、容易损坏等缺点。现在电能越来越紧张，社会各界都越来越重视安全用电与节约用电，环保节能已成为家电产业发展的重要支柱。但是现在的用电设备上的控制器不能够时时监控用电设备运行情况，不能根据用电设备周围环境中有无人员来控制设备是否运行，不能够反映出用电情况，起不到节能、环保的作用，而且现在的用电控制器不能为用户提供用电情况。同时现在的电价也十分的高，
5、控制用电、减少用电开支是广大用户的需求。 随着我国智能电网建设的展开，智能用电作为智能电网的重要环节也越来越多的得到重视，智能家电是智能用电的重要组成部分，已被列入研究计划。用电控制系统作为智能家居系统的重要组成部分，无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点。开发智能用电相关产品不仅能够满足人们生活的需要，对整个社会信息化进程的推动作用也不可忽略。今后的用电管理器会越来越智能化、人性化，会为用户提供更多的信息，比如可以提供用电情况，便于用户的使用；又例如可以根据用电设备周围环境中有无人员来控制设备是否运行，这样可以节约电量，比如将智能用电管理器用在饮水机上，可以根据饮水机周围环境中有无
6、人员来控制饮水机在设定时间段内是否运行。以后的用电管理器可能会结合物联网，实现远程控制。家电在跨过了机电控制、电子控制、程序控制和智能控制的技术台阶后，必然发展成为通过网络获取知识、交换信息、协同工作的新一代智能家电，智能用电管理器是其发展道路中必不可少的。总结起来，主要发展趋势为智能用电管理器向智能化、网络化、人性化、低功耗节能型方向发展。伴随着人们生活条件的不断改善，越来越多的电器，如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进寻常百姓家。家电的种类繁多在带给人们方便的同时也带来了安全隐患，家电控制器随之产生。用电控制器帮助人们解决了许多繁琐的问题。现在电能越来越紧张，社会各界都越来越重视安全
7、用电与节约用电，家电产业的发展也越来越重视环保节能。但是现在的用电设备上的控制器不能够时时监控用电设备运行情况，不能根据用电设备周围环境中有无人员来控制设备是否运行，不能够反映出用电情况，起不到节能、环保的作用。同时现在的电价也十分的高，控制用电、减少用电开支是广大用户的需求。我国普遍存在用电管理落后、电力资源严重浪费的问题，安全隐患日益突出等问题。智能用电管理器可以帮助解决用电浪费、用电安全等问题。用电智能管理器是电量的自动计量及管理发展的趋势，它将促进电力系统的潜能得到最大限度的发挥。用电管理器可以结合物联网，实现远程控制，解决用电设备的远程用电控制。2 方案设计2.1 整体方案如图1为此
8、次设计所采用的智能用电管理器的电路模块图。从图中可看出，该电路的主要组成包括检测电路（电压检测、电流检测）、控制电路、温度检测电路、人体检测电路、无线收发模块、单片机系统、日历时钟电路、A/D及D/A转换电路、键盘电路、显示电路、报警与保护电路及辅助电源等。在这一系统中，检测电路由电压检测电路与电流检测电路组成，主要是检测供电线路的电压与电流的输出情况，并通过A/D送给单片机处理，再由D/A送给控制电路控制；温度检测电路由温度传感器与信号调理电路组成，将采集的信号通过A/D送给单片机处理，同时键盘可以设定温度；人体检测电路、无线收发模块都是将采集的信号通过A/D送给单片机处理；日历时钟电路可以
9、产生时间通过显示器显示，并能由键盘来设定；报警与保护电路可以保证用电时的电压、电流的稳定，在出现故障时起保护作用，同时发出报警信号，提示用户排除故障；控制电路的信号来自于单片机，用来控制输出稳定的电压、电流及其他相应的控制；辅助电源为系统元器件提供电源；单片机主要是接收信号、处理信号和输出信号。电路的组成要考虑简单实用；元器件选择要考虑功耗问题，如单片机就需选择低功耗的。 检 测电 路控 制电 路A/D单片机调理电路温度传感器D/A人体检测传感器无线收/发模块显 示键 盘日历时钟电路A/D调理电路A/D220V输入220V输出系统辅助电源报警和保护电路图1 智能用电管理器的电路模块图2.2 单
10、片机的选择2.2.1 主流单片机介绍最早由Intel公司推出的8051/31 类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC 类兼容的高档芯片的开发上，随后Intel公司将80C51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商，如 Philips 、NEC、ATMEL、AMD、Dallas、siemens、FUJUTSU、OKI、华邦、LG等。在保持与80C51单片机兼容的基础上，这些公司融入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制
11、的HSL/HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的WDT、引入使用方便且价廉的Flash ROM等，开发出上百种功能各异的新品种。这样80C51单片机就变成了众多芯片制造厂商支持的大家族，统称为80C51系列单片机。客观事实表明，80C51已成为8位单片机的主流，成了事实上的标准MCU芯片。MOTOROLA 是世界上最大的单片机厂商，品种全、选择余地大、新产品多是其特点。在8 位单片机方面有68HC05和升级产品68HC08。68HC05有30多个系列，200多个品种，产量已超过20 亿片。16位单片机68HC16也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。MOTOR
12、OLA单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工业控制领域及恶劣的环境。ATMEL公司的90系列单片机是增强 RISC内载 Flash 的单片机，通常简称为 AVR 单片机，90 系列单片机是基于新的精简指令RISC 结构的。这种结构是在90 年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构，这种结构使得在8 位微处理器市场上AVR 单片机具有最高 MIPS mw能力。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor
13、)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。2.2.2 MSP430 系列与89C51系列的比较我们对89C51系列的单片机是很熟悉的，为了加深对MSP430系列单片机的认识，不妨将两者进行一下比较。首先，89C51单片机是8位单片机。其指令是采用的被称为“ CISC ”的复杂指令集，总共具有111条指令。而MSP430单片机是 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强
14、，运行的速度快。其次，89C51单片机本身的电源电压是5 V，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA，在待机状态下，其耗电电流仍为3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。而MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的。正因为如此， MSP430 更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。再者，89C51系列单片机由于其内部总线是 8 位的，其内部功能模块基本上都是8位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加
15、更显困难。而MSP430 系列其基本架构是16位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8位的功能模块，还是16位的功能模块，即使扩展模 / 数转换或数 / 模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是为什么MSP430系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。最后，就是在开发工具上面。对于89C51来说，由于它是最早进入中国的单片机，人们对它在熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于MSP430系列而言，由于引进了Flash型程序存储器和JTA
16、G技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。2.2.3 MSP430单片机的特点 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。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768H
17、z），有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。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。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。强大的处理能力： 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
18、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125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。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 6us。系统工作稳定：上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳
19、定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU 时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块：MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer A）、定时器B（Timer B）、串口0、1（USART0 、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位 ADC 、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块（DMA）、端口0（P0）、端口16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模
20、块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16 位定时器（Timer A和Timer B ）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I
21、IC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。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。 方便高效的开发环境：目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG 调试接口，还有可上电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方
22、式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。 MSP430 单片机目前主要以FLASH型为主。适应工业级别运行环境MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-40+ 85摄氏度 ，所设计的产品适合用于工业环境下。基于以上的比较和MSP430单片机的优点，我选择MSP430单片机作为本课题的控制处理器。2.3 检测电路和控制电路的方案设计在这一系统中，检测电路由电压检测电路与电流检测电路组成。检测电路的任务是将用电过程中的电压信息、电流信息定时采集，经过A/D转换器以数字量的形式送入存储器中储存。CPU再对这些数据进行分析、运算和处理，再由D
23、/A送给控制电路控制。电流检测电路：模拟量的数据采集一般分为直流采样和交流采样两种方法。直流采样的缺点是硬件复杂、稳定性差，而且由于受固有滤波环节的影响，采样数据无法实时反映交流信号的变化。这恰与保护系统要求实时性高的特点相违背，所以保护系统的电流采样多采用交流采样方式。电压检测电路：基于交流采样的好处，所以采用交流采样。控制电路：控制电路包括自动控制、报警控制、开关电路、灯光控制、定时控制、温控电路、继电器控制、晶闸管控制、电机控制等。由于是控制交流电的信号，所以此次采用继电器控制。2.4 温度检测电路的方案设计温度检测电路由温度传感器与信号调理电路组成，将采集的信号通过A/D送给单片机处理
24、。2.4.1 方案一采用热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金,铁,镍,铬最低可测到-269，钨,铼最高可达2800。它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，在家电中不常用，因此不采用此方案。2.4.2 方案二采用半导体热敏电阻热
25、敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。虽然传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。所以不采用此方案。2.4.3方案三采用集成温度传感器DS18B20是DALLAS(达拉斯)公司生产的，体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强。DS1820最高12位分辨率，精度可达0.5摄氏度，检测温度范围为-55+125，适合于恶劣环境的现场温度测量。此型号集成温度传感器可以采用。LM35D是精密集成电路
26、温度传感器，线性好（10mV/），宽量程（0100），它的输出电压与摄氏温度线性成比例，无需外部校准或微调来提供0.4的常用的室温精度，编程时易于实现。符合本系统的设计要求，所以此传感器比较可行。AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1）其良好的非线性可以保证优于0.2的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到0.2测量精度。但是，由于AD590采集到的信号是电流信号，在将数据传给A/D前还要先把电流信号转变成电压信号，因此，用AD590来检测、采集温度的电路比较复杂。而且，在高精度测量电路中，必须考虑AD590的输出电流不被分流影响。因此，此型号集成温度传感器不被采
27、用。2.4.4 方案四采用电阻式温度传感器电阻式传感器广泛应用于测量-200960范围内的温度。铜热电阻主要应用于测量-50150范围内的场合。铜容易容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好而且电阻温度系数大，温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高。但铜热电阻与铂热电阻相比，铜的电阻率低，因此铜电阻的体积较大。而且铜易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。因精度不高且检测温度较低，所以不采用。铂热电阻是目前公认的制造热电阻最好的材料，它性能稳定，重复性好，长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。同时其测量精度高。在氧化性介质中、甚
28、至在高温下，其物理、化学性能都很稳定，其阻值与温度之间几乎成线性变化。但其在还原性介质中，特别是高温易从氧化物中还原出来的气体所污染，改变它的电阻与温度关系，此外其电阻温度系数小，价格较高。因此，主要作为标准电阻温度计和高精度温度测量。所以铂热电阻可以作为此次温度检测电路的温度传感器。2.5 人体检测电路的方案设计2.5.1 方案一采用红外对管电路针对一些红外接收管容易受到可见光的影响，从而改变其阻值，容易造成系统的误判。可以考虑采用上面的电路。100100k欧姆，是红外接收管在不同光线条件下（室内阳光直射）的阻值的大小。在正常的光线下通过IOA0口A/D采集到一个电压值作为一个参考电压。当随
29、着光线变化时，IOA0口读进来的电压值也就发生变化。这个使用通过IOA4、IOA5、IOA6、IOA7依次选通，选择最接近参考值的电压作为判断电压。该电路可以避免可见光带来的干扰，效果不错。但是检测障碍物的距离在015cm，引用占用IO口较多，操作较为复杂。所以不采用此方案。2.5.2 方案二采用热释电红外检测电路热释电红外开关电路在生活中应用很广，是实用的。热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业，宾馆、商场、库房及家庭的过道
30、、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。此电路具有以下特点：低功耗、静态功耗（50uA）；宽电压范围（DC 4.5-20V）；可重复/不可重复触发方式选择；使用简单、电源+ -信号输出；感应距离远，约7米；感应角度为110。所以此方案可采用。2.5.3 方案三采用超声波检测电路超声波的应用领域非常广阔，比如军事上的声纳技术，工业上的无损探伤、测距、测厚，生物医学上的诊断和手术，农业上的超声育种、超声培苗、超声催产等。超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV1V之间。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体
31、或媒介；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。超声波的特点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。超声波检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果(实时检测)，能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。所以，超声波检测电路可以作为人体检测电路的一种方案。2.6 无线收发模块的方案设计伴随着短距离、低功率无线数
32、据传输技术的成熟，无线数据传输被越来越多地应用到新的领域。与有线通信方式相比，无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等一系列优点，在现代通信领域占据重要地位。由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。2.6.1 方案一采用nRF401无线收发芯片nRF401是Nordic公司研制的单片uHF无线收发芯片，工作在433MHZISM(Industrial
33、 Scientific and Medica1)频段。nRF40 1芯片内包含有发射功率放大器(PA)、低噪声接收放大器(LNA)、晶体振荡器(OSC)、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器(MIXFR)、解调器(DEM)等电路。在接收模式中， nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声效大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出(DOUT端)。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰
34、能力强。nRF401的ANTI和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器PA的输出。连接nRF40 l的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50Q的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF40l。nRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为一105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+35V之间。工作频率稳定可靠，外围元件少，并可直接接单片机串El，便于设计生产，功耗极低，适合于便携式手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接受灵敏度的设计，满足无
35、线管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。因此，无线收发模块可以采用nRF401无线收发芯片。2.6.2 方案二采用CC1000无线收发芯片CC1000是Chipcon公司推出的单片可编程R F 收发芯片，它基于Chipcons Smart RF技术，可工作在ISM频段(3001000MHz)。CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。CC1000采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300l000MHz，适合应用跳频协议，一般可配出10或20个频点，该芯片灵敏度为一109dBm，并可自动校准，可编
36、程输出功率为一2 0dBm +10dBm，通信速率可达786Kbps。CC1000的主要工作参数可由一个串行接口编程设定，使用非常方便并且具有灵活性。CC1000芯片的外围元件较少，且对精度要求不高，并提供三种编码方式与微控制器接口。与nRF401无线收发芯片，CC1000无线收发芯片作为无线收发模块不如nRF401效果好，所以不采用此芯片。2.7 其他电路的方案设计日历时钟电路：采用DS1302实时日历芯片，它是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、带内部RAM的实时时钟芯片（RTC），也就是一种能够为单片机系统提供日期和时间的芯片。可以对秒、分钟、时钟、小时、日期、星期、月、年信息
37、，带闰年自动补偿。最大可以计年的长度是2100年。芯片具有带后备电池的31B的非易失性数据存储器。报警电路：报警电路大体分为声报警、光报警和声光报警三种。此次采用声光报警电路。采用LED灯作为光报警，采用蜂鸣器或扬声器作为声报警。显示方式：显示方式包括数码管显示、液晶显示屏显示、LED屏显示等。因为需要显示汉字、数字、字母等。液晶显示器具有功耗低、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，也可以显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点。所以采用液晶显示屏显示。键盘电路：键盘分为独立式键盘和行列式键盘。考虑到此电路具有的功能多，且操作繁多，经计算采用4*4行列式键
38、盘。3 单元电路设计3.1 MSP430单片机最小系统的设计MSP430系列单片机种类很多，此次我选用MSP430F169单片机。因为MSP430F169采用“冯诺依曼”结构，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内，最大寻址地址为62KB (60 KB Flash , 2KB RAM) 。内部集成有1个硬件乘法器、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/ D转换器、片内看门狗定时器、2个串行通信接口以及48个I/ O引脚, 每个I/ O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，功能口和通用I/O口可复用，增强了端口功能和灵活性, 提高了对外围设
39、备的开发能力。MSP430F169是FLASH存储器型单片机，具有良好的仿真开发技术，设置有JTAG仿真接口和高级语言编译器。在系统支持软件下，在线实现对目标系统的硬件调试及软件开发，包括汇编、C语言、连接及动态调试，具有单步、多断点和跟踪，并且开放全部存储器、寄存器，可以方便可靠地对系统进行硬件、软件开发。最小系统主要由主控MCU，电源、复位电路、时钟电路、JTAG调试电路, 串行通讯等模块组成, 与此同时还要设计MCU时钟电路，电源电路和JTAG调试电路。时钟模块为MCU提供时钟源，JTAG接口用于单片机程序调试和仿真；串口0 (USART0)通过MAX232模块进行电平转换连接到PC用于
40、调试嵌入式软件；电源模块为MCU和各外围模块提供电源。下面我将对各模块电路进行设计。3.1.1 电源模块的设计在该系统中需要使用5V和3.3V的直流稳压电源，其中MSP430F169及部分外围器件需要3. 3V电源，另外部分需要5V电源。在本系统中，以5V 直流电压为输入电压,通过AMS1117 3.3 将5V直流电压转换成3.3V电压。电源通过AMS1117 3.3进行DC - DC电压转换。在电源模块中通过3个电容进行电源稳压滤波，为系统提供稳定的电源。3.1.2 复位电路的设计微控制器正常工作时该引脚将处于高电平才能正常工作。在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按
41、键复位，复位电路可由简单的RC电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但功能更完善的电路。在这里采用简单的由电阻、电容、二极管构成的RC复位电路。经使用证明, 其复位逻辑是可靠的。如图2，该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻R1向电容C1充电，当C1两端的电压未达到高电平的门限电压时。RST端输出为低电平，系统处于复位状态；当C1两端的电压达到高电平的门限电压时，RST端输出为高电平, 系统进入正常工作状态。当用户按下按钮S1时，C1两端的电荷被泻放掉，RST端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程, 系统进入正常工作状态。3.1.3 晶振电路设计MSP430系列单片机时
42、钟模块有高速晶体振荡器、低速晶体振荡器和数字控制振荡器DCO 等3个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430 内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。低速晶体振荡器(LFXT1)满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求。LFXT1振荡器默认工作在低频模式，即32.768kHz，也可以通过外接450kHz8MHz 的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式。在本电路中我们使用
43、低频模式，晶振外接2个12p F的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。高速晶振也称为第二振荡器XT2 ，它为MSP430F169工作在高频模式时提供时钟，XT2 最高可达8MHz。在系统中XT2采用4MHz的晶体，XT2外接2个12p F的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU。3.1.4 JTAG接口设计3.1.4.1 JTAG调试器概述JTAG最初是用来对芯片进行测试的,理是在器件内部定义一个TAP ( Test Access Port测试访问口) 通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG 接口串联在一起,形成一个JTAG链, 能实现对
44、各个器件分别测试。现在, JTAG接口还常用于实现ISP ( In - System Programmable 在线编程),对FLASH等器件进行编程。具有JTAG接口的芯片, 相关JTAG引脚的定义为: TCK为测试时钟输入; TDI为测试数据输入, 数据通过TDI 引脚输入JTAG接口;DO为测试数据输出, 数据通过TDO引脚从J TAG接口输出; TMS为测试模式选择, TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式; RST为测试复位, 输入引脚, 低电平有效。MSP430F169是具有60 KB可电擦写的FLASH 存储器型MCU,并具有J TAG调试接口, 因此采用先通过JTAG
45、调试器将编辑好的程序从PC机直接下载到FLASH内, 再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态, 以及存储器内容等信息供设计者调试, 整个开发(编译、调试) 都可以在同一个软件集成环境中进行, 不需要专门的仿真器和编程器。这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式,具有方便、廉价、实用等优点。3.1.4.2 JTAG调试接口设计由于TI公司生产JTAG调试接口, 所以我们只需要把单片机的调试接口按照标准引出, 在调试时与购买的JTAG调试器连接, 即可在线调试程序, 在图中显示JTAG是有14条线的接口,我们用了其中的5条,其余引脚未用, 跳线SIP3用来选择JTA
46、G调试器使用外接电源还是内部电源, 当外围电路功率比较大时, 应使用外接电源; 如外围电路功率比较小时, 使用JTAG提供的内部电源即可。图2 MSP430F169单片机最小系统3.2 检测电路、控制电路和辅助电源的设计3.2.1 电流检测电路传感器选择霍尔电流传感器DT50-P，它的性能也稳定可靠，易于安装。如何选择电阻R16的阻值，根据后面交流信号调理电路的输入要求而定，调理电路需输入-5V+5V的交流电压信号，则R16=U/IN 即可确定R16的值。如图3所示，电流实际值经过霍尔传感器及采样电阻后，转换成5V电压信号(I02)，此5V信号是反向的。将电流I进行滤波处理，滤除噪声干扰其中滤
47、波电阻电容的选择应该满足时间常数小于1ms的要求，因此可选R2为100千欧，C11为220pF;再经过理想运算放大器的电压并联负反馈将I转换成-3.3V +3.3V的信号;经过3.3V的电平抬升电路及平均处理使得电压跟随器的输入为03.3V单极性信号，其中R6、R7的阻值只要相同就可以，在这里选阻值为10千欧的电阻，即安全又符合要求;最后经过两个串联二极管的限幅，确保输入单片机的信号为03.3V，以保证不会烧毁单片机，系统各元件参数及型号。图3电流检测电路3.2.2 电压检测电路电压转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实现。CHV-50P型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或小电流。磁补偿式测量，过载能力强，性能稳定可靠，易于安装，用于电压测量时，传感器通过与模块原边电路串联的电阻R9与被测量电路并联连接，输出电流正比于原边电压。 由于CHV-50P的输入额定电流In1为10mA，本电路检测的电压是220V的交流电压，则R9=U/ In1 =220V/10mA=2.2k，电阻R9消耗的功率P1，为P1=220V10 mA=2.2KW。因此电阻R9选择阻值为2.2 K功率为5W的大功率电阻。另外为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两
