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1、综合应用实验设计报告基于MSP430单片机的时钟设计 姓名： 学号： 姓名： 学号： 2015 年 月 日基于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
2、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 一、项目的意义与目的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
3、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。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
4、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Protel99 SE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
5、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。二、设计要求与指标单片机的应用在后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：1）.以电池供电
6、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。2）.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。3）.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。4）.产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。三方案设计和论证方案一：采用EDA设计，整个数字钟电路由振荡脉冲发生器、计数电路、显示译码/ 驱动器和七段显示器组成，如图1所示：七段显示器显示译码驱动电
7、路计数电路振荡脉冲发生器图1 数字时钟系统框图振荡脉冲发生器用来产生秒脉冲。计数电路由秒个位计数器、秒十位计数器、分个位计数器、分十位计数器、时个位计数器、时十位计数器组成。计数器的功能是每来一个脉冲计一个数。显示译码/ 驱动器采用74LS47 共阳极显示译码器。显示器采用共阳极七段显示器。方案二：采用数字电路进行设计。如图2所示，整个系统是由主体电路、扩展电路、振荡器、分频器等几部分组成，主体电路完成时间的显示和调时的功能，扩展电路中留有接口供扩展电路使用。该系统的工作原理是：振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分
8、计数器计满60后向小时计数器进位，小时计数器按“12翻1”规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。计数器部分采用74LS90进行计数，而译码部分采用74LS48七段译码驱动器驱动数码显示器。用数字电路设计的电路的特点是软件部分比较简单，但是其硬件电路比较复杂。图2 数字时钟系统框图方案三：利用单片机设计。采用MSP430F149作为整个电路的核心部件，应用4*4的矩阵键盘作为输入，外接LCD或LED进行显示，同时还连接一些扩展电路以便增加时钟功能。用单片机为核心的系统其硬件电路非常简单，计
9、数、调时、译码显示等全部都由软件控制实现，准确性较高。经过比较选择决定采用方案三，MSP430系列单片机具有强大的处理功能，而且其超低功耗的特点非常适合电池供电的仪表仪器。以单片机为核心的系统处理能力强、误差小，而且采用键盘输入更为方便，容易操作。4 电路原理设计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；
10、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6。 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
11、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(LPM0LPM4)。在等待方式下，耗电为 0.7A ，在节电方式下，最低可达 0.1A 。 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。MSP430F149芯片
12、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。MSP430F149芯片运行模式MSP430F149具有一种活动模式
13、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.低功耗模式3(LPM3) CPU关闭；ACLK保持活动
14、MCLK、FLL+，DCOCLK关闭f.低功耗模式4(LPM4) CPU关闭；ACLK关闭 MCLK、FLL+、DCOCLK关闭 DCO的直流发生器关闭；晶体振荡器停止MSP430F149芯片I/O端口MSP430F149有6个8位的I/O端口P1P6，端口P1和P2用7个控制寄存器，端口P3、P4、P5、P6仅使用4个寄存器，为应用提供数字输入/输出的最大灵活性：a.所有单个I/O口可独立编程；b.任何输入输出和中断条件的组合都是可能的；c.端口P1和P2的所有8位对外部事件的中断处理完全实现。端口P1和P2具有输入/输出、中断和外部模块功能，端口P3、P4、P5和P6没有中断能力，其余功能
15、和P1、P2相同。以Px代表端口，介绍所有的7个寄存器。a. PxDIR (输入/输出方向寄存器)相互独立的8位分别定义了8个引脚的输入/输出方向。使用输入/输出功能时，应该先定义端口的方向，输入/输出才能满足设计者的要求。作为输入时，只能读；作为输出时，可读可写。0 ：输入模式；1 ：输出模式。b. PxIN (输入寄存器)输入寄存器是只读寄存器，用户不能对它写入，只能通过读取该寄存器内容知道I/O端口的输入信号，此时引脚的方向必须选定为输入。c. PxOUT (输出寄存器)该寄存器为I/O端口的输出缓冲寄存器，在读取时输出缓存的内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容，输出缓存的内容不受影响。d. PxIFG (中断标志寄存器)该寄存器有8个标志位，标志相应引脚是否有待处理中断的信息，即相应引脚是否有中断请求。0 ：没有中断请求；1 ：有中断请求。e. PxIES (中断触发沿选择寄存器)如果允许Px口的某个引脚中断，还需要定义该引脚的
