以單片機為核心的溫度檢測儀的設計

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，在其內部控制系統里存在著(zhù)大量的測量溫度的場(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)處于聚焦狀態(tài)，有時(shí)則處于傳輸狀態(tài)，且磁場(chǎng)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(chǎng)性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線(xiàn)圈中通過(guò)電流時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很高的溫度，因此，對其溫度的測量是一項非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測儀基于此要求進(jìn)行設計，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
在該設計中，測溫范圍應控制在20～70℃范圍內，且測溫精度約為±1℃；當溫度高于70℃時(shí)，則發(fā)出自動(dòng)報警提示。目前，大多數溫度監測系統精度較低，程序響應的時(shí)間都比較慢，僅能監測到8路。而在此設計中擬用8個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行模擬，這樣就可以實(shí)現監測到64路。這樣，在該電路中，可以主要測量其電橋溫度，利用A／D轉換器實(shí)行轉換，僅需采取VCO和單片機接口即可實(shí)現。
當溫度信號發(fā)出時(shí)，選擇Pt100傳感器，其鉑電阻的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而發(fā)生變化，并且會(huì )呈現一定的函數關(guān)系，Pt100傳感器利用這一特點(diǎn)，實(shí)現測溫功能。其中，溫度與阻值之間的關(guān)系可表示為：


1．2 溫度測量的參數分析
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2DO mm；響應時(shí)間控制在30 s范圍內；允許通過(guò)的電流不大于5 mA。除此以外，溫度傳感器Pt100還具有穩定性能好、抗振動(dòng)、測量準確性高、耐受高壓的優(yōu)點(diǎn)。
Pt100溫度傳感器測量系統的流程圖如圖1所示。

2 溫度測量系統的硬件模塊
在該設計中，主要采用由美國德州儀器公司生產(chǎn)的16位單片機——MSP430F149，它具有運行速度快、處理能力強、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，其工作時(shí)的電壓為1．8～3．6 V。內部的CPU在運行過(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)現各種各樣的運算，且具備一些中斷源，可隨意嵌套。如果系統處于省電狀態(tài)，用于中斷的請求和喚醒僅需要6μs。
此外，MSP430F149還有很多片上外圍模塊，以12位A／D轉換器為例，具備內部參考源，可保持采樣進(jìn)行并實(shí)現自動(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口具備獨立編程的能力，兩個(gè)串行接口可實(shí)現USART0和USART1之間的通信；另外，在FLASH存儲器中，最高存儲容量約為60KB，可完成近10萬(wàn)次擦寫(xiě)。
2．1 溫度測量系統硬件模塊的組成
此系統硬件模塊由數據采集單元、通信接口單元和鍵盤(pán)顯示單元三個(gè)部分組成。
2．2 溫度測量系統硬件模塊的工作原理
2．2．1 數據采集
在此沒(méi)計中，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，轉化為電壓變化，并輸入到運算放大器中，當信號被放大后，再進(jìn)行A／D轉換。由于現場(chǎng)應用的條件較惡劣，而測量過(guò)程中的精度要求較高，因此一部分已經(jīng)放大的信號，可采取電壓與頻率之間的轉換技術(shù)實(shí)現A／D轉換，再將這種方法測量的數據輸入到ROM表中，對MSP430F149中的A／D轉換結果實(shí)行線(xiàn)性補償。
在橋式電路甲，導線(xiàn)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(xiàn)連接法。此外橋式測溫電路中的電壓波動(dòng)現象，可能造成測量結果的誤差，因此應采取+10V基準電壓實(shí)現電橋電路的供電工作，以此加強對電橋電路中的電壓波動(dòng)限制。電橋電路如圖2所示。