摘 要：溫度檢測儀主要是對溫度進(jìn)行檢測，對溫度的靈敏作出及時(shí)的反應(yīng)。以 MSP430F149 為核心的溫度檢測儀成本較低，功耗低，有很高的可靠性，對周圍環(huán)境抗干擾的能力也較強(qiáng)，對溫度的變化反應(yīng)靈敏，這就得益于其內(nèi)部的硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)，能夠應(yīng)用于不同的環(huán)境，據(jù)不同的需要應(yīng)用在多類的溫度檢測系統(tǒng)中。這里從其硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)對其特點(diǎn)進(jìn)行分析、論證。



關(guān)鍵詞：MSP430F149; 檢測系統(tǒng); 硬件; 軟件; 低功耗

中圖分類號：TN710-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0199-03

Hardware module and software design of temperature measuring 

instrument based on MSP430F149



L Rui-dong， ZHANG Zhi-wen

(School of Electronic and Information Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China)



Abstract：

The temperature measuring instrument is mainly to detect temperature and respond to temperature change. The temperature measuring instrument based on MSP430F149 with low cost， low power consumption and high reliability， which has strong anti-interference ability for the surrounding environment， and is temperature sensitive. The hardware module and software design of the temperature measuring instrument can be applied to different environment. The features are analyzed and discussed from the hardware module and software design.



Keywords： MSP430F149; detection system; hardware; software; low power consumption





收稿日期：2011-08-10

0 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(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(shí)處于聚焦?fàn)顟B(tài)，有時(shí)則處于傳輸狀態(tài)，且磁場性能的好壞對束流品質(zhì)有直接影響。

由于磁鐵的溫度與磁場性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線圈中通過電流時(shí)，會產(chǎn)生很高的溫度，因此，對其溫度的測量是一項(xiàng)非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測儀基于此要求進(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溫儀。

1 溫度測量原理

1.1 溫度測量的流程分析

在該設(shè)計(jì)中，測溫范圍應(yīng)控制在20~70 ℃范圍內(nèi)，且測溫精度約為±1 ℃；當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，則發(fā)出自動報(bào)警提示。目前，大多數(shù)溫度監(jiān)測系統(tǒng)精度較低，程序響應(yīng)的時(shí)間都比較慢，僅能監(jiān)測到8路。而在此設(shè)計(jì)中擬用8個(gè)開關(guān)進(jìn)行模擬，這樣就可以實(shí)現(xiàn)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(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)溫度信號發(fā)出時(shí)，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(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)測溫功能。其中，溫度與阻值之間的關(guān)系可表示為：

—200 ℃

RPt100=100［1+At+Bt2+Ct3(t- 100)

(1)

0 ℃≤t≤850 ℃時(shí)：

RPt100=100(1+At+Bt2)

(2)

式中：A=3.908 02×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.273 5×10-12。

1.2 溫度測量的參數(shù)分析

一般情況下，將溫度測量控制在-200~+800 ℃，允許偏差為：A級±(0.15+0.002|t|)，B級±(0.30+0.005|t|)；其中，熱電阻最小的置入深度不得低于200 mm；響應(yīng)時(shí)間控制在30 s范圍內(nèi)；允許通過的電流不大于5 mA。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(zhǔn)確性高、耐受高壓的優(yōu)點(diǎn)。

Pt100溫度傳感器測量系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。



圖1 測量系統(tǒng)流程圖

2 溫度測量系統(tǒng)的硬件模塊

在該設(shè)計(jì)中，主要采用由美國德州儀器公司生產(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1.8~3.6 V。內(nèi)部的CPU在運(yùn)行過程中，會發(fā)出正交精簡的指令集，通過寄存器可實(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)，用于中斷的請求和喚醒僅需要6 μs。

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存儲器中，最高存儲容量約為60 KB，可完成近10萬次擦寫。

2.1 溫度測量系統(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 溫度測量系統(tǒng)硬件模塊的工作原理

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

在此設(shè)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)信號被放大后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場應(yīng)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(jīng)放大的信號，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，再將這種方法測量的數(shù)據(jù)輸入到ROM表中，對MSP430F149中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)行線性補(bǔ)償。

在橋式電路中，導(dǎo)線電阻的連接可能產(chǎn)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(xiàn)象，可能造成測量結(jié)果的誤差，因此應(yīng)采取＋10 V基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)電橋電路的供電工作，以此加強(qiáng)對電橋電路中的電壓波動限制 。電橋電路如圖2所示。



圖2 電橋電路示意圖

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)、抗干擾能力極強(qiáng)的脈沖串。利用MSP430F149單片機(jī)中的Timer模塊，可檢測其輸出頻率大小，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，并具有極強(qiáng)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5~40 V范圍內(nèi)，最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#8226;Ct#8226;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=33 kΩ，Rt=6.8 kΩ，Ct=2 200 pF，RL=100 kΩ。由于Rs，Rt，Ct，RL對f0的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直接影響，其計(jì)算結(jié)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(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。

圖3 LM331的電路原理圖

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作。MSP430F149傳送單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)，應(yīng)通過RS 485接發(fā)器進(jìn)行接收或發(fā)送；再通過嵌入式網(wǎng)關(guān)ATmega128接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問功能。其中，數(shù)據(jù)通信方式為全雙工、4線形式，波特率約57 600 b/s，通過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

通過鍵盤接口，可完成行列掃描。在系統(tǒng)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(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮采取I/O口形式，來完成鍵盤輸入的中斷。MSP430F149單片機(jī)中P1口和P2口都可以用來處理外部事件中斷問題，與高效率、精確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。

在該設(shè)計(jì)中，采取主控制驅(qū)動支撐顯示單元，通過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，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)的語言

MSP430F149單片機(jī)可以采用C語言編程完成整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作，其程序設(shè)計(jì)提高了開發(fā)調(diào)試效率。由于采用C語言編程，其所產(chǎn)生的文檔資料容易理解，而且便于移動使用。C語言編程應(yīng)用在MSP430系列中時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)C語言編程具有較高兼容性。且在軟件設(shè)計(jì)過程中，可選擇模塊化方法，確保程序結(jié)構(gòu)一目了然，對今后系統(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?、通信模塊、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(guān)的中斷服務(wù)。軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié) 語

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(yīng)，其中用來采集的控制器具有成本低、功耗

低、抗干擾能力很強(qiáng)的特點(diǎn)，可以滿足不同的需要，因此MSP430F149為核心的溫度檢測儀，可以在各種溫度檢測系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖4 軟件流程圖

在現(xiàn)場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，這樣可以對測量值進(jìn)行線性化的補(bǔ)償，測量精度得到了提高。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.



［2］徐璜，朱德明，肖嵐.基于MSP430F149單片機(jī)的逆變器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用，2008，10(10):25-27.



［3］張毅.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.



［4］王曉明.無線二氧化硫傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(9):32-35.



［5］王景景.基于單片機(jī)的無線家電控制系統(tǒng)[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，26(2)：175-178.



［6］張曉林.嵌入式系統(tǒng)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2008.



［7］高澤溪.無線電技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.



［8］CARDEI M，WU J， LU M. Improving network lifetime using sensors with adjustable sensing ranges [J]. International Journal of Sensor Networks， 2006，1(1/2): 41-49.



［9］BANDYOPADHYAY S， COYLE E J. An energy efficient hierarchical clustering algorithm for wireless sensor networks [M]. Piscataway， USA: IEEE， 2003.



［10］NIEULESCU D AMERIC N L. Communication paradigms for sensor networks [J]. IEEE Communication Magazine， 2005， 43(3): 116-122.



作者簡介：

呂芮棟 男，1984年出生，陜西西安人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。 

張志文 男，1957年出生，教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)、智能化儀器。