基于MSP430的單片機多路溫度采集系統設計*

陳體軍 施樂平,2

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院 西安 710054)(2.陜西省計量科學研究院 西安 710065)

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基于MSP430的單片機多路溫度采集系統設計*

陳體軍1施樂平1,2

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院 西安 710054)(2.陜西省計量科學研究院 西安 710065)

介紹了一種以MSP430單片機為核心的多路溫度采集系統。解決了以往系統功耗大,結構復雜,靈活性差的弊端。系統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作信號采集,使得系統功耗低、結構簡潔,性能穩定,并通過RS232串口可與上位機進行通訊。此外該系統通過更換不同的傳感器部分軟件即可組成其他數據采集系統,靈活性好。

MSP430單片機; 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過程中有著廣泛的應用。雖然許多溫度采集是在實驗室中進行的,但還有些溫度采集的環境比較復雜,如野外或現場,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單,如,一般多為單通道溫度采集,不帶通信接口,不便于數據保存等。其主要原因是這些溫度采集系統普遍功耗較大[9]。本文設計的多路溫度采集系統采用穩定性好的鉑電阻PT100作為溫度傳感器,MCU采用TI公司生產的超低功耗MSP430F149單片機,配以多路切換電路,實現了采用電池供電的多路智能溫度采集。測量系統能夠實現人機對話,可以實時查看數據,便于參數校準。通過測量系統上的RS-232接口還能夠與上位機進行通信和數據保存,操作方便[1,5]。

2 系統的硬件電路設計

系統的硬件框圖如圖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換為電壓變化量輸出,PT100溫度傳感器輸出的信號通過調理電路(信號放大,濾波)之后將采樣的信號送到MSP430F149的自帶AD轉換模塊進行AD轉換,MSP430F149進行數據處理,在顯示屏上顯示,將數據保存在FLASH存儲芯片中。系統與上位機的通訊是通過RS232串口實現,由于接口電平不同,因此中間需要接口電路來進行轉換。

圖1 系統的硬件框圖

2.1 CPU模塊

TI公司生產的MSP430F149是16位單片機,其電源電壓采用1.8～3.6V低電壓,RAM數據保持方式下耗電僅0.1uA,活動模式耗電250pA/MIPS。采用馮諾依曼體系,RISC指令結構,片內集成60KB的FLASH程序存儲器,2KB的SRAM數據存儲器,多個16位定時/捕獲/比較器,2個串口,12位高精度ADC,64引腳QFP封裝,48個I/O口,其中P1口和P2口具有中斷功能,使用JTAG技術,開發方式方便高效,可以實現在線編程[2]。具有指令執行速度快,外部電路結構簡單,低功耗等特點。

2.2 信號采集模塊

此次設計采用鉑電阻溫度傳感器PT100進行溫度采集,PT100具有精度高,性能穩定等優點廣泛應用于溫度測量領域。鉑電阻電阻值與溫度的關系關系為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(1)

其中:Rt為t℃時PT100的阻值,R0為0℃時PT100的阻值,A、B均為定值常數[3]。0.1mA的恒流源輸出的電流流過鉑電阻,將溫度變化轉換成電壓變化。根據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。恒流源的設計采用微功耗運放MC34181,其功耗電流為0.2mA;2.5V基準電壓采用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溫度采集差分信號輸出OUT1/OUT0。本文設計8路溫度采集,通過控制多路開關來分別對8路鉑電阻恒流供電,多路開關采用TI公司生產的CD4051,其為單刀八擲開關,通過控制地址線ABC來選擇導通A0～A7八個通道,進而選擇導通不同序號的鉑電阻,將包含溫度信息的壓降信號送入信號調理模塊。在通過恒定電流的鉑電阻兩端引出兩條測試線來完成信號的輸出,即四線制接法,有效地消除了線電阻誤差。多路開關應用示意圖如圖3所示。

圖3 多路開關連接原理圖

2.3 信號調理模塊

由于傳感器送出的信號比較微弱,且容易受到外界信號的干擾,所以要經過信號調理電路來進行低通濾波和放大后送到MSP430F149的P6口,其為內部ADC12的8個外部通道口,本文放大電路采用二級放大電路,第一級采用程控放大器MCP6S28,MCP6S28為8通道增益可編程放大器,通過編程可實現通道選擇和放大倍數為1、2、4、5、8、10、16以及32的選擇,采用MCP6S28簡化了放大電路,縮小了PCB板的面積,而且放大倍數更為靈活、可靠。二級放大采用LMX321實現[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,傳遞函數為

(2)

由于MSP430F149單片機的ADC12單端輸入方式為0～VDD(VDD允許電壓為2.5V～3.3V),放大后的信號還不能直接作為ADC12的輸入信號,必須把雙極性信號轉換為單極性信號,本文采用簡單的電阻分壓的方式,即將信號的負端與單片的GND相連作為參考地,ADC12的參考電壓設置為2.5V,經兩電阻R4、R5分壓后輸入P6口,滿足系統的要求。

2.4 顯示存儲模塊

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、數據的狀態以及通過鍵盤的對系統的參數進行設置等。12864為漢字圖形點陣液晶,可顯示漢字圖形,內置8192個中文漢字(16*16點陣),128個字符(8*16點陣)及64*256點陣顯示RAM(GDRAM)與MSP430F149的P3.0～P3.2口和P4口連接,編程方便。

AT45DB161D是ATMEL公司生產的串行可編程FLASH存儲器,單獨2.5V～3.6V工作電壓,是各種數字語音,圖像,程序代碼和數據存儲應用的理想選擇。AT45DB161D支持Rapid S串行接口,適用于高速場合。Rapid S串行接口是與SPI相兼容的,速度可達到66MHz。與并行FLASH儲存器不同,它采用Rapid S串行接口,從而大大減少了可用引腳數量,同時也提高了系統可靠性,降低了開關噪聲,縮小了封裝體積[4]。廣泛用于商業、工業等需要高密度、低引腳數、低電壓與低功耗的應用場合。

2.5 通信接口電路

由于下位機的信號與RS-232接口電平不一致,所以需要電平轉換電路,本系統采用MAX232電平轉換芯片設計轉換電路。MAX232芯片是MAXIM公司專門為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,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電容實現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數據從T1IN/T2IN輸入轉換成RS-232數據從TIOUT/T2OUT輸出送到電腦的DB9插頭,DB9插頭的RS-232數據從R1IN/R2IN輸入轉換成TTL數據從RIOUT/R2OUT輸出。

2.6 電源電路

電源電路的設計為整個系統的提供合理的電源,設計本著合理簡單的原則。MSP430F149供電電壓為3.3V,放大電路中的MCP6S28、LMX321芯片,存儲芯片AT45DB161D以及LCD12864也采用單電源3.3V電壓與MSP430保持一致,設計更為簡潔。系統采用5V直流電源供電,3.3V電源由型號為LM3940電源穩壓芯片提供。

3 系統的軟件設計

圖6 主程序流程圖

本系統采用C語言編寫,由它編寫的程序結構緊湊,效率較高。系統所實現的功能有8路A/D采樣、數據的顯示及存儲,串口的收發等。主程序流程如圖6所示,系統上電后,進行系統初始化(12864液晶、ADC12、串口以及看門狗定時器的初始化),然后進入低功耗模式等待定時器中斷、按鍵中斷、通訊中斷。MSP430通過中斷的方式響應AD轉換及數據的處理等操作,如果采集的結果超過邊界值則調整MCP6S28的放大倍數,AD轉換有四種模式,采用序列通道單次轉換,以方便與上位機的通訊[7]。ADC12的設置如下:

void Init_ADC(void)

{

P6SEL |= 0x01;

// 使能ADC通道

ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC;

// 打開ADC,設置采樣時間

ADC12CTL0 |= ENC;

// 使能轉換

ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1;

// 使用采樣定時器,序列通道單次轉換

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;//開始轉換

}

其中采用中值濾波算法來提高采集數據的準確性,通過按鍵功能可以選擇顯示存儲和串口發送等功能。

4 實驗結果

本測量輸入了一個通道的信號。在不同溫度下的測量結果如表1所示。

表1 不同溫度下的溫度的測量值

由表1可以得出,在-20℃～200℃溫度變化時,標準溫度與系統測量溫度相差小于0.5℃,能夠滿足工農業生產的需要。

5 結語

基于MSP430F149設計的多通道溫度采集系統采用自帶12位高精度AD,程控增益放大器MCP6S28使設計簡潔,縮小了PCB板的面積,提高儀器的集成度。實際測量表明使用鉑電阻的溫度測量系統運行穩定,精度高,功耗低,可以用于不同的現場測量。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據采集系統,通用性強,有推廣價值。在模數轉換方面,如果使用位數更高的AD器件就組成更高精度的采集數據。系統的測量數據可以暫時存在測量系統中,回到實驗室后通過RS232接口上傳到計算機,使用靈活方便。

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[2] 鄧鵬,隋波.基于MSP430單片機的多路數據采集系統[J].船舶電子工程,2009(3):168-170.

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[9] 肖忠祥.數據釆集原理[M].西安:西北工業大學出版社,2001:10-23.

[10] 王小娟.數字式可變增益放大器的實現[J].儀表技術,2008(7):7-8.

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:數據高速采集儀器儀表。施樂平,男,研究方向:儀器儀表檢測技術。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.044