以MSP430F149為核心的溫度檢測儀的設計

　　摘要：蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲環(huán)（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(fā)揮CSR主環(huán)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(huán)（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(fā)揮CSR主環(huán)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(tài)，有時則處于傳輸狀態(tài)，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(fā)出自動報警提示。目前，大多數溫度監(jiān)測系統精度較低，程序響應的時間都比較慢，僅能監(jiān)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(jiān)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(fā)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(fā)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(wěn)定性能好、抗振動、測量準確性高、耐受高壓的優(yōu)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(yōu)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(fā)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(tài)，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(fā)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(wěn)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(qū)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(fā)器進行接收或發(fā)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(fā)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(xù)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(yōu)勢，同時擁有標準化接口，確保各種性能的充分發(fā)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(fā)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(tài)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(fā)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(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(chuàng)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。