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以MSP430F149為核心的溫度檢測儀的設計

   2012年04月28日 16:04  
  摘要:蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲環(HIFRL-CSR)是國家科學重點工程之一,在其內部控制系統里存在著大量的測量溫度的場合,這些場合依靠約束離子的行為發揮CSR主環中的磁場作用,由于磁鐵的溫度與磁場性能及安全密切相關。磁鐵的線圈中通過電流時,會產生很高的溫度,因此,對其溫度的測量是一項非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測儀基于此要求進行設計,并投入使用,是一款成本低并且性能良好的測溫儀
  
  引言
  
  蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲環(HIFRL-CSR)是國家科學重點工程之一,在其內部控制系統里存在著大量的測量溫度的場合,這些場合依靠約束離子的行為發揮CSR主環中的磁場作用,在磁場中,這些帶電粒子束有時處于聚焦狀態,有時則處于傳輸狀態,且磁場性能的好壞對束流品質有直接影響。
  
  由于磁鐵的溫度與磁場性能及安全密切相關。磁鐵的線圈中通過電流時,會產生很高的溫度,因此,對其溫度的測量是一項非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測儀基于此要求進行設計,并投入使用,是一款成本低并且性能良好的測溫儀。
  
  1、溫度測量原理
  
  1.1溫度測量的流程分析
  
  在該設計中,測溫范圍應控制在20~70℃范圍內,且測溫精度約為±1℃;當溫度高于70℃時,則發出自動報警提示。目前,大多數溫度監測系統精度較低,程序響應的時間都比較慢,僅能監測到8路。而在此設計中擬用8個開關進行模擬,這樣就可以實現監測到64路。這樣,在該電路中,可以主要測量其電橋溫度,利用A/D轉換器實行轉換,僅需采取VCO和單片機接口即可實現。
  
  當溫度信號發出時,選擇Pt100傳感器,其鉑電阻的阻值會隨著溫度的變化而發生變化,并且會呈現一定的函數關系,Pt100傳感器利用這一特點,實現測溫功能。其中,溫度與阻值之間的關系可表示為:
  
  1.2溫度測量的參數分析
  
  一般情況下,將溫度測量控制在-200~+800℃,允許偏差為:*±(0.15+0.002|t|),B級±(0.30+0.005|t|);其中,熱電阻zui小的置入深度不得低于2DOmm;響應時間控制在30s范圍內;允許通過的電流不大于5mA。除此以外,溫度傳感器Pt100還具有穩定性能好、抗振動、測量準確性高、耐受高壓的優點。
  
  Pt100溫度傳感器測量系統的流程圖如圖1所示。
  
  2、溫度測量系統的硬件模塊
  
  在該設計中,主要采用由美國德州儀器公司生產的16位單片機——MSP430F149,它具有運行速度快、處理能力強、功耗低的優點,其工作時的電壓為1.8~3.6V。內部的CPU在運行過程中,會發出正交精簡的指令集,通過寄存器可實現各種各樣的運算,且具備一些中斷源,可隨意嵌套。如果系統處于省電狀態,用于中斷的請求和喚醒僅需要6μs。
  
  此外,MSP430F149還有很多片上外圍模塊,以12位A/D轉換器為例,具備內部參考源,可保持采樣進行并實現自動掃描等功能;在16位定時器TimerA中,共有四種工作模式,可以在實現多個捕獲功能時發揮外部比較的功能;其中48個I/O口具備獨立編程的能力,兩個串行接口可實現USART0和USART1之間的通信;另外,在FLASH存儲器中,zui高存儲容量約為60KB,可完成近10萬次擦寫。
  
  2.1溫度測量系統硬件模塊的組成
  
  此系統硬件模塊由數據采集單元、通信接口單元和鍵盤顯示單元三個部分組成。
  
  2.2溫度測量系統硬件模塊的工作原理
  
  2.2.1數據采集
  
  在此沒計中,橋式電路由Pt100傳感器和電阻組成,能把Pt100由于溫度變化而產生的阻值變化,轉化為電壓變化,并輸入到運算放大器中,當信號被放大后,再進行A/D轉換。由于現場應用的條件較惡劣,而測量過程中的精度要求較高,因此一部分已經放大的信號,可采取電壓與頻率之間的轉換技術實現A/D轉換,再將這種方法測量的數據輸入到ROM表中,對MSP430F149中的A/D轉換結果實行線性補償。
  
  在橋式電路甲,導線電阻的連接可能產生測量誤差,為了避免這種情況,可采取三線連接法。此外橋式測溫電路中的電壓波動現象,可能造成測量結果的誤差,因此應采取+10V基準電壓實現電橋電路的供電工作,以此加強對電橋電路中的電壓波動限制。電橋電路如圖2所示。
  
  在壓控振蕩器LM331中,可實現電壓與頻率之間的轉換。作為一種芯片,它具備如下特點:可自由轉化模擬電壓,將其置換為可實現遠距離傳輸、可直接輸入計算機、抗*力*的脈沖串。利用MSP430F149單片機中的Timer模塊,可檢測其輸出頻率大小,以完成A/D之間的轉換功能。在壓控振蕩器LM331中,可使用其溫度補償功能,并具有*的溫度穩定性。另外,在該器件的脈沖輸出過程中,可兼容多種邏輯形式,既可采取單電源供電,也可采取雙電源供電,其中基電壓控制在5~40V范圍內,zui大非線性誤差控制在0.01%內。
  
  經相關實驗證明,壓控振蕩器LM331的電壓與頻率關系式表示如下:
  
  f0=KVi
  
  式中:K=Rs/(2.09Rt·Ct·RL);Rs=Rs1+Rs2。
  
  因為MSP430F149是16位的計數器,所以在此設計中就選用的具體參數為:Rs=33kΩ,Rt=6.8kΩ,Ct=2200pF,RL=100kΩ。由于Rs,Rt,Ct,RL對f0的轉換產生直接影響,其計算結果也會有所區別。因此,在該組電路中,主要采用精密電阻計算,電容則選用漏電流偏小的云母電容。
  
  LM331的電路原理圖如圖3所示。
  
  2.2.2通信接口
  
  在MSP430F149中配有通用的通信串行接口,可允許7位、8位串行位流。串行位流主要以預設速率進行,且由外部時鐘確定的速度做出移入或移出動作。MSP430F149傳送單片機和上位機之間的數據,應通過RS485接發器進行接收或發送;再通過嵌入式網關ATmega128接入以太網,實現用戶的遠程訪問功能。其中,數據通信方式為全雙工、4線形式,波特率約57600b/s,通過MSP430F149單片機中的P口實現數據的接收與發送。
  
  2.2.3鍵盤顯示
  
  通過鍵盤接口,可完成行列掃描。在系統工作過程中,MCU會持續查詢、檢查按鍵是否按下,造成工作效率低下。因此,在設計中,應考慮采取I/O口形式,來完成鍵盤輸入的中斷。MSP430F149單片機中P1口和P2口都可以用來處理外部事件中斷問題,與率、化工作要求正好相符。在MSP430F149單片機中,將鍵盤接入P2口,極大地提高了工作效率。
  
  在該沒計中,采取主控制驅動支撐顯示單元,通過HD44780液晶顯示完成整個工作。這種模塊形式,具有結構緊湊、輕巧,便于裝配等優勢,同時擁有標準化接口,確保各種性能的充分發揮。除了可以顯示192個標準字符之外,還可完成8個自定義特殊字符的顯示。
  
  3、軟件設計
  
  3.1軟件設計的語言
  
  MSP430F149單片機可以采用C語言編程完成整個程序設汁工作,其程序設計提高了開發調試效率。由于采用C語言編程,其所產生的文檔資料容易理解,而且便于移動使用。C語言編程應用在MSP430系列中時,與標準C語言編程具有較高兼容性。且在軟件設計過程中,可選擇模塊化方法,確保程序結構一目了然,對今后系統的進一步擴展提供了非常重要的參考作用。
  
  3.2軟件設計的模塊
  
  在軟件模塊設計中,其主要程序為:主程序、通信模塊、顯示模塊、鍵盤處理模塊、Timer計數模塊、A/D轉換模塊等。當系統在工作狀態下,對程序實行初始化處理,當完成這一程序后,進入巡回模式。如果在此過程中發生了中斷事件,則可自動判斷中斷源位置,并連接相關的中斷服務。軟件流程圖如圖4所示。
  
  4、結語
  
  在該系統中,主要采用鉑電阻Pt100,具備較強的可靠性,且線性度較好,已經得到廣泛的應用,在測量環境的高精密度上發揮著重要的作用。
  
  以MSP430F149為核心的溫度檢測儀對溫度有著靈敏的反應,其中用來采集的控制器具有成本低、功耗低、抗*力很強的特點,可以滿足不同的需要,因此MSP430F149為核心的溫度檢測儀,可以在各種溫度檢測系統中應用。
  
  在現場條件極其惡劣的情況下,MSP430F149系統中采用壓頻間的轉換技術來實現A/D的轉換,避免了直接用MSP430中的A/D轉換引起測量誤差較大的缺點。此設計的創新點就是在工作程序中采用了查表法,這樣可以對測量值進行線性化的補償,測量精度得到了提高。

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