以單片機(jī)為核心的溫度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

0 引言
蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲(chǔ)環(huán)(HIFRL-CSR)是國(guó)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(cè)量溫度的場(chǎng)合，這些場(chǎng)合依靠約束離子的行為發(fā)揮CSR主環(huán)中的磁場(chǎng)作用，在磁場(chǎng)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(chǎng)性能的好壞對(duì)束流品質(zhì)有直接影響。
由于磁鐵的溫度與磁場(chǎng)性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線圈中通過(guò)電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，因此，對(duì)其溫度的測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)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(cè)溫儀。

1 溫度測(cè)量原理
1．1 溫度測(cè)量的流程分析
在該設(shè)計(jì)中，測(cè)溫范圍應(yīng)控制在20～70℃范圍內(nèi)，且測(cè)溫精度約為±1℃；當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，則發(fā)出自動(dòng)報(bào)警提示。目前，大多數(shù)溫度監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)到64路。這樣，在該電路中，可以主要測(cè)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(hào)發(fā)出時(shí)，選擇Pt100傳感器，其鉑電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，并且會(huì)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(cè)溫功能。其中，溫度與阻值之間的關(guān)系可表示為：


1．2 溫度測(cè)量的參數(shù)分析
一般情況下，將溫度測(cè)量控制在-200～+800℃，允許偏差為：A級(jí)±(0．15+0．002|t|)，B級(jí)±(0．30+0．005|t|)；其中，熱電阻最小的置入深度不得低于2DO mm；響應(yīng)時(shí)間控制在30 s范圍內(nèi)；允許通過(guò)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(dòng)、測(cè)量準(zhǔn)確性高、耐受高壓的優(yōu)點(diǎn)。
Pt100溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

2 溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件模塊
在該設(shè)計(jì)中，主要采用由美國(guó)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(guò)程中，會(huì)發(fā)出正交精簡(jiǎn)的指令集，通過(guò)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(qǐng)求和喚醒僅需要6μs。
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(dòng)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(chǔ)器中，最高存儲(chǔ)容量約為60KB，可完成近10萬(wàn)次擦寫。
2．1 溫度測(cè)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(cè)量系統(tǒng)硬件模塊的工作原理
2．2．1 數(shù)據(jù)采集
在此沒(méi)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(hào)被放大后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件較惡劣，而測(cè)量過(guò)程中的精度要求較高，因此一部分已經(jīng)放大的信號(hào)，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(cè)量的數(shù)據(jù)輸入到ROM表中，對(duì)MSP430F149中的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)行線性補(bǔ)償。
在橋式電路甲，導(dǎo)線電阻的連接可能產(chǎn)生測(cè)量誤差，為了避免這種情況，可采取三線連接法。此外橋式測(cè)溫電路中的電壓波動(dòng)現(xiàn)象，可能造成測(cè)量結(jié)果的誤差，因此應(yīng)采取+10V基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)電橋電路的供電工作，以此加強(qiáng)對(duì)電橋電路中的電壓波動(dòng)限制。電橋電路如圖2所示。