張 帥,徐 偉,王克家,曹巍巍

(哈爾濱工程大學(xué),信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展,在檢測領(lǐng)域中經(jīng)常要對溫度進(jìn)行實時監(jiān)測,如何找到一種高精度,穩(wěn)定性好的檢測溫度值的方法是當(dāng)前的研究熱點,傳統(tǒng)的檢測方法如采用熱敏電阻或者熱電偶的方法進(jìn)行測量時,設(shè)計者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多,相應(yīng)測溫裝置中元器件數(shù)量難以下降,隨之影響產(chǎn)品的可靠性以及體積的微小化,由此會造成整個檢測系統(tǒng)有較大的偏差,穩(wěn)定性和抗干擾性能都較差.針對傳統(tǒng)方法測量溫度數(shù)值的缺陷,使用 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器采集溫度值,主控芯片采用 TI公司 MSP430F149單片機,DS18B20數(shù)字式溫度傳感器直接得到溫度的數(shù)字量,在其內(nèi)部完成了模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換,處理后的數(shù)字信號直接與單片機的數(shù)字 IO連接,不存在由于傳輸?shù)纫蛩囟斐傻恼`差與損失,其穩(wěn)定性和抗干擾性能與傳統(tǒng)的測量方法相比有較大的提高,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,MSP430F149的多組數(shù)字 IO使系統(tǒng)的擴展性得到顯著的增強[1].上位機顯示部分,采用 NI的作為顯示界面開發(fā)平臺,LabVIEW是一個劃時代的圖形化編程系統(tǒng),應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析,提供了一個便捷、輕松的圖形化設(shè)計環(huán)境,由于其靈活、簡單易用、開發(fā)效率高等特點,正逐漸成為科技工作者進(jìn)行儀器應(yīng)用與開發(fā)的得力工具,通過MSP430F149串口與虛擬儀器進(jìn)行通訊可以大大降低產(chǎn)品的成本,提高虛擬儀器的利用率,本文通過計算機串口與上位機進(jìn)行串行通信,實現(xiàn)溫度的實時測量與控制.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1為系統(tǒng)硬件組成框圖,由 DS18B20數(shù)字溫度傳感器,混合信號處理器 MSP430F149,RS-232以及上位機組成.利用溫度傳感器測量出的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,單片機對溫度信號進(jìn)行采集,處理和轉(zhuǎn)換,通過 RS-232串口將處理后的數(shù)據(jù)送給計算機,上位機 LabVIEW對傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及溫度的顯示.

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

1.1 溫度傳感器 DS18B20

DS18B20是美國 DALLAS公司推出的一款可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器.采用 1-Wire總線接口,測溫范圍為 -55～+125℃,精度可達(dá) 0.067 5℃,最大轉(zhuǎn)換時間為 200 ms.DS18B20數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,其主要由 4部分組成:

圖2 DS18B 20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1)64位 ROM.64位激光 ROM,開始 8位是產(chǎn)品類型編碼,接著的 48位是每個器件惟一的序號,最后 8位是前面 56位的 CRC(循環(huán)冗余校驗)碼.

2)溫度靈敏元件.

3)非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH與 TL.可通過軟件寫入用戶報警的上下限值.

4)配置寄存器.配置寄存器為中間結(jié)果暫存器中的字節(jié).配置寄存器可以設(shè)置 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度.可以設(shè)置成精度為 9位、10位、11位、12位.上電缺省的分辨率為 12位精度.用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率,因此它的實用性和可靠性比同類產(chǎn)品更高.

1.2 混合信號處理器 MSP430F149

MSP430F14X微控制器是德州儀器公司新開發(fā)的一類具有 16位總線的單片機,它基于真正的正交 16位 RISCCPU內(nèi)核,具有 16個可單周期全尋址的 16位寄存器,僅 27條的精簡指令以及 7種均采用雙重取數(shù)據(jù)技術(shù)(DDFT)的一致性尋址方式.DDFT技術(shù)利用每個時鐘脈沖對存儲器進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)存取操作,從而不再需要復(fù)雜的時鐘乘法和指令流水線方案.MSP430F14X系列 MCU具有豐富的片上外圍模塊,片內(nèi)包括精密硬件乘法器、多達(dá) 60KB的 FLASH,2KB的 RAM、1個看門狗、6個IO口(P1和 P2還具有中斷功能)、12位 A/D轉(zhuǎn)換器、2個 16位定時器、高精度比較器、高速的 USART通信端口,1個 DCO內(nèi)部振蕩器和 2個外部時鐘等常用資源,可實現(xiàn)對液晶顯示器的檢測、解調(diào)和顯示.與現(xiàn)代程序設(shè)計技術(shù)以及高級語言(如C語言)結(jié)合使用,使得 MSP430的體系結(jié)構(gòu)更加高效,使其在工程技術(shù)得以廣泛應(yīng)用[2].

1.3 溫度檢測電路

圖3為溫度檢測電路的原理圖,其中MSP430F149和 DS18B20同時由 Vcc供電,XT2IN和 XT2OUT采用 8MHz的晶振提供系統(tǒng)時鐘源,單片機 P2.4端口采集 DS18B20處理后的數(shù)字信號,并通過 P3.4端口利用串口傳輸?shù)缴衔粰C PC,利用虛擬儀器 LabVIEW8.5進(jìn)行溫度的實時顯示.

圖3 溫度檢測電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 上位機軟件設(shè)計

上位機的軟件設(shè)計主要完成數(shù)據(jù)的采集和對應(yīng)數(shù)據(jù)的溫度值的轉(zhuǎn)換,以及對數(shù)據(jù)的分析,保存和溫度數(shù)值的實時顯示,上位機 LabVIEW測控系統(tǒng)軟件采用模塊化的思想來編寫,程序面板檢測界面就是由 LabVIEW的各功能模塊組成,該系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示共四部分組成,圖4為程序面板的數(shù)據(jù)采集框圖.首先利用 VISA配置串口模塊配置串口屬性,分別設(shè)定串口名為 1,波特率為 9 600,傳輸 8位數(shù)據(jù),并且設(shè)定相應(yīng)的奇偶校驗位和停止位,利用 VISA寫入模塊接收到相應(yīng)設(shè)置好的來自單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù),并通過字符串與數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊將接收到的字符串轉(zhuǎn)換為相對性的數(shù)值,最后由 VISA讀取模塊將轉(zhuǎn)換好的數(shù)值進(jìn)行讀取和數(shù)值顯示[3].

圖4 LabV IEW數(shù)據(jù)采集框圖

2.2 下位機軟件設(shè)計

上位機接收來自下位機所采集到的數(shù)字量,由于溫度傳感器 DS18B20檢測到的數(shù)據(jù),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后其溫度與數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系為 16位的數(shù)字量,所以在傳輸過程中,將數(shù)據(jù)保存在 4個包含 4位大小空間的字符型數(shù)組中,并將每個數(shù)組由 MSP430F149向計算機的串口發(fā)送數(shù)據(jù),將所檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 LabVIEW的串口配置接收端,接收到的 4個字符型數(shù)組在逐一經(jīng)過 LabVIEW字符型至數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊,最終將溫度顯示在上位機的程序面板中,下位機軟件的程序流程圖如圖5所示[4-5].

圖5 M SP430F149程序流程圖

3 測量溫度實驗與結(jié)果分析

圖6 MSP430與LabVIEW溫度控制實驗

圖6顯示了上位機 LabVIEW前面板所接收到的溫度數(shù)值的實時顯示.本實驗由 MSP430單片機P2.4端口接收溫度傳感器 DS18B20采集到的數(shù)據(jù),接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機 Lab-VIEW,實現(xiàn)溫度值的實時顯示和存儲,檢測精度為0.0625℃,隨著被測溫度的變化,可以在前面板的波形中對溫度值進(jìn)行讀取和存儲[6-8].由于混合信號處理器 MSP430F149具有超低功耗的特性,使得它特別適合野外檢測和手持型設(shè)備的開發(fā)和研制,利用其低功耗的特點,MSP430F149在實地檢測和控制系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的節(jié)能優(yōu)勢,上位機采用虛擬儀器 LabVIEW,由于其強大的圖形化處理功能和模塊化設(shè)計思想,在加上友好的前面板顯示窗口,通過串口與單片機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理,可以實時的顯示所檢測環(huán)境的溫度值變化,檢測精度達(dá),在此基礎(chǔ)上可以在

MSP430F149的其余端口上外設(shè)多個 DS18B20,實現(xiàn)多點的溫度檢測,超低功耗單片機與虛擬儀器的配合使用,實現(xiàn)了在內(nèi)部供電的條件下長時間檢測周圍環(huán)境溫度變化的系統(tǒng)的建立,與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)相比較,測量精度高,顯示界面直觀,系統(tǒng)功耗低,系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定.

[1] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗 16位單片機[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2001:48-53.

[2] 胡大可.MSP430系列單片機 C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2003:95-98.

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[5] 周鴻仁,劉秀蓉,杜曉松,等.溫度傳感器與快速測溫[J].世界電子元器件,1999(7):58-59.

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