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以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

   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(chǔ)環(huán)(HIFRL-CSR)是國(guó)家科學(xué)重點(diǎn)工程之一,在其內(nèi)部控制系統(tǒng)里存在著大量的測(cè)量溫度的場(chǎng)合,這些場(chǎng)合依靠約束離子的行為發(fā)揮CSR主環(huán)中的磁場(chǎng)作用,由于磁鐵的溫度與磁場(chǎng)性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線圈中通過(guò)電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生很高的溫度,因此,對(duì)其溫度的測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀基于此要求進(jìn)行設(shè)計(jì),并投入使用,是一款成本低并且性能良好的測(cè)溫儀
  
  引言
  
  蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲(chǔ)環(huán)(HIFRL-CSR)是國(guó)家科學(xué)重點(diǎn)工程之一,在其內(nèi)部控制系統(tǒng)里存在著大量的測(cè)量溫度的場(chǎng)合,這些場(chǎng)合依靠約束離子的行為發(fā)揮CSR主環(huán)中的磁場(chǎng)作用,在磁場(chǎng)中,這些帶電粒子束有時(shí)處于聚焦?fàn)顟B(tài),有時(shí)則處于傳輸狀態(tài),且磁場(chǎng)性能的好壞對(duì)束流品質(zhì)有直接影響。
  
  由于磁鐵的溫度與磁場(chǎng)性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線圈中通過(guò)電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生很高的溫度,因此,對(duì)其溫度的測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀基于此要求進(jìn)行設(shè)計(jì),并投入使用,是一款成本低并且性能良好的測(cè)溫儀。
  
  1、溫度測(cè)量原理
  
  1.1溫度測(cè)量的流程分析
  
  在該設(shè)計(jì)中,測(cè)溫范圍應(yīng)控制在20~70℃范圍內(nèi),且測(cè)溫精度約為±1℃;當(dāng)溫度高于70℃時(shí),則發(fā)出自動(dòng)報(bào)警提示。目前,大多數(shù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度較低,程序響應(yīng)的時(shí)間都比較慢,僅能監(jiān)測(cè)到8路。而在此設(shè)計(jì)中擬用8個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行模擬,這樣就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)到64路。這樣,在該電路中,可以主要測(cè)量其電橋溫度,利用A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)行轉(zhuǎn)換,僅需采取VCO和單片機(jī)接口即可實(shí)現(xiàn)。
  
  當(dāng)溫度信號(hào)發(fā)出時(shí),選擇Pt100傳感器,其鉑電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化,并且會(huì)呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系,Pt100傳感器利用這一特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。其中,溫度與阻值之間的關(guān)系可表示為:
  
  1.2溫度測(cè)量的參數(shù)分析
  
  一般情況下,將溫度測(cè)量控制在-200~+800℃,允許偏差為:*±(0.15+0.002|t|),B級(jí)±(0.30+0.005|t|);其中,熱電阻zui小的置入深度不得低于2DOmm;響應(yīng)時(shí)間控制在30s范圍內(nèi);允許通過(guò)的電流不大于5mA。除此以外,溫度傳感器Pt100還具有穩(wěn)定性能好、抗振動(dòng)、測(cè)量準(zhǔn)確性高、耐受高壓的優(yōu)點(diǎn)。
  
  Pt100溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。
  
  2、溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件模塊
  
  在該設(shè)計(jì)中,主要采用由美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)——MSP430F149,它具有運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、功耗低的優(yōu)點(diǎn),其工作時(shí)的電壓為1.8~3.6V。內(nèi)部的CPU在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)發(fā)出正交精簡(jiǎn)的指令集,通過(guò)寄存器可實(shí)現(xiàn)各種各樣的運(yùn)算,且具備一些中斷源,可隨意嵌套。如果系統(tǒng)處于省電狀態(tài),用于中斷的請(qǐng)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(zhuǎn)換器為例,具備內(nèi)部參考源,可保持采樣進(jìn)行并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描等功能;在16位定時(shí)器TimerA中,共有四種工作模式,可以在實(shí)現(xiàn)多個(gè)捕獲功能時(shí)發(fā)揮外部比較的功能;其中48個(gè)I/O口具備獨(dú)立編程的能力,兩個(gè)串行接口可實(shí)現(xiàn)USART0和USART1之間的通信;另外,在FLASH存儲(chǔ)器中,zui高存儲(chǔ)容量約為60KB,可完成近10萬(wàn)次擦寫。
  
  2.1溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件模塊的組成
  
  此系統(tǒng)硬件模塊由數(shù)據(jù)采集單元、通信接口單元和鍵盤顯示單元三個(gè)部分組成。
  
  2.2溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件模塊的工作原理
  
  2.2.1數(shù)據(jù)采集
  
  在此沒(méi)計(jì)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(chǎn)生的阻值變化,轉(zhuǎn)化為電壓變化,并輸入到運(yùn)算放大器中,當(dāng)信號(hào)被放大后,再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件較惡劣,而測(cè)量過(guò)程中的精度要求較高,因此一部分已經(jīng)放大的信號(hào),可采取電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,再將這種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入到ROM表中,對(duì)MSP430F149中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)行線性補(bǔ)償。
  
  在橋式電路甲,導(dǎo)線電阻的連接可能產(chǎn)生測(cè)量誤差,為了避免這種情況,可采取三線連接法。此外橋式測(cè)溫電路中的電壓波動(dòng)現(xiàn)象,可能造成測(cè)量結(jié)果的誤差,因此應(yīng)采取+10V基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)電橋電路的供電工作,以此加強(qiáng)對(duì)電橋電路中的電壓波動(dòng)限制。電橋電路如圖2所示。
  
  在壓控振蕩器LM331中,可實(shí)現(xiàn)電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換。作為一種芯片,它具備如下特點(diǎn):可自由轉(zhuǎn)化模擬電壓,將其置換為可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、可直接輸入計(jì)算機(jī)、抗*力*的脈沖串。利用MSP430F149單片機(jī)中的Timer模塊,可檢測(cè)其輸出頻率大小,以完成A/D之間的轉(zhuǎn)換功能。在壓控振蕩器LM331中,可使用其溫度補(bǔ)償功能,并具有*的溫度穩(wěn)定性。另外,在該器件的脈沖輸出過(guò)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(nèi),zui大非線性誤差控制在0.01%內(nèi)。
  
  經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明,壓控振蕩器LM331的電壓與頻率關(guān)系式表示如下:
  
  f0=KVi
  
  式中:K=Rs/(2.09Rt·Ct·RL);Rs=Rs1+Rs2。
  
  因?yàn)镸SP430F149是16位的計(jì)數(shù)器,所以在此設(shè)計(jì)中就選用的具體參數(shù)為:Rs=33kΩ,Rt=6.8kΩ,Ct=2200pF,RL=100kΩ。由于Rs,Rt,Ct,RL對(duì)f0的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直接影響,其計(jì)算結(jié)果也會(huì)有所區(qū)別。因此,在該組電路中,主要采用精密電阻計(jì)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(yù)設(shè)速率進(jìn)行,且由外部時(shí)鐘確定的速度做出移入或移出動(dòng)作。MSP430F149傳送單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù),應(yīng)通過(guò)RS485接發(fā)器進(jìn)行接收或發(fā)送;再通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)ATmega128接入以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能。其中,數(shù)據(jù)通信方式為全雙工、4線形式,波特率約57600b/s,通過(guò)MSP430F149單片機(jī)中的P口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。
  
  2.2.3鍵盤顯示
  
  通過(guò)鍵盤接口,可完成行列掃描。在系統(tǒng)工作過(guò)程中,MCU會(huì)持續(xù)查詢、檢查按鍵是否按下,造成工作效率低下。因此,在設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮采取I/O口形式,來(lái)完成鍵盤輸入的中斷。MSP430F149單片機(jī)中P1口和P2口都可以用來(lái)處理外部事件中斷問(wèn)題,與率、化工作要求正好相符。在MSP430F149單片機(jī)中,將鍵盤接入P2口,極大地提高了工作效率。
  
  在該沒(méi)計(jì)中,采取主控制驅(qū)動(dòng)支撐顯示單元,通過(guò)HD44780液晶顯示完成整個(gè)工作。這種模塊形式,具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧,便于裝配等優(yōu)勢(shì),同時(shí)擁有標(biāo)準(zhǔn)化接口,確保各種性能的充分發(fā)揮。除了可以顯示192個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字符之外,還可完成8個(gè)自定義特殊字符的顯示。
  
  3、軟件設(shè)計(jì)
  
  3.1軟件設(shè)計(jì)的語(yǔ)言
  
  MSP430F149單片機(jī)可以采用C語(yǔ)言編程完成整個(gè)程序設(shè)汁工作,其程序設(shè)計(jì)提高了開(kāi)發(fā)調(diào)試效率。由于采用C語(yǔ)言編程,其所產(chǎn)生的文檔資料容易理解,而且便于移動(dòng)使用。C語(yǔ)言編程應(yīng)用在MSP430系列中時(shí),與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編程具有較高兼容性。且在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中,可選擇模塊化方法,確保程序結(jié)構(gòu)一目了然,對(duì)今后系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了非常重要的參考作用。
  
  3.2軟件設(shè)計(jì)的模塊
  
  在軟件模塊設(shè)計(jì)中,其主要程序?yàn)椋褐鞒绦颉⑼ㄐ拍K、顯示模塊、鍵盤處理模塊、Timer計(jì)數(shù)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等。當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下,對(duì)程序?qū)嵭谐跏蓟幚恚?dāng)完成這一程序后,進(jìn)入巡回模式。如果在此過(guò)程中發(fā)生了中斷事件,則可自動(dòng)判斷中斷源位置,并連接相關(guān)的中斷服務(wù)。軟件流程圖如圖4所示。
  
  4、結(jié)語(yǔ)
  
  在該系統(tǒng)中,主要采用鉑電阻Pt100,具備較強(qiáng)的可靠性,且線性度較好,已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,在測(cè)量環(huán)境的高精密度上發(fā)揮著重要的作用。
  
  以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀對(duì)溫度有著靈敏的反應(yīng),其中用來(lái)采集的控制器具有成本低、功耗低、抗*力很強(qiáng)的特點(diǎn),可以滿足不同的需要,因此MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀,可以在各種溫度檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用。
  
  在現(xiàn)場(chǎng)條件極其惡劣的情況下,MSP430F149系統(tǒng)中采用壓頻間的轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換,避免了直接用MSP430中的A/D轉(zhuǎn)換引起測(cè)量誤差較大的缺點(diǎn)。此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)就是在工作程序中采用了查表法,這樣可以對(duì)測(cè)量值進(jìn)行線性化的補(bǔ)償,測(cè)量精度得到了提高。

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