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[分享] MSP430F149为核心的温度检测仪的设计

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一粒金砂(高级)

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发表于 2020-5-9 23:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

      兰州大型的综合工程重离子加速器——冷却存储环(HIFRL-CSR)是国家科学重点工程之一,在其内部控制系统里存在着大量的测量温度的场合,这些场合依靠约束离子的行为发挥CSR主环中的磁场作用,在磁场中,这些带电粒子束有时处于聚焦状态,有时则处于传输状态,且磁场性能的好坏对束流品质有直接影响。
由于磁铁的温度与磁场性能及安全密切相关。磁铁的线圈中通过电流时,会产生很高的温度,因此,对其温度的测量是一项非常重要的工作。以MSP430F149为核心的温度检测仪基于此要求进行设计,并投入使用,是一款成本低并且性能良好的测温仪。

1 温度测量原理
1.1 温度测量的流程分析
在该设计中,测温范围应控制在20~70℃范围内,且测温精度约为±1℃;当温度高于70℃时,则发出自动报警提示。目前,大多数温度监测系统精度较低,程序响应的时间都比较慢,仅能监测到8路。而在此设计中拟用8个开关进行模拟,这样就可以实现监测到64路。这样,在该电路中,可以主要测量其电桥温度,利用A/D转换器实行转换,仅需采取VCO和单片机接口即可实现。
当温度信号发出时,选择Pt100传感器,其铂电阻的阻值会随着温度的变化而发生变化,并且会呈现一定的函数关系,Pt100传感器利用这一特点,实现测温功能。其中,温度与阻值之间的关系可表示为:

image.png
1.2 温度测量的参数分析
一般情况下,将温度测量控制在-200~+800℃,允许偏差为:A级±(0.15+0.002|t|),B级±(0.30+0.005|t|);其中,热电阻最小的置入深度不得低于2DO mm;响应时间控制在30 s范围内;允许通过的电流不大于5 mA。除此以外,温度传感器Pt100还具有稳定性能好、抗振动、测量准确性高、耐受高压的优点。
Pt100温度传感器测量系统的流程图如图1所示。

image.png
2 温度测量系统的硬件模块
在该设计中,主要采用由美国德州仪器公司生产的16位单片机——MSP430F149,它具有运行速度快、处理能力强、功耗低的优点,其工作时的电压为1.8~3.6 V。内部的CPU在运行过程中,会发出正交精简的指令集,通过寄存器可实现各种各样的运算,且具备一些中断源,可随意嵌套。如果系统处于省电状态,用于中断的请求和唤醒仅需要6μs。
此外,MSP430F149还有很多片上外围模块,以12位A/D转换器为例,具备内部参考源,可保持采样进行并实现自动扫描等功能;在16位定时器TimerA中,共有四种工作模式,可以在实现多个捕获功能时发挥外部比较的功能;其中48个I/O口具备独立编程的能力,两个串行接口可实现USART0和USART1之间的通信;另外,在FLASH存储器中,最高存储容量约为60KB,可完成近10万次擦写。
2.1 温度测量系统硬件模块的组成
此系统硬件模块由数据采集单元、通信接口单元和键盘显示单元三个部分组成。
2.2 温度测量系统硬件模块的工作原理
2.2.1 数据采集
在此没计中,桥式电路由Pt100传感器和电阻组成,能把Pt100由于温度变化而产生的阻值变化,转化为电压变化,并输入到运算放大器中,当信号被放大后,再进行A/D转换。由于现场应用的条件较恶劣,而测量过程中的精度要求较高,因此一部分已经放大的信号,可采取电压与频率之间的转换技术实现A/D转换,再将这种方法测量的数据输入到ROM表中,对MSP430F149中的A/D转换结果实行线性补偿。
在桥式电路甲,导线电阻的连接可能产生测量误差,为了避免这种情况,可采取三线连接法。此外桥式测温电路中的电压波动现象,可能造成测量结果的误差,因此应采取+10V基准电压实 image.png 现电桥电路的供电工作,以此加强对电桥电路中的电压波动限制。电桥电路如图2所示。

在压控振荡器LM331中,可实现电压与频率之间的转换。作为一种芯片,它具备如下特点:可自由转化模拟电压,将其置换为可实现远距离传输、可直接输入计算机、抗干扰能力极强的脉冲串。利用MSP430F149单片机中的Timer模块,可检测其输出频率大小,以完成A/D之间的转换功能。在压控振荡器LM331中,可使用其温度补偿功能,并具有极强的温度稳定性。另外,在该器件的脉冲输出过程中,可兼容多种逻辑形式,既可采取单电源供电,也可采取双电源供电,其中基电压控制在5~40 V范围内,最大非线性误差控制在0.01%内。
经相关实验证明,压控振荡器LM331的电压与频率关系式表示如下:
f0=KVi
式中:K=Rs/(2.09Rt·Ct·RL);Rs=Rs1+Rs2。
因为MSP430F149是16位的计数器,所以在此设计中就选用的具体参数为:Rs=33 kΩ,Rt=6.8 kΩ,Ct=2 200 pF,RL=100kΩ。由于Rs,Rt,Ct,RL对f0的转换产生直接影响,其计算结果也会有所区别。因此,在该组电路中,主要采用精密电阻计算,电容则选用漏电流偏小的云母电容。
LM331的电路原理图如图3所示。

image.png
2.2.2 通信接口
在MSP430F149中配有通用的通信串行接口,可允许7位、8位串行位流。串行位流主要以预设速率进行,且由外部时钟确定的速度做出移入或移出动作。MSP430F149传送单片机和上位机之间的数据,应通过RS 485接发器进行接收或发送;再通过嵌入式网关ATmega128接入以太网,实现用户的远程访问功能。其中,数据通信方式为全双工、4线形式,波特率约57 600b/s,通过MSP430F149单片机中的P口实现数据的接收与发送。

2.2.3 键盘显示
通过键盘接口,可完成行列扫描。在系统工作过程中,MCU会持续查询、检查按键是否按下,造成工作效率低下。因此,在设计中,应考虑采取I/O口形式,来完成键盘输入的中断。MSP430F149单片机中P1口和P2口都可以用来处理外部事件中断问题,与高效率、精确化工作要求正好相符。在MSP430F149单片机中,将键盘接入P2口,极大地提高了工作效率。
在该没计中,采取主控制驱动支撑显示单元,通过HD44780液晶显示完成整个工作。这种模块形式,具有结构紧凑、轻巧,便于装配等优势,同时拥有标准化接口,确保各种性能的充分发挥。除了可以显示192个标准字符之外,还可完成8个自定义特殊字符的显示。

3 软件设计
3.1 软件设计的语言
MSP430F149单片机可以采用C语言编程完成整个程序设汁工作,其程序设计提高了开发调试效率。由于采用C语言编程,其所产生的文档资料容易理解,而且便于移动使用。C语言编程应用在MSP430系列中时,与标准C语言编程具有较高兼容性。且在软件设计过程中,可选择模块化方法,确保程序结构一目了然,对今后系统的进一步扩展提供了非常重要的参考作用。
3.2 软件设计的模块
在软件模块设计中,其主要程序为:主程序、通信模块、显示模块、键盘处理模块、Timer计数模块、A/D转换模块等。当系统在工作状态下,对程序实行初始化处理,当完成这一程序后,进入巡回模式。如果在此过程中发生了中断事件,则可自动判断中断源位置,并连接相关的中断服务。软件流程图如图4所示。


image.png

4 结语
在该系统中,主要采用铂电阻Pt100,具备较强的可靠性,且线性度较好,已经得到广泛的应用,在测量环境的高精密度上发挥着重要的作用。
以MSP430F149为核心的温度检测仪对温度有着灵敏的反应,其中用来采集的控制器具有成本低、功耗低、抗干扰能力很强的特点,可以满足不同的需要,因此MSP430F149为核心的温度检测仪,可以在各种温度检测系统中应用。
在现场条件极其恶劣的情况下,MSP430F149系统中采用压频间的转换技术来实现A/D的转换,避免了直接用MSP430中的A/D转换引起测量误差较大的缺点。此设计的创新点就是在工作程序中采用了查表法,这样可以对测量值进行线性化的补偿,测量精度得到了提高。


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纯净的硅(中级)

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发表于 2020-5-22 11:04 | 显示全部楼层

不错的分享。要是有些程序的例程就更好啦、


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