1、本 科 毕 业 设 计无源电流变送器显示仪的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要本设计是把电流变送器输入的电流通过放大器放大，再通过单片机把电流信号转变成为数字信号，最终在 LED 上显示出来。在设计中利用了 MSP430 系列单片机的低功耗、高性能的功能和特点, 并在此基础上,以 8 通道 16 位单片机 MSP430F2013 为核心,提出了一种低功耗、小型化变送器参数显示法的设计方法。给出了变送器参数显示仪的各部分电路硬件设计框图和软件流程图。它具有性能价格比高、体积小、抗干扰性强、互换性好、应用范围广等优点, 显示仪电路由并
2、联型稳压电路、电流取样电路、倒相与放大电路、AD 转换、单片机显示电路等组成，最小工作电流能够低至 3mA。显示仪无需单独供电，可以从电流变送中直接取电。本论文对电流变送器输出的信号通过显示仪显示出来的研究，设计出一种显示仪。这种电流变送器显示仪是将电流变送器输出的电流信号进行接收并且通过单片机对其以数据显示在显示仪上。克服了其它微机电流变送器的结构布线复杂和抗干扰性差等缺点，解决了传统的电流变送器输出无法精确的显示的问题。所采用的 MSP430 单片机芯片也具有运算速度快、编程效率高、抗干扰能力强、低功耗等特点。 关键词：电流变送器；低功耗；数字显示IIIAbstractThis desig
3、n is the current transducer input current through the amplifier, then through the microcontroller to the current signal into a digital signal, and ultimately displayed on the LED. Use in the design of low-power MSP430 family of microcontrollers, high-performance functions and features And on this ba
4、sis, the 8-channel 16-bit MSP430F2013 microcontroller core, a smart, compact design method of multi-parameter transmitter. It has high performance and low cost, small size, immunity to interference, Indicator by the shunt voltage regulator circuit, the current sampling circuit, reverse phase amplifi
5、er circuit, AD converter, microcontroller and other components show circuit, the minimum operating current can be as low as 3mA. Display device without a separate power supply, can be obtained directly from the current transmission power.This paper on the current transmitter output displayed by disp
6、lay device design, Design a display device this indicator is the current transmitter output current of the transmitter and receiver current signal to its data through the microcontroller device on the display.。 Other computer wiring complexity of the current structure of the transmitter and the poor
7、 anti-interference characteristics to solve the traditional current transducer output can not show the precise issues。MSP430 Microcontroller used also has a computing speed, programming efficiency, anti-interference ability and other characteristics.Key words： Current transducer low power consumptio
8、n Digital displayIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 电流变送器的发展概述 .11.3 XTR104 应用电路与同步串行接口 .1第 2 章 显示器的种类与选取 .32.1 LED 点阵屏 .32.1.1 LED 点阵屏驱动 .32.1.2 LED 点阵屏分类 .32.1.3 点阵屏的特点 .42.2 液晶显示 .42.3 LED 数码管 .42.3.1 静态显示驱动 .62.3.2 动态显示驱动 .6第 3 章 硬件的方案与设计 .83.1 MSP430F2013 的特点 .83.2 LED 及其驱动电路 .93.3 MCU 及 A/D 采集 .
9、123.4 电流取样与供电电路 .133.5 放大器 .133.6 成型总电路图 .14第 4 章 软件的设计 .154.1 MSP430 单片机原理 .154.2 MSP430 单片机的微功耗特点及保护器 .154.3 程序的编写 .16第五章 调试 .19总结 .21【参考文献】 .221第 1 章 绪论1.1 课题研究背景随着电力工业的发展，电流变送器的需求日益增加，应用的范围也越来越广。电流变送器在测量行业和电网调度自动化工作中起着越来越大的作用,这说明电流变送器显示仪也越来越需求并且技术已经成熟了。最早的电流变送器出现在 19 世纪末期，距现在也有 100 多年的历史了。1965 年
10、的 Viatran 成立，并将当时用于航天工业最新的压力测量技术带入了工业市场。 从此， 我们就把变送器技术的发展水平同客户的实际应用需求结合起来。 我们技术的进步会不断地满足客户实际的发展需要。我们设计的第一款变送器是用于工业测试的，而现在我们的变送器已经用于机械控制和过程控制，包括石油和天然气领域。 我们的变送器也达到了食品和医药工业的卫生过程标早在国 MULLER+ZIEGLER 继电器公司由 Max Muller 和 Karl Ziegler 于 1911 年成立，对电流变送器就有很好的研究。1.2 电流变送器的发展概述变送器是把传感器采集到的微弱的电信号放大并转送，或将传感器输人的非
11、电量转换成电信号同时放大一边供远方测量和控制的信号源。根据需要还可以将模拟量变换成数字量。集成电流变送器亦称电流环电路，根据转换原理的不同可以划分成一下两种类型：一种电压/电流变送器，亦称电流环接收器（典型产品为 RCV420）,是现代工业现场较为常用模拟通讯方案之一，发将是电压信号转换为标准的电流信号从环路一端传送到另一端，可实现长距离通讯，且不易受干扰，因而在工业现场中得到广泛的应用，特别是在传感和测量应用反面。电流变送器使用标准在 420mA 的电流信号。电流变送器有两种类型:二线制和三线制。二线制变送器是电流变送器和传感器位于现场端，在二线制传输方式中，供电源，负载电阻、变送器是串联的
12、，即二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号，其工作电源和信号公用一根导线。电流变送器使用电流信号作为传输信号，有较高的抗干扰能力，但由于传输距离较远，加上工业现场的复杂性在设计上要考虑到抗干扰措施 1。1.3 XTR104 应用电路与同步串行接口XTR104 作为电桥信号输人是 420mA 二线电流变送器，它将电桥激励电路、信号放大电路、线性化校正电路、电流输出电路等集成在一个芯片上，使实际应用十分方便。由于该器件能适应各种电桥信号输入，总的变送误差在较宽的温度范围内（40+85），温度差别小，具有较高的电源抑制比和共摸抑制比的优良性能，因此，在工业过程控制、检测仪表等方面得到广泛的应
13、用 2。Stellaris 同步串行接口是与具有 Freeseale SPI、Microwire 或 Texas Instruments 同步串行接口的外设器件进行同步串行通信的主机或从机接口。Stellaris SSI 具有以下特性：2主机或从机操作：时钟位速率和预分频可编程,独立的发送和接收 FIFO，16 位宽，8 个单元深；Freescale SPI、Mierowire 或 Texas Instruments 同步串行接口的可编程操作；数据帧大小可编程。范围为 416 位；内部回送测试(1oopback test)模式，可以进行诊断调试测试。SSI 对外设器件接收到的数据进行串行到并行
14、的转换。CPU 访问数据、控制和状态信息。发送和接收路径利用内部 FIFO 存储单元进行缓冲，该 FIFO 能够在发送模式和接收模式下独立存储多达 8 个 16 位值。根据 74HC595 工作时序的要求，选用主控器件 LM3S301 同步串行接口技术中的Freescale SPI 模式，根据所设置的数据大小，每个数据帧的长度均在 416 位之间，并且从最高有效位(MSB)开始发送 15。首先我们知道设计该显示仪主要分为硬件设计跟软件设计两个部分。硬件方面主要是根据设计书里面的主要内容跟基本要求选择合适的低功耗器件，在大学里学习了 51 单片机，但是我们都知道 51 单片机是 8 位处理器，还
15、有复杂的指令集、功能差、操作弱、高功耗等特点，不能满足我们设计的要求，所以要重新选择一中合适的单片机。在老师的指导下对多种对多种元器件进行比较选择，最后我们选择了 MSP430F2013 单片机作为本次设计的主要低功耗器件。然后结合 74HCC595 的串入并出的驱动功能，使最后的数值能在 led 上显示出来。然后就是软件部分，软件部分主要包括 MSP430F2013 单片机的程序编写。两线制 420mA 电流传输使用非常广泛，由于电流传输的优越性和两线制接线的方便性，这已经成为了变送器行业的标准输出。本文针对两线制 420mA 输出的变送器设计了一个 LED 显示的表头，使用了 TI 公司的
16、 MSP430 微处理器和一些放大器，稳压电源等器件。这是一个低成本单性能非常好的方案。可以产品化，而其方案成本比市场上的方案更低。目前市场上销售的两线制表头主要 LED,LCD 两种形式，但本表头设计的一大亮点就是他是无源的，可以通过在420mA 电流环中取电，供自身消耗，又可以测量此 420mA 的电流大小。而其还有一点就是采用了 LED 显示器件，这完全可以满足一般工业环境要求 3。3第 2 章 显示器的种类与选取数字显示仪是在模拟式指示仪表的基础上发展起来的。特别在 20 世纪 60 年代末数字集成电路的出现，使数字显示仪表得到迅速的发展。 相对于其他显示仪，数字显示仪有一下特点：1
17、准确度高2 灵敏度高3 无读数误差4 传输距离不受限制，与计算机通信5 自诊断、自检测不易判读被测量的变化趋势;数字跳动频繁而影响判读 随着显示仪发展的越来越成熟，数字显示仪也已经走向多元化。2.1 LED 点阵屏LED 点阵屏通过 LED 点阵组成，以红色或绿色灯珠亮灭来显示文字、图片、动画、视频等，是各部分组件都模块化的显示器件，通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。LED点阵显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合，如汽车报站器、广告屏以及公告牌等。2.1.1 LED 点阵屏驱动由 LED 点阵显示器的内部结构可知，器件宜采用动态扫描驱动方式工作，由于 LED 管芯大多为高亮
18、度，因此某行或某列的单体 LED 驱动电流可选用窄脉冲，但其平均电流应限制在20mA 内多数点阵显示器的单体 LED 的正向压降约在 2V 左右但大亮点10 的点阵显示器单体 LED 的正向压降约为 6V。大屏幕显示系统一般是将由多个 LED 点阵组成的小模块以搭积木的方式组合而成的，每一个小模块都有自己的独立的控制系统，组合在一起后只要引入一个总控制器控制各模块的命令和数据即可，这种方法既简单而且具有易展、易维修的特点。LED 点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较
19、大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。2.1.2 LED 点阵屏分类LED 点阵屏有单色和双色两类，可显示红，黄，绿，橙等。LED 点阵有44、48、57、58、 88、1616、2424、4040 等多种；根据图素的数目分为4等，双原色、三原色等，根据图素颜色的不同所显示的文字、图像等内容的颜色也不同，单原色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双原色和三原色点阵显示内容的颜色由图素内不同颜色发光二极体点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，假如按照脉冲方式控制二极体的点亮时间
20、，则可实现 256 或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。2.1.3 点阵屏的特点亮度高：相对 0603 或 0805 等形式的分立表贴，LED 可以有更多的光通量被反射出。可实现超高密度：室内可高达 62.500 点/平米（P4）混色好：利用发光器件本身的微化处理和光的波粒二象性，使得红光粒子，纯绿光光粒子种粒子都将得到充分地相互混合搅匀。环境性能好：耐湿、耐冷热、耐腐蚀抗静电性能优势超强：制作环境有着严格的标准还有产品结构的绝缘设计。可视角度大：140 度（水平方向）通透性高: 新一代点阵技术凭借晶片自身的高度纯度性能，以及几近 100%通率的环氧树脂材料，达到了接近完美的通透率从上面我们
21、了解到 LED 点阵屏功能十分全面能显示能显示图片、动画等等十分复杂的信号，各种特点也十分突出。但是功能越强也意味着点阵屏的结构十分复杂，然而我们所要设计的是显示 3 位数字的输出，对于图片动画的没有要求的，所以把点阵屏用做本设计的数字显示很不合适。2.2 液晶显示液晶显示器(LCD)是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同。LCD 是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是
22、利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。但是同样对于本设计所要求的只显示 3 位数字来说有点小题大做了。而且液晶显示的设计也相对比较困难。不适合本实验的数字显示。2.3 LED 数码管LED 数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的元器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划、公共电极。LED 数码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点，还有一种是类似于 3 位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10 位等等.，LED 数码管根据 LED 的
23、接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图 2 是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色也有几种。LED 数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等等。下面介绍下5常用 LED 数码管内部引脚图。图 1 这是一个 7 段两位带小数点 10 引脚的 LED 数码管图 2.1LED 数码管图数码管分为共阳极的LED数码管、共阴极的LED数码管两种。下图例举的是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共
24、用一个电源的正。led数码管原理图示意：图 2.2 引脚示意图从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。 共阳极 LED 数码管的内部结构原理图图 2.3：图 2.3 共阳极 LED 数码管的内部结构原理图共阴极 LED 数码管的内部结构原理图：6图 2,4 共阴极 LED 数码管的内部结构原理图表 2.1 显示数字对应的二进制电平信号显 示 数 字 a b c d e f g0 1 1 1 1 1 1 01 0 1 1 0 0 0 02 1 1 0 1 1 0 13
25、 1 1 1 1 0 0 14 0 1 1 0 0 1 15 1 0 1 1 0 1 16 0 0 1 1 1 1 17 1 1 1 0 0 0 08 1 1 1 1 1 1 19 0 0 0 1 1 0 1LED 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们需要的数位，根据 LED 数码管的驱动方式的不同，我们可以把他分为静态式和动态式两类。2.3.1 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进位转换器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 口多
26、，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840 根 I/O 口来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 口才 32 个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。2.3.2 动态显示驱动 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp “的同名端连接在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示
