摘要：描述了一種簡易的交流數字電壓表的系統設計。系統以MSP430F448為核心，該單片機內部集成了12位的A/D轉換器，轉換器帶有內部參考源、采樣保持、自動掃描特性，極大地簡化了硬件設計。因為單片機內部中斷資源豐富，電壓轉換、定時等都采用中斷觸發，減少了系統響應時間，提高了軟件執行效率。此外該單片機的液晶驅動能力可達160段，可以直接將A/D轉化數據顯示在LCD上。
MSP430F44x系列是TI公司推出的一款超低功耗的16位單片機，其運算速度快而且體積小。片內集成了8路12位A/D、串行通信接口、看門狗定時器、比較器、硬件乘法器等外圍設備模塊，從而降低了應用電路的復雜程度，提高了系統的可靠性。該芯片可以工作于2.5 V和3.3 V兩種電壓下，并且可以處于休眠狀態，此時的頻率只有32768 Hz,功耗非常低，環境溫度范圍為-40~+125℃。這些優點非常適合設計便攜式，且要求長時間連續工作，環境溫度變化寬的智能儀器儀表設備。MSP430F44x系列單片機具有其他單片機無法比擬的優點，用其來實現交流電壓的測量是一種很好的設計方案。
1 系統總體方案設計
本系統主要由以下4大模塊組成：中央處理器、電源電路、電壓極性轉換電路和顯示電路。
為了保證硬件電路設計的通用性，采用單級性電壓測量的方法，將輸入的雙極性電壓轉換成單級性電壓進行測量。然后將轉換后的電壓送入單片機A/D模擬通道進行模數轉換，最終將轉換的數字信號在LCD液晶上顯示。系統設計框圖如圖1所示。
圖1 系統設計框圖
2 系統硬件設計
2.1 電壓極性轉換電路
從圖2的電路中可以得到，首先通過變壓器將220 V的交流電壓降成8 V的交流電壓，再經過極性轉換電路將雙極性的交流電壓轉換為單級性的交流電壓。電路中的R405電位器主要用于調節參考電壓，R404電位器用于調節交流輸入電壓的幅度。經過上面電路的處理，可以將輸入的交流電壓轉換成0~3 V的單級性交流電壓，這樣很容易使用MSP430單片機自帶的A/D轉換通道進行模擬量采集，從而實現交流電壓的測量。其中，極性轉換電路主要由放大電路實現，在此我采用MCP601放大芯片。
圖2 電壓極性轉換電路
2.2 電源電路
用電池給系統供電，由于MSP430系列有內置模擬電源和模擬地，所以要進行模擬電源和數字電源的轉換，以便給芯片供電。然后將電池電源轉換為3V左右的電源給系統供電。具體電路如圖3所示。
圖3 電源電路
2.3 A/D轉換、輸出顯示電路及JTAG接口電路
A/D轉換用到了模擬輸入通道A0,LCD顯示用到了S0至S20,使用4MUX模式。液晶所需要的模擬信號由外接的等值電阻產生。具體電路如圖4所示。
圖4 A/D、LCD、JTAG電路
3 系統軟件設計
對于交流采集，需要在1個工作周期內采集40個點，即時間間隔為500μs,時間間隔采用定時器實現。
圖5 程序流程圖
3.1 采樣、A/D轉換子程序
3.2 顯示子程序
4 測試結果分析
電路測試結果如表1所示。
表1 電路測試結果
通過上述結果分析，測量較高值時測量精度有點低，誤差大。但數值小的時候測量精度很高。不足之處是本設計的外圍分壓電路是通過調節電位器來實現的分壓效果，實際電路受到電壓源等因素影響較大，這之間會因為電壓值的不同而引起效果好壞的改變。
5 結論
文中的程序通過MSP430開發工具IAR EmbeddedWorkbench編譯、運行。在實驗室做成一個簡易電路，并將程序下載到電路板上進行運行，發現此電路可以實現測量交流電壓的功能，但在精確度方面需要進一步改進。