工業(yè)用便攜式低功耗高精度數字溫度計設計
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當AD7705工作電壓為3V，片內可編程放大器增益設置為1時(shí)，A／D的精度為16位，最小分辨電壓為37.69μV（1.235V×2／65536）。而熱電偶每變化1℃（－150℃～1000℃）的輸出熱電動(dòng)勢變化為38μV～81μV／℃，大于A(yíng)D7705的最小分辨電壓。所以，系統的分辨率可達到1℃，能夠滿(mǎn)足絕大多數工業(yè)測量要求。由于A(yíng)D7705可直接對－0.6175V～0.6175V電壓進(jìn)行模數轉換，因此，當熱電偶測量小于0℃的溫度且熱電動(dòng)勢小于0V時(shí)，它不需額外的電路也能正常工作。
AD589是AD7705的電壓參考源。AD589是價(jià)格低廉的雙端器件，它能提供帶有溫度補償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內元件匹配和熱跟蹤特性使AD589具有很高的穩定性。此外，AD589的輸出阻抗比普通的低溫度系數齊納二極管低10倍，因此，即使負載發(fā)生變化，該電路也可以在無(wú)需外部器件的情況下維持很高的精度。
2.3 用AD7416測量冷端溫度
AD7416是一個(gè)完整的單片溫度監控系統，其測溫范圍為－55℃～125℃。該器件內含一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)10位A／D轉換器，其中A／D轉換器用于監控溫度并將溫度值數字化，可達到0.25℃的分辨率。本文介紹的數字溫度計選用AD7416來(lái)測量本地溫度，并可在熱電偶參比端溫度不為0℃時(shí)，輸出所需補償的電壓值。
2.4 控制和顯示電路
MSP430F413是德州儀器公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機，其電壓范圍為1.8～3.6V，由于MSP430F413片內包含多種功能模塊（如鎖頻環(huán)路、定時(shí)器、看門(mén)狗、比較器、液晶驅動(dòng)電路和輸入輸出端口等），因此可適合不同應用場(chǎng)合的需要。它的低功耗和低電壓特性特別適用于電池供電的便攜式儀器。MSP430F413通過(guò)P1.4、P1.5、P1.6分別與AD7705的SCLK、DIN、DOUT相連以構成三線(xiàn)接口。當P1.3為低時(shí)，選中AD7705以完成啟動(dòng)A／D轉換、校準、讀取數據的功能。一旦A／D轉換結束，即可由P1.7讀到DRDY引腳的電平變化，從而使系統作出應用反應。通過(guò)P6.5、P6.4與AD7416構成的I2C總線(xiàn)可以采集本地溫度數據。
MSP430F413的P3、P4、P5口均有第二功能作用，它們除作為普通的I／O口外，還可以驅動(dòng)具有四個(gè)COM口的24個(gè)段引腳的液晶模塊。在本設計中，其顯示部分采用六位筆段式液晶顯示器。引腳R33、R23、R13和R03間的三個(gè)1MΩ電阻分壓器可為液晶顯示提供參考偏置電壓。每個(gè)字符的尺寸為15mm×10mm，因此可方便地在一定距離上讀出數據。
此外，在P1.0、P1.1、P1.2三個(gè)引腳上分別接一個(gè)按鍵，可設置為中斷方式，并通過(guò)這三個(gè)按鍵設置系統的采樣時(shí)間間隔、門(mén)限值以及控制系統進(jìn)入低功耗狀態(tài)或工作狀態(tài)。
單片機的時(shí)鐘信號由32.768kHz晶振和片內振蕩電路產(chǎn)生，因此，降低了功耗?？撮T(mén)狗電路可保證程序長(cháng)時(shí)間的正常運行。
若系統每10秒采集一次數據，則整個(gè)系統一周期內的平均電流為103.2μA。如果整個(gè)系統使用3V／1Ah的電池供電，系統可以連續工作13個(gè)月。如果降低數據采集頻率，還可以進(jìn)一步延長(cháng)電池壽命。
3、軟件及系統實(shí)驗
本數字溫度計系統軟件由數據采集程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFE0h，優(yōu)先級為0）、看門(mén)狗中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFF4h，優(yōu)先級為10）、按鍵中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFE8h，優(yōu)先級為4）、液晶顯示程序和熱電偶分度表數據組成。
系統中的單片機工作時(shí)處于激活模式，工作間隙可設定為低功耗模式2以降低功耗，達到延長(cháng)電池壽命之目的。
由于MSP430F413片內的ROM只有8k字節，它不可能完全存儲分度表的數據，因此，在一定的誤差范圍內，對于近似線(xiàn)性部分，可以用折線(xiàn)段分段逼近。對于曲率較大的曲線(xiàn)部分，則可用切比雪夫近似表達式編程計算。
由于在工業(yè)環(huán)境中，被測環(huán)境溫度和本地溫度不會(huì )發(fā)生突變，因此，可以每隔一段時(shí)間間隔對溫度進(jìn)行一次測量顯示。數據采集程序的算法具有自適應特性，因此，當某一溫度在單位時(shí)間間隔內變化超過(guò)設定的門(mén)限值時(shí)，MSP430F413將縮短采樣時(shí)間間隔以加快采樣頻率，并通過(guò)蜂鳴器U1和發(fā)光二極管D1發(fā)出聲光報警信號。實(shí)驗表明，AD7416的靈敏度較高，并可對本地溫度數據采用平滑濾波的方法來(lái)減小誤差。
MSP430F413單片機的程序可用C語(yǔ)言編寫(xiě)，該程序具有很強的可讀性和可移植性。用IAR公司的IAREmbedded Workbench和IARC－SPYdebugger可以將程序編譯成機器代碼。IAREmbedded Workbench系統軟件中包含有MSP430F413單片機頭文件msp430x41x.h和in430.h，文件中定義了片內的特殊功能寄存器名稱(chēng)、工作模式、輸入輸出寄存器、定時(shí)器、系統時(shí)鐘、電源管理、比較器、液晶顯示寄存器、看門(mén)狗定時(shí)器、中斷向量和庫函數。利用計算機可通過(guò)MSP430 Flash Emulation Tool的JTAG接口將程序代碼寫(xiě)入片內Flash ROM中。由于MSP430F413單片機的JTAG接口支持在線(xiàn)編程，因此，編寫(xiě)程序非常方便，同時(shí)也很容易對現有的程序進(jìn)行升級。
系統的主流程圖和定時(shí)器中斷服務(wù)程序數據采集流程圖如圖3所示。
圖3 系統主流程和定時(shí)器中斷服務(wù)程序數據采集流程圖
該系統的精度和分辨率主要取決于傳感器及A／D芯片的精度和分辨率。由于應用中使用數字化不可能完全消除誤差，因此，測量溫度時(shí)還要注意消除由冷端溫度或冷端補償產(chǎn)生的誤差以及連接補償導線(xiàn)的誤差，同時(shí)應注意電路誤差和由于噪聲、絕緣電阻、熱電阻等引起的誤差等。根據實(shí)際需要，可采用高穩定性的熱電偶和精度為1℃的本地溫度傳感器，這樣可以在一定的溫度范圍內提高精度。
本系統以MSP430F413、AD7705為核心實(shí)現了低功耗高精度便攜式溫度計的設計。對于便攜式儀器，本設計實(shí)現了低成本寬測溫范圍條件下的低功耗高精度要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。目前此電路已投入應用，實(shí)踐表明，整個(gè)便攜式低功耗高精度數字溫度計使用方便，工作穩定，待機時(shí)間長(cháng)，具有廣闊的應用前景。 數字濾波器相關(guān)文章:數字濾波器原理 網(wǎng)線(xiàn)測試儀相關(guān)文章:網(wǎng)線(xiàn)測試儀原理 熱電偶相關(guān)文章:熱電偶原理
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