陳體軍 施樂平,2

(1.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 西安 710054)(2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 西安 710065)

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基于MSP430的單片機(jī)多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳體軍1施樂平1,2

(1.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 西安 710054)(2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 西安 710065)

介紹了一種以MSP430單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)。解決了以往系統(tǒng)功耗大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,靈活性差的弊端。系統(tǒng)采用低功耗高集成度器件MSP430F149作為主控MCU,PT100鉑電阻作溫度傳感器,利用程控放大器MCP6S28和自帶12位A/D作信號(hào)采集,使得系統(tǒng)功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,性能穩(wěn)定,并通過RS232串口可與上位機(jī)進(jìn)行通訊。此外該系統(tǒng)通過更換不同的傳感器部分軟件即可組成其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),靈活性好。

MSP430單片機(jī); 多路溫度采集; PT100; RS232串口通訊

Class Number TP274

1 引言

溫度的采集在科研和生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用。雖然許多溫度采集是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的,但還有些溫度采集的環(huán)境比較復(fù)雜,如野外或現(xiàn)場(chǎng),或有防爆要求等,沒有220V供電條件。目前市面上采用電池供電的溫度采集器大多比較簡(jiǎn)單,如,一般多為單通道溫度采集,不帶通信接口,不便于數(shù)據(jù)保存等。其主要原因是這些溫度采集系統(tǒng)普遍功耗較大[9]。本文設(shè)計(jì)的多路溫度采集系統(tǒng)采用穩(wěn)定性好的鉑電阻PT100作為溫度傳感器,MCU采用TI公司生產(chǎn)的超低功耗MSP430F149單片機(jī),配以多路切換電路,實(shí)現(xiàn)了采用電池供電的多路智能溫度采集。測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話,可以實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù),便于參數(shù)校準(zhǔn)。通過測(cè)量系統(tǒng)上的RS-232接口還能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)保存,操作方便[1,5]。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。0.1mA的恒流源流過PT100,將溫度引起鉑電阻阻值變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量輸出,PT100溫度傳感器輸出的信號(hào)通過調(diào)理電路(信號(hào)放大,濾波)之后將采樣的信號(hào)送到MSP430F149的自帶AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,MSP430F149進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在顯示屏上顯示,將數(shù)據(jù)保存在FLASH存儲(chǔ)芯片中。系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊是通過RS232串口實(shí)現(xiàn),由于接口電平不同,因此中間需要接口電路來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖

2.1 CPU模塊

TI公司生產(chǎn)的MSP430F149是16位單片機(jī),其電源電壓采用1.8～3.6V低電壓,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1uA,活動(dòng)模式耗電250pA/MIPS。采用馮諾依曼體系,RISC指令結(jié)構(gòu),片內(nèi)集成60KB的FLASH程序存儲(chǔ)器,2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,多個(gè)16位定時(shí)/捕獲/比較器,2個(gè)串口,12位高精度ADC,64引腳QFP封裝,48個(gè)I/O口,其中P1口和P2口具有中斷功能,使用JTAG技術(shù),開發(fā)方式方便高效,可以實(shí)現(xiàn)在線編程[2]。具有指令執(zhí)行速度快,外部電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,低功耗等特點(diǎn)。

2.2 信號(hào)采集模塊

此次設(shè)計(jì)采用鉑電阻溫度傳感器PT100進(jìn)行溫度采集,PT100具有精度高,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量領(lǐng)域。鉑電阻電阻值與溫度的關(guān)系關(guān)系為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(1)

其中:Rt為t℃時(shí)PT100的阻值,R0為0℃時(shí)PT100的阻值,A、B均為定值常數(shù)[3]。0.1mA的恒流源輸出的電流流過鉑電阻,將溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。根據(jù)公式可由電壓變化的范圍反推出阻值以及溫度變化的范圍。恒流源的設(shè)計(jì)采用微功耗運(yùn)放MC34181,其功耗電流為0.2mA;2.5V基準(zhǔn)電壓采用MC1403芯片提供,恒流源輸出為I=2.5V/25kΩ=0.1mA,如圖2所示。

圖2 恒流源電路

圖2為一路PT100溫度采集差分信號(hào)輸出OUT1/OUT0。本文設(shè)計(jì)8路溫度采集,通過控制多路開關(guān)來分別對(duì)8路鉑電阻恒流供電,多路開關(guān)采用TI公司生產(chǎn)的CD4051,其為單刀八擲開關(guān),通過控制地址線ABC來選擇導(dǎo)通A0～A7八個(gè)通道,進(jìn)而選擇導(dǎo)通不同序號(hào)的鉑電阻,將包含溫度信息的壓降信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊。在通過恒定電流的鉑電阻兩端引出兩條測(cè)試線來完成信號(hào)的輸出,即四線制接法,有效地消除了線電阻誤差。多路開關(guān)應(yīng)用示意圖如圖3所示。

圖3 多路開關(guān)連接原理圖

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

由于傳感器送出的信號(hào)比較微弱,且容易受到外界信號(hào)的干擾,所以要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路來進(jìn)行低通濾波和放大后送到MSP430F149的P6口,其為內(nèi)部ADC12的8個(gè)外部通道口,本文放大電路采用二級(jí)放大電路,第一級(jí)采用程控放大器MCP6S28,MCP6S28為8通道增益可編程放大器,通過編程可實(shí)現(xiàn)通道選擇和放大倍數(shù)為1、2、4、5、8、10、16以及32的選擇,采用MCP6S28簡(jiǎn)化了放大電路,縮小了PCB板的面積,而且放大倍數(shù)更為靈活、可靠。二級(jí)放大采用LMX321實(shí)現(xiàn)[10]。

圖4 二階壓控低通濾波電路

低通濾波采用二階壓控有源濾波器,如圖4所示,傳遞函數(shù)為

(2)

由于MSP430F149單片機(jī)的ADC12單端輸入方式為0～VDD(VDD允許電壓為2.5V～3.3V),放大后的信號(hào)還不能直接作為ADC12的輸入信號(hào),必須把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào),本文采用簡(jiǎn)單的電阻分壓的方式,即將信號(hào)的負(fù)端與單片的GND相連作為參考地,ADC12的參考電壓設(shè)置為2.5V,經(jīng)兩電阻R4、R5分壓后輸入P6口,滿足系統(tǒng)的要求。

2.4 顯示存儲(chǔ)模塊

本文采用儀表常用的12864液晶模塊作為顯示器,用來顯示采集的通道、數(shù)據(jù)的狀態(tài)以及通過鍵盤的對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置等。12864為漢字圖形點(diǎn)陣液晶,可顯示漢字圖形,內(nèi)置8192個(gè)中文漢字(16*16點(diǎn)陣),128個(gè)字符(8*16點(diǎn)陣)及64*256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)與MSP430F149的P3.0～P3.2口和P4口連接,編程方便。

AT45DB161D是ATMEL公司生產(chǎn)的串行可編程FLASH存儲(chǔ)器,單獨(dú)2.5V～3.6V工作電壓,是各種數(shù)字語(yǔ)音,圖像,程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的理想選擇。AT45DB161D支持Rapid S串行接口,適用于高速場(chǎng)合。Rapid S串行接口是與SPI相兼容的,速度可達(dá)到66MHz。與并行FLASH儲(chǔ)存器不同,它采用Rapid S串行接口,從而大大減少了可用引腳數(shù)量,同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠性,降低了開關(guān)噪聲,縮小了封裝體積[4]。廣泛用于商業(yè)、工業(yè)等需要高密度、低引腳數(shù)、低電壓與低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.5 通信接口電路

由于下位機(jī)的信號(hào)與RS-232接口電平不一致,所以需要電平轉(zhuǎn)換電路,本系統(tǒng)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路。MAX232芯片是MAXIM公司專門為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,典型工作電壓為5V,為了滿足充電泵的要求,在1、2、3、4、5、6引腳處置放0.1μF充電電容,另外在芯片的電源引腳處放置0.1μF電容實(shí)現(xiàn)濾波以減少輸入端的干擾[6]。如圖5所示。

圖5 MAX232接口電路

MSP430有兩組通訊接口,UTXD0/URXDO、UTXD1/URXD1。TTL數(shù)據(jù)從T1IN/T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從TIOUT/T2OUT輸出送到電腦的DB9插頭,DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN/R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL數(shù)據(jù)從RIOUT/R2OUT輸出。

2.6 電源電路

電源電路的設(shè)計(jì)為整個(gè)系統(tǒng)的提供合理的電源,設(shè)計(jì)本著合理簡(jiǎn)單的原則。MSP430F149供電電壓為3.3V,放大電路中的MCP6S28、LMX321芯片,存儲(chǔ)芯片AT45DB161D以及LCD12864也采用單電源3.3V電壓與MSP430保持一致,設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)采用5V直流電源供電,3.3V電源由型號(hào)為L(zhǎng)M3940電源穩(wěn)壓芯片提供。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖6 主程序流程圖

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫,由它編寫的程序結(jié)構(gòu)緊湊,效率較高。系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能有8路A/D采樣、數(shù)據(jù)的顯示及存儲(chǔ),串口的收發(fā)等。主程序流程如圖6所示,系統(tǒng)上電后,進(jìn)行系統(tǒng)初始化(12864液晶、ADC12、串口以及看門狗定時(shí)器的初始化),然后進(jìn)入低功耗模式等待定時(shí)器中斷、按鍵中斷、通訊中斷。MSP430通過中斷的方式響應(yīng)AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的處理等操作,如果采集的結(jié)果超過邊界值則調(diào)整MCP6S28的放大倍數(shù),AD轉(zhuǎn)換有四種模式,采用序列通道單次轉(zhuǎn)換,以方便與上位機(jī)的通訊[7]。ADC12的設(shè)置如下:

void Init_ADC(void)

{

P6SEL |= 0x01;

// 使能ADC通道

ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC;

// 打開ADC,設(shè)置采樣時(shí)間

ADC12CTL0 |= ENC;

// 使能轉(zhuǎn)換

ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1;

// 使用采樣定時(shí)器,序列通道單次轉(zhuǎn)換

ADC12MCTL0=INCH_0; //通道A0

ADC12MCTL0=INCH_1; //通道A1

ADC12MCTL0=INCH_2; //通道A2

ADC12MCTL0=INCH_3; //通道A3

ADC12MCTL0=INCH_4; //通道A4

ADC12MCTL0=INCH_5; //通道A5

ADC12MCTL0=INCH_6; //通道A6

ADC12MCTL0=INCH_7; //通道A7

ADC12CTL0|= ADC12SC;//開始轉(zhuǎn)換

}

其中采用中值濾波算法來提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,通過按鍵功能可以選擇顯示存儲(chǔ)和串口發(fā)送等功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本測(cè)量輸入了一個(gè)通道的信號(hào)。在不同溫度下的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下的溫度的測(cè)量值

由表1可以得出,在-20℃～200℃溫度變化時(shí),標(biāo)準(zhǔn)溫度與系統(tǒng)測(cè)量溫度相差小于0.5℃,能夠滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

基于MSP430F149設(shè)計(jì)的多通道溫度采集系統(tǒng)采用自帶12位高精度AD,程控增益放大器MCP6S28使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,縮小了PCB板的面積,提高儀器的集成度。實(shí)際測(cè)量表明使用鉑電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,精度高,功耗低,可以用于不同的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。另外,如果更換不同的傳感器和配套電路,如熱電偶或其它傳感器就可以組成不同的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通用性強(qiáng),有推廣價(jià)值。在模數(shù)轉(zhuǎn)換方面,如果使用位數(shù)更高的AD器件就組成更高精度的采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)可以暫時(shí)存在測(cè)量系統(tǒng)中,回到實(shí)驗(yàn)室后通過RS232接口上傳到計(jì)算機(jī),使用靈活方便。

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Design of Multi-channel Temperature Acquisition System Based on MSP430 MCU

CHEN Tijun1SHI Leping1,2

(1. College of Electrical & Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054)(2. Shaanxi Institutes of Metrology Science, Xi’an 710065)

A multi-channel temperature acquisition system based on MSP430 is introduced in this paper. The general problems, such as power, complex structure, are solved. The system is composed of low power and high integration device MSP430F149 as main control MCU, PT100 platinum resistance as temperature sensor, programmable amplifier MCP6S28 and 12 bit A/D. The system has the advantage of low power, simple structure and stable performance. Through the RS232 serial port, it is able to communicate with PC. In addition, the temperature acquisition system can be changed to other date acquisition system through exchanging sensors and partly program.

MSP430 single chip microcomputer, multi-channel temperature acquisition, PT100, RS232 serial port communication

2014年9月17日,

2014年11月3日

陳體軍,男,碩士研究生,研究方向:數(shù)據(jù)高速采集儀器儀表。施樂平,男,研究方向:儀器儀表檢測(cè)技術(shù)。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.044