以MSP430F149为核心的温度检测仪的设计 控制系统, 加速器, 检测仪, 兰州, 国家

Bazinga

0 引言
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：


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。


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。

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。


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。