毕业设计（论文）车载酒精探测控制仪的设计

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1、车载酒精探测控制仪的设计第1章 绪 论 酒后驾车容易发生交通事故，为了减少或杜绝这种现象，通常是采用呼气式酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定驾驶人员是否饮酒。目前，市场上警用酒精测试仪种类繁多、功能强大、灵敏度高，但是由于它没有安装在汽车内部，只能由交警人员来实施，因此并不能从根本上杜绝酒后驾车，酒后驾车事件仍时有发生。1.1课题背景世界卫生组织的事故调查显示，大约50%-60%的交通事故与酒后驾驶有关。酒后驾驶已经被世界卫生组织列为车祸致死的首要原因。2009年我国因酒驾造成的交通事故不断攀升，备受关注的5.7杭州飙车案中，被告胡斌以交通肇事罪一审判决有期徒刑3年。此案的一审结果遭到了

2、众多的社会舆论压力，认为量刑太轻，使公众缺乏安全感。在2009年6月30日，南京又发生了 一起重大的醉酒肇事案，肇事司机张明宝酒后狂飙1400多米，致5死4伤，其中一名孕妇及腹中胎儿死状惨烈。经检测，他血液内酒精含量高达381毫克，远超过构成醉酒驾驶的80毫克。为何醉酒驾驶屡禁不止？不到一个月的时间里又发生了一起备受关注的酒驾事件。成都市中级人民法院在2009年7月23日对一起特大交通事故作出一审判决。被告人孙伟铭因无证、醉酒驾车造成4人死亡、一人重伤，其行为已构成以危险方法危害公共安全罪，且情节特别恶劣、后果特别严重，被依法判处死刑、并剥夺政治权利终生。以危险方法危害公共安全罪名判处恶性交通

3、事故当事人刑罚，不乏判例，不过，用这一罪名对醉驾者判处死刑属于全国首例。这一判例极具里程碑意义，一方面，这一判例本身给醉酒驾车者一个极大的警醒，防范潜在的醉酒驾车行为；另一方面，它也可以提醒立法者和民众来共同思索，如何将关口前移，制止那些严重违规驾车行为。酒精在人体血液内达到一定浓度时，人对外界的反应能力及控制能力就会下降，尤其是处理紧急情况的能力下降。驾驶员血液中究竟含量越高，发生撞车意外的机会越高。某国际组织一项统计数据显示：每33分钟就会有一人死于与饮酒有关的交通事故。尽管有大多数人认为酒后驾车酿成的交通事故永远不可能发生在自己身上，但专家的统计结果证明：在每个人的一生中卷入与喝酒有关的

4、交通事故的可能性为30%。显而易见，饮酒与开车是多么可怕的致命结合，正是由于酒后开车这个“罪魁祸首”使得一幕幕本不该发生的惨剧接连上演，造成一个个幸福美满的家庭支离破碎。酒后驾驶在世界各国“导演”了一场场车毁人亡的惨剧。酒驾者固然悔恨终生，受害者生命已无可挽回。近年来中国酒后驾驶人数增多，且发生的惨剧接二连三，引起了社会的高度关注，而针对酒后驾车处理的相关法律又不很完善，社会舆论带来了很大的压力，经过一段时间的整治，酒驾事故的人数大大的减少，但是不能彻底的遏制酒后驾驶事件。交通警察对酒驾者的限制往往也力不从心。所以我觉得对酒后驾驶的杜绝应该从汽车本身着手，装在汽车内部的车载酒精测试仪就具备这个

5、功能。目前，市场上警用酒精测试仪种类繁多、功能强大、灵敏度高，但是由于它没有安装在汽车内部，只能由交警人员来实施，因此并不能从根本上杜绝酒后驾车，酒后驾车事件仍时有发生，因此车载酒精探测控制仪就显得尤为重要，它能准确的检测出驾驶员呼出气体中的酒精含量，判断出驾驶员的酒精含量是否超标，再根据酒精含量来控制汽车的启动，当酒精含量超标时，则汽车不能启动，从而能够有效的控制酒后驾车而引发的交通事故。1.2国内外的研究状况及发展趋势在美国旨吉尼亚州出现了这样的一幕：是自己的车，钥匙也插上了，可就是无论如何也发动不了引擎。车主只得下车，打电话求助于交警，让交警帮自己开走车。这是因为在他的车上装上个了车载酒

6、精测试仪。这种酒精测试仪会与车的发动机启动装置相连接，装有这种设备的车子，司机在开车之前，必须朝自动酒精测试仪上吹一口气，接受酒精测试仪的电脑自动测试，等待电脑“宣判”你是否能开车。如果测试仪显示你酒精试超标，你就无法发动引擎，把车开上路。 同时，为了防止饮酒者找人代替自己“吹气”，蒙混过关，酒精自动测试仪会在电脑的指令下，在你驾驶过程中，不定时地“抽查”，让你再“吹吹气”，看看你是否真的没有醉酒。如果你被“抽查”出有“舞弊”行为，就只能等待交警部门的罚单了。目前我国自主研发的车载酒精测试仪-FiT228，是具体有世界领先技术的防醉驾酒精锁，采用高性能的电化学传感器，使用独特的整机线路设计，使

7、得本系统完全满足车载设备要求，并通过欧洲eMark认证（认证编号：e13036101）,荣获2007年度“香港电子业商会创新科技产品奖”，是电子业商会推荐使用的呼吸式防醉驾锁车系统，本产品可完全兼容欧洲、美国、日本等国家国际标准。呼吸式防醉驾锁车系统FiT228产品特点：1. 传感器：燃料电池电化学技术传感器；2. 显示屏：4色96X64点阵OLED显示器，多用户语言可选；3. 输入：5维操作键；4. 电源：手机内置可充电电池（可选），控制盒DC12-36V输入自动切换；5. 操作温度：-20度-70度；6. 储存温度：-40度-85度；7. 事件记录：超过7000条事件记录，包括汽车状态/测

8、试结果/时间日期等信息；8. 数据库管理软件（可选）：所有事件记录可上载到电脑，可分机号/日期/使用者管理；9. 万年历时钟功能，时钟电池使用寿命超过3年；10. 分级权限管理：高级用户可配置所有参数（包括锁车酒精浓度水平及临时锁车时限等）；11. 简单实用的防欺骗功能；12. 免测试功能：满足您紧急用车需求；13. 手持机可独立使用，吹嘴可更换；14. 自主知识产权产品，可个性化定制；15. 通过中国国家标准：GB21254-2007；而在本设计中也包含了呼吸式防醉驾锁车系统FiT228的部分特点。在以后，为了能更好的的杜绝酒后驾车，全世界的汽车生产厂家都应该在汽车中安装车载酒精测试仪。1.

9、3本文的工作详细分析课题任务，对酒精测试仪的历史和现状进行分析，并对酒精探测的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件编程。本文基于单片机MSP430F149，应用酒精传感器，进行对驾驶员呼出气体中酒精浓度测量的硬件系统和软件系统的开发设计。本文的具体研究工作主要有以下几个方面：1) 酒精探测控制仪系统方案的研究本文分析和讨论了不同的设计方案，通过性价比、节能、环境保护等方面的比较，最终确定了具体的实现方案。2) 酒精探测控制仪系统的硬件选择与方案设计 主控制器模块为实现酒精检测控制功能，要求采用的微控制器具有较强的运算能力，且具有较高的集成

10、度和性价比。综合考虑，采用16位单片机MSP430F149。 电源模块采用LM7805和DPS70633集成芯片设计成直流稳压电源分别为酒精探测控制仪系统的各子模块供电。 酒精采集模块 利用酒精传感器、放大电路、滤波电路以及单片机内部12位ADC电路组设计酒精采集模块电路，实现酒精信号的采集。 报警、继电器模块 利用蜂鸣器进行声光报警，电磁式继电器切断汽车点火装置。 LCD显示模块对所测酒精浓度进行显示。 接口模块 采用MAX232集成芯片设计接口电路，用于调试程序，以及系统软件的升级。 复位模块 利用自动复位和手动复位对整个控制系统进行复位。 3) 酒精探测控制仪系统系统的软件设计 利用单片

11、机MSP430F149提供的集成开发环境Embedded Workbench，采用C语言进行硬件系统初始化、数据显示、报警等程序的编写。第2章 设计思想与方案论证实现酒精测试的方法有多种，可以用MSP430系列单片机做主控系统，采用高精度酒精传感器感应酒精浓度；也可以用ARM做主控系统，采用燃料电池酒精传感器感应驾驶员呼出气体中酒精含量。当然每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举，说明了三种不同的酒精探测控制仪的方案，并分别画出了其原理方框图，对三种方案的优缺点进行了对比，选出了最佳控制方案。2.1 设计思想方案一1) 硬件组成：由酒精传感器、89C51系列单片机控制器、AD574A转换器、

12、LCD显示器、语音报警、继电器等组成1。2) 工作原理：在系统中，由酒精传感器做成测量工具，对酒精含量这一化学变量进行检测，并输送到A/D转换器。A/D转换器将数据进行模数转换后输出到89C51系列单片机。89C51系列单片机的作用，根据给定量与测量量比较，得出酒精浓度是否超标，控制语音报警器。LED显示器用于实时的显示测量的酒精浓度。3) 系统原理框图：P1 P0 89C51P3.3P3.2 P2.074LS373AD574A酒精传感器74LC164继电器LED显示语音报警 图2.1 方案一系统原理框图方案二1) 硬件组成：由MSP430单片机、LCD液晶显示器、发光二极管、蜂鸣器、酒精传感

13、器，信号放大器以及滤波器等器件组成。2) 工作原理：系统采用超高灵敏度酒精传感器，超低功耗单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，可以防止驾驶人员逃避检测，以判断驾驶员是否是酒后开车。该系统可放置在汽车仪表盘位置，当司机发动汽车时，探测控制仪启动，此时发动机处于被锁状态，汽车无法启动。酒精传感器加热后，探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的12位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，LCD显示屏幕显示当前酒精

14、浓度，同时正常指示灯亮起，控制继电器不起作用，汽车随之启动；反之，则进行声光报警，控制继电器切断点火装置电源，驾驶人员无法启动汽车，从根本上实现控制酒后驾车。汽车启动后，控制仪随即进入低功耗状态，只有酒精浓度探测电路一直工作，一旦驾驶人员驾驶过程中饮酒，控制仪立即恢复到正常工作状态。MSP430F149点火控制设备按键复位LCD液晶显示声光报警单片机内置ADC滤波电路调理放大超高精度酒精传感器监控复位JTAG接口3) 系统原理框图： 图2.2 方案二系统原理框图方案三1) 硬件组成：由ARM、LCD液晶显示器、声光报警器、燃料酒精传感器、气泵装置等组成2。2) 工作原理：在系统中，当人体呼出气

15、体从这里流出，检测气流压力，达到预先规定的数值时，打开气泵装置抽气，酒精气体在燃烧室内反应后在电池两级产生微弱的电压输出，电压模拟信号被送入A/D 转换器，经过A/D转化后的数字信号输入到指定函数，计算结果最终显示到LCD液晶显示屏上。3) 系统原理框图：ADCLPC2210微控制器液晶显示键盘单元声光报警声音报警信号调理燃料电池酒精传感器加热回路气泵装置温度、压力传感器 图2.3 方案三系统原理框图2.2 论证分析1. 每个方案都采用了不同的处理器，方案一用89C51单片机作为控制器，在进行A/D转换和LED显示时出现许多难题，如引脚不够用，数据并行输出困难、及内部编程复杂等诸多不便。而方案

16、二和方案三则能够很好的解决上述问题。2. 方案一采用了价格便宜的LED显示器，而方案二和方案三采用了相对昂贵的LCD显示器。虽然LCD显示器相对昂贵一些，但它可以多行显示，系统中不只要求实时显示酒精浓度即可，所以要选择LCD液晶显示器。3. 方案二采用了MSP430单片机，它内部有自带12位ADC，较方案一可以减少一个A/D转换器，节约了成本。4. 方案三采用燃料作为传感器能量供应，而方案一和二采用电能。方案一和二既可以减少装配燃油子系统所用的成本，还可以去的掉因为燃料的燃烧所造成的大气污染，保护环境。但由于方案二采用的是低功耗的单片机，相对于方案一更节能。5. 方案三中还采用了气泵装置，加大

17、了元器件的成本，同时也增大了控制仪的体积。综上所述：方案二是无论是从经济方面、科学性还是从实现的容易程度、环境保护上都优于其它两个方案，不失为最佳的选择。方案二有如下的特点：1. 在完成所要求的任务的基础之上还有着结构简单、明了的特点，很容易实现，而且在一定的程度上节约成本。2. 采用了无污染能源，保护环境。同时也省去了为建造燃料供应子系统的费用，节约了成本。3. MSP430系列单片机具有低功耗、自带12位ADC转换器以及高抗干扰能力等特点，不仅节约成本，同时能起到很好的控制效果。第3章 系统硬件设计整个系统由软件和硬件两部分组成。本章详细介绍了系统的硬件设计，并对硬件每一个部分进行了分析。

18、硬件的每一个坏节都是深思熟虑而成，各自完成相应的功能并组成一个统一的整体。3.1工作原理本设计是车载酒精探测控制仪的设计，它是一种超低功耗的酒精探测控制仪，该仪器安装在汽车内，当驾驶人员进入驾驶室后，可以自动对酒精浓度进行探测，以确保行车的安全。车载酒精探测控制仪主要由主控电路、酒精检测电路、指示灯和液晶显示电路、继电器控制电路、复位监控、接口电路以及声光报警电路组成，总系统框图如3.1所示。MSP430F149点火控制设备按键复位LCD液晶显示声光报警单片机内置ADC滤波电路调理放大超高精度酒精传感器监控复位JTAG接口图3.1 硬件系统框图在车载酒精探测控制仪的设计中主控电路采用高性能MS

19、P430单片机系列中的MSP430F149，MSP430F149单片机可判断气体中酒精的含量，控制整个控制仪的工作；酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和单片机内置12位ADC等组成，主要用于检测酒精含量；指示灯电路由红绿黄三个指示灯组成，液晶显示电路用来显示测定得到的酒精的浓度；声光报警电路中由蜂鸣器做报警器，当酒精含量没有超标，汽车随之启动；反之，则进行声光报警，发出警报，同时控制继电器切断点火装置电源，驾驶人员无法启动汽车，JTAG接口电路用于调试程序，以及系统软件的升级；当一次测试完之后进行手动复位以便下次测量。车载酒精测试仪测试汽车内的酒精浓度，驾驶员所允许的酒

20、精浓度最大值为80mg/100ml，车载酒精测试仪用超精度酒精传感器将酒精浓度转化成电压或电流信号，经调理放大后传给单片机内置的ADC，单片机判断酒精浓度大于80mg/100ml，汽车的点火装置将被切断，并进行声光报警；小于80mg/100ml，汽车可以正常启动。单片机将测得的酒精浓度显示在液晶显示屏上。3.2酒精检测电路酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和单片机内置12位ADC等组成，如图3.2所示。主要功能是检测驾驶员呼出的酒精含量，将化学信号转化为模拟信号，并通过信号调理放大电路对模拟信号进行放大处理以及通过滤波电路滤波，再将进行处理后的信号送到MSP430F14

21、9单片机的内置12位ADC，将模拟信号转化为数字信号，从而使MSP430F149单片机判断检测到的酒精浓度是否超标。图3.2系统酒精检测电路图MQ3酒精传感器感应驾驶员呼出气体中的酒精含量，并将酒精这一化学量转化为电信号，送给由MAX4238组成的放大调理电路，将模拟的电信号放大整形后输送给滤波电路，使输出的电压趋于平滑，再将这一信号送至MSP430F149的ACD12，将模拟信号转化为数字信号。3.2.1 呼气酒精浓度与人体血液浓度关系机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故，严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经过血液循环，约

22、有90的酒精通过肺部呼气排出，因此测量呼气中的酒精含量，就可判断其醉酒程度3。从理论上说，要判断是否是酒后驾驶，最准确的方法应该是检查驾驶人员血液中的酒精含量。血液中的酒精含量可以通过检查血液、呼气、唾液和小便得到。在违章处理或者公路交通例行检查中，要在现场抽取血液往往是不现实的，而送到医院再抽取血液则会因为路上花去的时间使血液中的酒精浓度与在现场时有所不同。最简单可行的方法是现场检测驾驶人员呼气中的酒精含量。在美国国家公路交通安全管理局与国家安全委员会联合编制的名为“SETRlNG LIMITS， SAVING LIVES”的宣传册中明确指出，呼气酒精浓度测试是法律执机构采用的主要方法。大量

23、的统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼达三秒钟以上，这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系：BAC(in mgL)=BrAC(in mgL)x 2 200上式中，BAC是血液酒精浓度的英文缩写，则是呼气酒精浓度的缩写，括号中的inmgL表示以每升中多少毫克为单位。也就是说，以毫克升为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以毫克升为单位的呼气酒浓度乘上系数2 200(由于各国的情况不同，在美国此系数采用2 000，而欧洲很多国家采用2 100)。基于此，目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的

24、多少。为了规范警用呼气酒精测试仪的性能，2001年我国公安部制定了国家公共安全行业标准“呼出气体酒精含量探测器GA3072001”。该标准中对呼气酒精测试仪的各方面性能作了定量规定，其中一些重要性能如示值误差、重复性、抗干扰能力、吹气压力和吹气连续性监视等指标都直接影响检测精度。该文就此略加分析如下：示值误差和重复性是直接影响检测精度的指标，其中示值误差要求在整个工作范围(温度从0 至40 ，相对湿度从20 RH90RH)都要满足如下要求：10(量程：0400 mgL1000 mgL)0040 mgL(量程：0200 mgL0：400mgL)0025 mgL(量程：0200 mgL) ，重复性

25、是反映仪器测量值稳定性的指标。3.2.2 酒精传感器传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件4。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。酒精传感器属于化学传感器中气体传感器，酒精传感器的种类有很多，如采用旁热型半导体式酒精气敏元件M

26、Q3、两电极电化学式酒精气体传感器ME3A-C2H5OH、HS-3C型酒精传感器、自加热型半导体式酒精气体敏感元件MQ213等类型，每一种酒精传感器都有其独特的特点。在本设计中采用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，它对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性，快速的响应恢复，长期的寿命和可靠的稳定性，探测范围为101000ppm，尤其适用于酒后驾驶人员的检测。旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了

27、必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。二者之间的关系表述为：RSRL=(VC-VRL)VRL，其中VC为回路电压为10V。负载电阻RL可调为0.5-200K。加热电压Uh为5V。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。MQ3型气敏传感器的结构和外形如图3.3所示，标准回路如图3.4所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图3.5所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感

28、器预热5分钟。 图3.3 MQ3型传感器结构和外形 图3.4 MQ3型传感器标准回路 阻值变化率0.30.2170度390度220度270度6004002000.1100度乙醇浓度/10负六次方图3.5 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系3.1.3调理放大、滤波以及A/D转换电路信号调理放大电路是将酒精传感器传来的模拟信号进行放大整形，便于转换为数字信号。信号调理放大电路的前级采用美信公司生产的高精密运放MAX4238来实现，它具有1pA的偏置电流，2V的偏置电压，超低温漂，良好的性能。后级放大采用常用的OP07C运算放大来实现。MAX4238是低噪音、低漂移、超高精度的放大器，提供接

29、近零直流偏移和漂移调零技术。这种方法不断的措施并弥补了输入失调，消除漂移时间、温度和1 / f噪声的影响。其引脚分布为1脚为关断输入，2脚为反向输入端（IN-），3脚为正向输入端（IN+），4脚为地（GND），5和8脚为没有连接（NC），6脚为输出（OUT），7脚为正电源（+Vcc）它能在较低电压下工作，工作电压范围为：2.7V5.5V。OP07C是一个低噪声、低偏移的运算放大器，它在工作时不需要外部元件偏移跳零和频率补偿。其中OP07C运算放大器的2脚为反向输入端（IN-），3脚为正向输入端（IN+），4脚为负电源（Vcc），5脚为没有连接（NC），6脚为输出（OUT），7脚为正电源（+Vc

30、c），器工作电压范围为：3V18V.滤波电路则采用美信公司生产的开关电容型引脚可编程集成滤波器MAX266来实现，具有比普通RC滤波电路更优异的性能，且能很好的阻止其余频带内的电信号。MAX266是微型、低成本、低噪音变频滤波器，它是由两个独立的二阶滤波器组成，通过不同的引脚输出，可以构成低通、高通、带通、全通以及陷波滤波器。中心频率和带通频率可以在140KHz的范围内通过输入的时钟信号和引脚F0F5调节，在不同的电路模式下，外围电阻值确定滤波器的品质因素Q。其工作电压范围为2.7V5.5V，是便携式消费设备的理想选择。A/D转换（A/D转换器具体介绍见MSP430F149单片机内部介绍）采用

31、MSP430F149自带的12位、最大速率为200KSPS的ADC，它的电压基准可以选择为内部基准或者外部基准，节省了外部ADC芯片，大大简化了硬件的设计，同时可以满足精度的要求，因此非常适合于本系统的设计。3.3主控电路设计3.3.1主控电路组成及原理在车载酒精控制探测仪的主控电路中采用了由美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能MSP430单片机系列中的MSP430F149。酒精探测控制仪系统中MSP430F149用来判断气体中的酒精含量是否超标，控制整个控制仪的工作，由软件编程来实现对整个电路的控制，系统主控电路如图3. 6所示。MSP430F149的高度集成不但大大降低了故障率，而

32、且在成本、体积、稳定性方面都有明显优势。在本模块设计中，MSP430F149单片机采用两个时钟输入，一个32KHz的时钟脉冲，一个8MHz的时钟信号；同时在电源的管脚增加一个0.1F的电源来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。图3.6 系统主控电路3.3.2 MSP430F149单片机的介绍 MSP430F149单片机是一种低功耗的混合信号发生器，CPU中的16个寄存器和常数产生器使MSP430F149微控制器能达到最高的代码效率5。与其他基于的方案相比，MSP430F149能够在低功耗状态下工作，并且其内部还自带有12为的ADC转换器。它由汇编写成、短小精干、占用系统资源少、运行稳定可靠。MS

33、P430F149单片机的特点：l 具有很低的供电电压，单片机的供电电压最低可低到1.8V，其供电电压范围为1.8V3.6V。l 超低的功耗，这是目前其他单片机没有的特色。它在休眠的条件下工作的工作电流只有0.8A。l 快速的唤醒时间，从休眠方式唤醒只需要6s。l 快速的指令执行时间，它采用的16位RISC结构，指令的执行时间只需要150ns。l 片内自带有12位的A/D转换器，无需外接A/D转换器，片内提供参考电压，且A/D转换器具有采样保持和自动扫描的特点。l 片内提供温度传感器。l 片内提供模拟信号比较器。l 16位的定时器Timer_B带有7个捕获/比较存储器。l 16位的定时器Time

34、r_A带有3个捕获/比较存储器。l 具有灵活的时钟设计，主要有以下几种方式：32kHz的晶体方式、高频率晶体方式、振荡器方式和外部时钟源方式，这就可以根据功耗要求和速度要求灵活的进行时钟设置。l 串口通信模块：USART0和USART1，两个串口都可以通过软件选择设置成USAR方式或者SPI方式，由于这一系列单片机提供了两个串口，可为用户进行多机通信设计提供方便。l 片内提供较多的存储器；在MSP430F149中提供的片内的FLSAH为60KB，同时片内还提供较多的RAM以便进行计算处理。l 提供P1.0P6.0共6个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。在提供外围数据端口中，有两个端口具有中

35、断功能，这样丰富硬件系统的中断资源，也为实现多任务系统提供方便。l 具有JTAG仿真调试接口，这样非常便于软件的调试。l 代码保护功能，单片机的安全熔丝能对对程序代码进行保护，从而可以对知识产权进行保护。3.3.2.1MSP430F149的外部结构MSP430F149采用64引脚封装，它由电源和晶振、通用数字I/O口以及控制线构成，其引脚图如图3.7所示，引脚功能如表3.1所示。图3.7 MSP430F149引脚图表3.1 MSP430F149的引脚功能引脚No方向功能说明AVcc64模拟电源电压正端，只供给ADC12的模拟电源AVss62模拟电源电压负端，只供给ADC12的模拟电源DVcc1

36、数字电源电压正端，供给全部数字部分DVss63数字电源电压负端，供给全部数字部分P1.0/TACLK12I/O通用数字I/O引脚，Timer_A时钟信号TACLK输入P1.1/TA013I/O通用数字I/O引脚，Timer_A捕获：CCI0A输入，比较：Out0输出P1.2/TA114I/O通用数字I/O引脚，Timer_A捕获：CCI1A输入，比较：Out1输出P1.3/TA215I/O通用数字I/O引脚，Timer_A捕获：CCI2A输入，比较：Out2输出P1.4/SMCLK16I/O通用数字I/O引脚，SMCLK信号输出P1.5/TA017I/O通用数字I/O引脚，Timer_A，比较

37、：Out0输出P1.6/TA118I/O通用数字I/O引脚，Timer_A，比较：Out1输出P1.7/TA219I/O通用数字I/O引脚，Timer_A，比较：Out2输出P2.0/ACLK20I/O通用数字I/O引脚，ACLK输出P2.1/TAINCLK21I/O通用数字I/O引脚，Timer_A输入时钟信号INCLKP2.2/CAOUT/TA022I/O通用数字I/O引脚，Timer_A捕获：CCI0A输入/比较器A输出P2.3/CA1/TA123I/O通用数字I/O引脚，Timer_A比较：Out1输出/比较器A输出P2.4/CA2/TA224I/O通用数字I/O引脚，Timer_A比

38、较：Out2输出/比较器A输出P2.5/Rose25I/O通用数字I/O引脚，定义DCO标称频率的外接电阻P2.6/ADC12CLK26I/O通用数字I/O引脚，ADC12转换时钟P2.7/TA027I/O通用数字I/O引脚，Timer_A比较：Out0输出P3.0/STE028I/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式从机发送允许P3.1/SIMO029I/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式从收主发P3.2/SOMI030I/O通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式从发主收P3.3/UCLK031I/O通用数字I/O引脚，USART0/UART模式输入，SPI模式时

39、钟输入或输出P3.4/UTXD032I/O通用数字I/O引脚，USART0/UART模式数据发送P3.5/URXD033I/O通用数字I/O引脚，USART0/UART模式数据接收P3.6/UTXD134I/O通用数字I/O引脚，USART1/UART模式数据发送P3.7/URXD135I/O通用数字I/O引脚，USART1/UART模式数据接收P4.0/TB036I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：CCR0输入或PWM输出P4.1/TB137I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：CCR1输入或PWM输出P4.2/TB238I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：

40、CCR2输入或PWM输出P4.3/TB339I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：CCR3输入或PWM输出P4.4/TB440I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：CCR4输入或PWM输出P4.5/TB541I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：CCR5输入或PWM输出P4.6/TB642I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7捕获：CCR6输入或PWM输出P4.7/TBCLK43I/O通用数字I/O引脚，Timer_B7输入时钟P5.0/STE144I/O通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式从机发送允许P5.1/SIMO145I/O通用数字I/O引脚，

41、USART1/SPI模式从收主发P5.2/SOMI146I/O通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式从发主收P5.3/UCLK147I/O通用数字I/O引脚，USART1/UART模式输入，SPI模式时钟输入或输出P5.4/MCLK48I/O通用数字I/O引脚，主系统时钟MCLK输出P5.5/SMCLK49I/O通用数字I/O引脚，子系统时钟SMCLK输出P5.6/ACLK50I/O通用数字I/O引脚，辅助时钟ACLK输出P5.7/TBoutH51I/O通用数字I/O引脚，将TB0TB6的PWM输出端切换成高阻P6.0/A059I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a0P6.1/A16

42、0I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a1P6.2/A261I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a2P6.3/A32I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a3P6.4/A43I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a4P6.5/A54I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a5P6.6/A65I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a6P6.7/A76I/O通用数字I/O引脚，ADC模拟输入a7/NMI58I复位输入，非屏蔽中断输入，或启动FLASH型的Bootstrap过载过程TCK57IJTAG测试时钟，或启动FLASH型的Bootstrap过载过程TDI55IJTAG数据输入，

43、接芯片保护熔丝TDO/TDI54I/OJTAG数据输出/数据输入，或芯片编程端TMS56IJTAG模式选择，或芯片编程和测试Ve REF+10IADC12外部参考电压输入正端VREF+7OADC12内部参考电压输出正端V REF-/Ve REF-11OADC12内部或外部参考电压负端XIN8ITX1晶振输入，可以接钟表晶振XOUT/TCLK9I/OTX1晶振输出，或Test时钟输入XT2IN53ITX2晶振输入，只能接标准晶振XT2OUT52OTX2晶振输出3.3.2.2.MSP430F149的内部结构如图3.8所示，MSP430F149主要包括CPU和外设，主要外设有存储器、时钟模块、定时器

44、、比较器、串口通信和A/D转换的模块6。图3.8 MSP430F149内部结构图（1） CPUMSP430F149的内核CPU结构是按照精简指令和高透明的宗旨来设计，它采用的是“冯-诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间，使用同一组地址数据总线。CPU结构式16位，它采用了精简的、高透明的、高效率的正交设计，它包括一个16位的算术逻辑单元（ALU）、16个寄存器和一个指令单元。16个寄存器中有4个特殊的功能寄存器（程序计数器PC、堆栈指针SP、状态寄存器和常数发生器）和通用寄存器。其中状态寄存器用来设置某些位来控制CPU的行为或通过某些位来反映CPU的状态，在写C语言或汇编语言时都需要用户

45、设置适当的位或者读取出适当的位，从而控制CPU的运行行为，图3.9给出该寄存器的结构。159 8 7 6 5 4 3 2 1 0保留VSCG1SCG0OscOffCPUOffGIENZC图3.9 状态寄存器的结构l C：进位标志位。当运算结果产生进位的时候CPU将该位设置为1，否则该位的内容为0。l Z：零标志位。当运算结果为0的时候设置该位为1，否则该位的内容为0。l N：负标志位。当运算结果为负的时候CPU将该位设置为1，否则该位的内容为0。l GIE：中断控制位。该位为中断允许位，将该位设置为1时，允许中断；如果该位设置为0时，禁止所有中断。该位需要用户在写程序的时候根据自己的需要进行设

46、置。l CPUOff：CPU控制位。如果该位设置为1的话，则CPU进入关闭模式，这时除了RAM的内容、端口和寄存器保持外，CPU处于停止状态，可以通过某种中断将CPU唤醒。如果该位设置为0时，CPU处于工作状态。l OscOff：晶体控制位。如果该位设置为1的话，晶体振荡器处于停止状态；如果该位设置为0的话，则晶体处于工作状态。如果要设置该位为1，还必须同时设置CPUOff为1。l SCG0：该位与SCG1结合使用，来控制系统时钟的4种状态。如表3.2所示。l SCG1：该位与SCG0结合使用，来控制系统时钟的4种状态。如表3.2所示。l V：溢出标志位。如果运算结果超出范围，则CPU将该位设

47、置为1，如果没有超出范围，则该位的内容为0。表3.2 系统时钟的状态SCG0SCG1系统时钟的状态00SMCLK, ACLK10SMCLK, ACLK01ACLK11ACLK由表3.2可以看出，适当设置SCG1、SCG0两个位可以控制系统时钟的状态。（2） 存储器MSP430F149采用的是“冯-诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间，存储器都分配在0000HFFFFH范围内，按线性方式组织，在0000HFFFFH范围从低到高分别是：特殊功能寄存器、外围模块寄存器、数据存储器、程序存储器和中断向量表，存储器组织图如图3.10所示。图3.10 存储器的结构由图可知：00H0FH为特殊功能寄存

48、器，主要包括4个特殊功能寄存器和通用寄存器；10HFFH为宽为8位的寄存器，这些寄存器是8位外围模块使用的寄存器；100H1FFH为宽为16位的寄存器，这些寄存器是16位外围模块使用的寄存器；从200H9FFH这一地址范围是片内RAM寄存器；C00HFFFH这一地址范围是片内ROM寄存器；1000H10FFH和1100HFFDFH都为程序空间；FFE0HFFFFH这一范围为中断向量表的空间。（3） 基础时钟时钟模块是MSP430F149单片机不可缺少的模块，时钟主要有高速晶体、低速晶体和数字控制振荡器（DCO）等器件构成，高速晶体、低速晶体和数字控制振荡器（DCO）等器件通过时钟模块产生3个不

49、同的时钟提供不同的模块使用，产生的时钟为：辅助时钟（ACLK）、主系统时钟（MACLK）和子系统时钟（SMCLK），时钟模块产生3个不同的时钟信号，这样可以采用不同的时钟从而达到低功耗的目的。（4） 定时器定时器主要有看门狗、定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B）。看门狗是一个16位定时器，其主要功能是检测到软件出现问题时重新启动系统，在看门狗设置时间到时，会产生一个系统复位信号；定时器A是一个16位定时器/计数器，它有3个捕获/比较寄存器，能支持多个时序控制、多个捕获/比较功能和多个PWM输出，用户对定时器A的所有操作主要都是由模块的寄存器来完成；定时器B与定时器A结构大致相

50、同，定时器B有7个捕获/比较寄存器，并且功能比定时器A更多。在本设计中主要用到定时器A的中断与定时，下面具体介绍定时器A的TACTL寄存器和TAIV寄存器。a) TACTL寄存器TACTL寄存器是一个16位的寄存器。通过设置该寄存器完成对Timer_A作为定时器使用控制，它包含了Timer_A作为定时器使用的所有控制位，图3.11给出了TACTL寄存器的各个位。1015未用SSEL1 SSEL0ID1 ID0MC1 MC0未用CLRTAIETAIFG图3.11 TACTL寄存器SSEL1、SSEL0：定时器A的时钟源选择。SSEL1、SSEL0位与时钟源的选择的关系如表3.3所示。表3.3 定

51、时器A的时钟源的选择SSEL1SSEL0定时器A的时钟源00TACLK（使用外部管脚信号为输入）01ACLK10MCLK11INCLK（外部输入时钟）由表3.3可知：通过设置SSEL1、SSEL0的值可以完成对定时器A的时钟源选择。ID1、ID0：这两个位来选择输入时钟的分频系数。ID1、ID0位与输入时钟的分频系数选择的关系如表3.4所示。表3.4 定时器A的的分频系数选择ID1ID0定时器A的分频系数00直通、时钟不分频011/2分频101/4分频111/8分频MC1、MC0：这两个位来选择Timer_A作为定时器的工作方式。MC1、MC0与工作方式选择的关系如表3.5所示。表3.5 定时

52、器A的的工作方式选择MC1MC0定时器A的工作方式00停止模式01增模式10连续模式11增减模式CLR：Timer_A的清除控制。该位设置为1时，TAR寄存器里的内容、计数器方向等内容被清除。TAIE：Timer_A的中断使能。当该位为1时，允许Timer_A的中断，当该位为0时，不允许Timer_A的中断。TAIFG：Timer_A的中断标志。当该位为1时，有中断产生，当该位为0时，没有中断产生。b) TAIV寄存器该寄存器为定时器A模块的中断向量寄存器。CCR1的CCIFG中断标志、CCR2的CCIFG中断标志和TAIFG中断标志使用一个中断向量表，TAIV寄存器是用来判断是哪一个中断标志

53、请求。TAIV是一个16位的寄存器，该寄存器的位分配如图3.12所示。515为0TAIVx（3位）0图3.12 TAIV寄存器由图3.11可知，TAIV寄存器使用了3位对中断向量进行编码，以便区分是哪一个中断请求，具体的编码如表3.6所示。表3.6 TAIV中断向量值TAIV内容中断源中断标志中断优先级00H没有中断标志02H捕获/比较1CCR1的CCIFG最高04H捕获/比较2CCR2的CCIFG06H保留将来使用08H保留将来使用0AH定时器溢出TAIFG0CH保留将来使用0EH保留将来使用最低（5） 端口MSP430F149单片机有6个I/O口：P1P6，每个端口有8个管脚，每个管脚可以

54、单独设置成输入或输出方向，并且每个管脚都可以进行单独的读或写。P1和P2口具有中断功能，它们的每个管脚都可以单独设置成中断，并且设置成上升沿或者下降沿触发中断。MSP430F149单片机有I/O口的主要特征：l 每个I/O口可以独立编程设置。l 输入输出可以任意结合使用。l P1和P2口的中断功能可以单独设置。l 有独特的输入输出寄存器。（6） 比较器A比较器A支持A/D转换、电压监控和外部模拟信号的监控，用户对比较器A 的所有操作都是通过操作该模块的寄存器来完成，它的寄存器主要有CACTL1、CACTL2和CAPD。比较器A主要有以下特点：l 反向和非反向的中断输入复用器。l 比较器输出有软

55、件选择的RC滤波器。l 比较器的输出可以作为定时A的捕获输入。l 端口输入缓冲由软件控制。l 具有中断功能。l 可选择参考电压的产生。l 比较器和参考电压产生可以关闭。（7） FLASH模块FLASH模块可以按位、字节和字访问，并且可以进行编程和擦除，它有一个集成控制器用来控制编程和擦除操作，该集成控制器有3个寄存器，用来产生编程和擦除的时序，也可来提供编程和擦除的电压。（8） 串口通信（USART）串口通信是一个非常重要的部分，通过串口通信来实现于其他模块进行通信。USART硬件模块主要包括波特率部分（通过设置波特率寄存器和波特率调整寄存器来获得波特率）、接收部分（在接收的时候产生一些状态信

56、息，并设置相应的中断标志位）、发送部分和接口部分等。（9） ADC模块在单片机内有ADC模块，它应用了12位的SAR核、采样选择控制、参考产生和16位的转换控制缓冲区，ADC12模块主要有以下特点：l 采样速度快。l 在采样周期可以编程的情况下，采用保持的时间可由软件或者定时器控制。l 转换开始可以由软件、定时器A和定时器B实现。l 片内参考电压的产生可以由软件编程选择，也可以由软件选择内部参考还是外部参考。l 每个信道可以单独选择正极性或者负极性的参考源。l 可以选择转换时钟源。具有单通道单次转换、单通道多次转换、序列通道单次转换和序列通道多次转换4种转换模式。l ADC转换核和参考电压能够

57、单独关断以节省功耗。l 具有中断矢量寄存器，这样可以快速解码ADC的各个不同中断。l 16位的转换结果存储寄存器。用户对ADC12模块的所有操作的是通过操作该模块的寄存器完成的。ADC12模块的寄存器比较多，大致分4类：转换控制类、中断控制类、存储控制类和存储类。其中转换控制类的寄存器有：ADC12CTL0和ADC12CTL1；中断控制类的寄存器有：ADC12IFG、ADC12IE和ADC12IV；存储控制类的寄存器有ADC12MCTL0ADC12MCTL15；存储器类寄存器有ADCMEM0ADCMEN15。本设计采样了中断类的寄存器，下面具体介绍ADC模块的中断控制类寄存器。ADC12模块的

58、中断控制类寄存器主要对相应的中断进行处理。中断控制类的寄存器有ADC12IFG、ADC12IE和ADC12IV，下面对这3个寄存器分别进行介绍。ADC12IFG寄存器位ADC12模块的中断标准寄存器，该寄存器为16位的寄存器。图3.13为该寄存器的位分配。ADC12IFG150图 3.13 ADC12IFG寄存器由图3.13可以看出ADC12IFG寄存器共有16个中断标志位。它的某个位对应相应的ADC12MEMx寄存器，在转换结束后，转换结果装入转换存储器ADC12MEMx后置位，当ADC12MEMx存储器被访问后复位。ADC12IE寄存器为ADC12模块的中断允许寄存器，该寄存器为16位的寄

59、存器。该寄存器与ADC12IFG寄存器一样对应于16个转换存储寄存器ADC12MEMx。该寄存器的各个位使能相应的中断。ADC12IV寄存器是ADC12模块的中断向量寄存器，该寄存器是一个8位的寄存器，该寄存器的位分配如图3.14所示。00ADC12IV400图3.14 ADC12IV寄存器由图3.13可以看出ADC12IV寄存器有5个有效的控制位，该5个控制位确定了ADC12模块种的中断向量表，如表3.7所示。表3.7 ADC12模块种的中断向量表ADC12IV的值中断源中断标志优先级02HADC12MEMx溢出最高04H转换时间溢出06HADC12MEM0中断ADC12IFG008HADC

60、12MEM1中断ADC12IFG10AHADC12MEM2中断ADC12IFG20CHADC12MEM3中断ADC12IFG30EHADC12MEM4中断ADC12IFG410HADC12MEM5中断ADC12IFG512HADC12MEM6中断ADC12IFG614HADC12MEM7中断ADC12IFG716HADC12MEM8中断ADC12IFG818HADC12MEM9中断ADC12IFG91AHADC12MEM10中断ADC12IFG101CHADC12MEM11中断ADC12IFG111EHADC12MEM12中断ADC12IFG1220HADC12MEM13中断ADC12IFG1322HADC12MEM14中断ADC12IFG1424HADC12MEM15中断ADC12IF