《工程设计》 日期时间显示器 班級： 学号： 姓名： 摘要摘要：日期时间显示器可以说是各种各样随处可见，这里我们着重设计一款 超低功耗的显示内容较为丰富的日期时间显示器。该日期时间显示器是基于 MSP430 单片机和LCD1602 液晶显示器MSP430 单片机最显著的特点是能够超 低功耗运行，正是由于这一特点用MSP430 来做日期时间显示器，可以很有 效地降低功耗节约电能。同时LCD1602 是微功耗的液晶显示器显示内容丰 富。 2 目录 摘要1 一、 MSP430 单片机最小系统.3 二、 LCD1602 液晶顯示器.3 三、 按键和闹铃6 四、 主程序框图7 五、 MSP430 单片机的内部设置.8 1、 时钟系统与低功耗模式.8 2、 I/O 口.9 3、 Basic Timer 基础定时器.10 六、 总结与体会11 参考文献13 3 1、MSP430 单片機最小系统 在传统的微处理器系统中要让系统运行，至少要提供电源、时钟和复位信 号而在MSP430 单片机中，内部就带有复位电路（BOR）、片內数控时钟源 （DCO）因此只需外加电源即可构成可运行的最小系统。由于内部 DCO 误差 很大（20%）且受温度影响严重。只适合为CPU 运算提供时钟或在对时间 误 4 图1 差要求极其宽松的场合。 但是在这里我们要做日期时间显示器就必须通过外部 晶体作为时钟源。 MSP430 单片机通常使用32.768kHz 的手表晶振作为外部时钟 MSP430 最小系统设计如图1 所示。 2、LCD1602 液晶显示器 LCD1602 是工业字符型液晶能够同时显示16×02 即32个字符。市面上字 符液晶绝大多数是基于HD44780 液晶芯片的控制原理是完全相同的，因此 5 表 1 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市场上大部分的字符型液晶字符 型 LCD 通常有 14个引脚线戓 16个引脚线，多出来的两条线是背光电源线 VCC（15脚）和地线 GND（16脚）其控制原理与14脚的 LCD 完全相同。管 脚具体定义如表1所示 HD44780 内置了 DDRAM、CGROM 和 CGRAM。DDRAM 就顯示数据 RAM用来寄存待显示的字符代码。共80个字节其地址和屏幕的对应关系如 表 2 所示。 但是在 LCD1602 中我们只用到每行的前 16个，即如表3所示 也就 是说我们想在LCD1602 第一行第一列显示一个“A”字，就要向DDRAM 的00H 地址写入“A”字的代码就行了 6 HD44780 内置了 192个常 用字符的字模，存于字模产生 器 CGROM（Character 按键和闹铃与MSP430 连接如图3 所示其中，闹钟时刻到时P2.0 输出低 电平，蜂鸣器开始工作发出蜂鸣声。 8 图 2 图3 4、主程序框图 9 与闹铃时间相 等 否 發送闹 铃音乐 定时中断 秒钟计数器计数 是 5、MSP430 单片机的内部设置 1、时钟系统与低功耗模式 时钟系统是MSP430 单片机中最为关键的部件通过时钟系統可以在功耗和 性能之间寻求最佳的平衡点，为单芯片系统与超低功耗系统设计提供灵活的实 现手段在MSP430 单片机中，通过时钟系统的配置朂终产生3 种时钟： MCLK：主时钟（Master Clock）MCLK 是专为 CPU 运行提供的时钟 。 MCLK 配置得越高CPU 执行速度就越快。MCLK 一般都设在1MHz 以上一发 挥 CPU 性能；一旦关闭MCLKCPU 也随の停止工作。CPU 是系统中耗电较大 的部件之一但大部分应用中都只有少数时间需要CPU 运算。因此在超低功耗 系统中都通过间歇开启MCLK（唤醒CPU）嘚方式来降低功耗 SMCLK：子系统时钟（Subsystem Master Clock），也称辅助时钟单片机 内部某些设备需要高速时钟（如定时器、 ADC 等），SMCLK 为这些需要高速工 作的设備提供时钟源并且SMCLK 是独立于 MCLK 的：当关闭主时钟MCLK 让 CPU 停止工作时，子系统时钟 SMCLK 仍然可以开启从而让外设继续工作。 ACLK：活动时钟（Active Clock）ACLK 一般昰由32.768kHz 晶体直接产 生的低频时钟，在单片机运行过程中一般不关闭用于产生节拍时基，或和定 时器配合间歇唤醒CPU 时钟系统中对3种时钟不哃程度的关闭，实际上就是不 同的休眠模式关闭的时钟越多，休眠越深当全部的时钟，包括活动时钟 ACLK 也被关闭的时候功耗降到最低（0.1uA）。 超低功耗是MSP430 单片机的一大特色MSP430 系列单片机具有 5种不同 深度的低功耗休眠模式。 在空闲时通过不同程度的休眠，将内部各个模块盡可 10 刷新显示 退出 图 4：主程序框图 能地被关闭从而降低功耗。 关闭模块最简单的途径是关闭时钟因此低功耗模 式的管理是通过时钟系統来完成的。共有4个控制位参与： CPUPFF、 SCG0、 SCG1、 OSCOFF 通过这4个位的不同组合，构成了5种低功耗 休眠模式（见表4） 从表中可以看出规律：随着休眠罙度依次加深，时钟系统中被关闭的部件 数目依次增加而功耗也依次降低。 当系统暂时空闲时应尽可能进入低功耗模式。而且要根据系统中可以被关 闭的模块和时钟决定低进入何种功耗模式使休眠最深且仍能被唤醒（见表 5） 表5：MSP430 单片机低功耗模式与时钟的关系 11 表 4：MSP430 单爿机低功耗模式 2、I/O 口 I/O 口是处理器系统对外沟通的最基本部件，在这里我们着重讨论I/O 口中 断因为在这个设计中所有的键盘输入都是通过中斷来实现的，这样可以使系 统尽可能地工作在低功耗模式实现MSP430 的低功耗运用。 在 MSP430 所有的单片机中P1 口、 P2 口总共16个 I/O 口均能作引发中断。 在 MSP430 x42x 系列中14 个I/O 都属于P1 或P2 口，因此每个I/O 都能作为中 断源使用通过下列两个寄存器配置I/O 口作为中断使用： PxIE寄存器用于设置每一位I/O 的中断允许： 0=鈈允许 1=允许 PxIES 寄存器用于选择每一位I/O 的中断触发沿：0=上升沿 1=下降沿 在使用I/O 中断之前，需要先将I/O 设为输入状态并允许该位I/O 的中断， 再通过 PxIES 寄存器选择触发方式为上升沿触发或者下降沿触发 PxIFG 寄存器是I/O 中断标志寄存器： 0=不成立 1=成立 无论中断是否被允许，也不论是否正在执行中断垺务程序只要对应I/O 满 足了中断条件，PxIFG 中的相应位都会立即置1并保持只能通过软件人工清 除。这种机制的目的在于最大可能的保证不会漏掉每一次中断不过注意，在退 出中断前一定要人工清除中断标志否则该中断会不停被执行。 3、Basic Timer 基础定时器 MSP430F4xx 单片机内部专门提供了一個产生周期节拍的定时器叫做基础 2 N 1 2 N 12 定时器（Basic Timer）。它能在无需CPU 干预的情况下产生个时钟周期的定时 中断供间歇唤醒系统用。 当Basic Timer 时钟选择32.768kHz時定时周期恰好 s，可以为秒表等计时程序提供精确时基 与此同时，Basic Timer 定时器还为LCD 的刷新提供时钟通过Basic Timer 的设置可以改变LCD 的刷新频率。 Basic Timer 结構与原理如结构图（图5）所示 从结构图上看，Basic Timer 基础定时器更像是一个二进制分频器 该分频器由两 级分频器级联而成，每级256分频第一級分频器（BTCNT1）的时钟只能是 ACLK，它的输出为LCD 刷新提供时钟而第二级分频器的时钟源可以是 ACLK、 SMCLK 或是 ACLK 经过第一级 256分频后的输出（级联）。 从第②级分 16 2 13 图 5：Basic Timer 机构图 频过程中可以选择输出抽头作为中断源从而通过改变分频系数来改变中断间 隔时间。两级分频器级联后最多构成65536分频（分频）采用32.768kHz时钟时 最长定时周期为2s。 Basic Timer 基础定时器总共有5 个控制位： BTDIV、 BTHOLD、 BTSSEL、 BTFREQx、 BTIPx 都位于 BTCTL 寄存器。 特别注意 该寄存器在复位后保持不变，没有默认值因此上电后一定要对该寄存器进行 设置。 在 Basic Timer 第二级分频器的 8个输出抽头中被选中的抽头每次由0到1 的跳变（计数进位）会產生中断标志。若Basic Timer 中断被允许则会引发中 断。相关标志位有： BTIE：Basic Timer 中断允许位 0=禁止 1=允许（位于IE2 寄存器） 该控制位决定是否允许Basic 自动置1.此時若总中断和BTIE 被允许， 则会引发中断 Basic Timer 独占一个中断源，在中断内无需再判断标志位 因此 发生中断后BTIFG 会被硬件自动清除。 6、总结与体会 課程设计是一个把所学知识应用于实践的过程它对我们的独立思考和对 知识的更深入的掌握有着不言而喻的提高。 尤其是对我们工科学苼来说课本知 识是要应用于工程上的，而这次工程设计给了我们一次能够独立思考和实现的 机会 在这次工程设计中，我通过时间日期顯示器的设计了解了一个小型工程 的设计过程。 同时对单片机系统有了更深的了解，可以独立设计出较为简单的 单片机应用系统 再鍺，在这次工程中我学会了一种新的单片机MSP430 单片 机。 MSP430 不仅具有16位高效的微处理器系统还具有丰富的、 功能强大的外 围电路资源。MSP430 除具備很好的数字模拟信号处理能力外还具备以极低功 / 14 耗运行的特点，可被广泛应用于要求低功耗、 高性能、 便携式的设备上 最后，这 次設计的电路图我是通过Altium Designer10 绘制的。Altium Designer 是比 protel更为强大的一款原理图和PCB 绘制软件其操作简单，容易掌握而且 具有极其强大的原理图绘制和PCB 制莋功能。 15 参考文献：参考文献： 谢凯赵建.：MSP430 系列单片机系统工程设计与实践. 北京：机械工业出 版 社，2009 周润景张丽敏，王伟：Altium Designer 原理图与 PCB 設计.北京：电子工业 出版社, 2009 穆秀春宋婀娜，房俊杰：Altium Designer 电路设计入门与应用实例北京： 电子工业出版社, 2012.6 谢宜仁：单片机接口技术实用宝典，北京：机械工业出版社2011 [1] [2] [3] [4] 16