基于MSP430單片機(jī)的低功耗無線溫度表的設(shè)計(jì)

于文剛 李小影 王海國 馬操

【摘要】 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通訊技術(shù)越來越受到社會(huì)各個(gè)行業(yè)的重視，更加推動(dòng)了前端低功耗無線傳輸儀器儀表的發(fā)展。本文針對油田抽油井井口無線監(jiān)控系統(tǒng)的前端無線溫度表的設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)的闡述，該無線溫度表設(shè)計(jì)采用了低功耗的MSP430系列單片機(jī)以及橋式電路方式設(shè)計(jì)，采用無線通訊傳輸技術(shù)，降低了現(xiàn)場工程施工成本。

【關(guān)鍵詞】 MSP430 ISM-433MHz pt100 橋式電路

目前油田現(xiàn)場抽油機(jī)井井口油溫以及注水井井口溫度的溫度表多為傳統(tǒng)的指針式溫度表，油田操作工人需要定時(shí)去現(xiàn)場讀取相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致現(xiàn)場相關(guān)測試數(shù)據(jù)更新時(shí)間周期長，不能及時(shí)準(zhǔn)確地反映油井實(shí)時(shí)工況，從而會(huì)影響到后期對油井的工況診斷。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于無線溫度表是數(shù)字化油田溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的一部分，因而其實(shí)際功耗和測試精度是其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了提高溫度表的測試精度，前端傳感器采用了高精度級別的鉑電阻pt100，并且采用橋式電路，使鉑電阻pt100在橋式電路的一個(gè)橋臂上，與之相對應(yīng)的橋臂采用高精度可調(diào)電位器用于調(diào)零點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)溫度測試的精度。系統(tǒng)主控芯片采用了低功耗的MSP430F2XX系列單片機(jī)，其它所有器件均采用低功耗級別的元器件，并且在傳感器供電方式上采取間歇式供電，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)選用3.6V/8.5Ah高性能工業(yè)鋰亞電池（18650），保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。無線數(shù)據(jù)通訊部分采取了ISM-433MHz頻段的低功耗無線模塊，通過MSP430單片機(jī)的串口TTL電平與無線模塊直接相連，節(jié)省了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。同時(shí)為了提高系統(tǒng)的可靠性，增加了大容量的本地Flash存儲(chǔ)芯片AT45DB321，保證了系統(tǒng)在與上位機(jī)通訊失敗的情況下將本地的測試數(shù)據(jù)及時(shí)保存起來，保證了測試數(shù)據(jù)的完整性。

系統(tǒng)整體框圖如下所示，

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)主控電路。系統(tǒng)主控芯片的選擇在整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，尤其是在低功耗要求很高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的單片機(jī)在靜態(tài)的時(shí)候也會(huì)消耗較大的電流，無法滿足系統(tǒng)低功耗的要求。經(jīng)過對各個(gè)廠家的單片機(jī)性能進(jìn)行反復(fù)比較和出于成本考慮，我們選擇了美國德州公司推出的MSP430F2XX系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)為16位超低功耗單片機(jī)，它具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8～3.6V范圍內(nèi)變化，活動(dòng)模式下耗電250μA /MIPS，I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA，可以外接32.768kHz和8M的晶振，增加了功耗和速度選擇的靈活性。內(nèi)置多種外圍設(shè)備，如三個(gè)定時(shí)器、看門狗、比較器、12位A/D、Flash存儲(chǔ)器、串口通信模塊、硬件乘法器等，大大簡化了硬件電路設(shè)。

2、電源調(diào)理電路。所有采用電池供電的儀器儀表，由于隨著電池能量的消耗，其電壓會(huì)逐漸下降，某些元器件在電壓變化時(shí)，其工作特性或多或少會(huì)發(fā)生變化，為了保證測量精度，系統(tǒng)應(yīng)該在一個(gè)比較穩(wěn)定的電源電壓下工作，避免受電池電壓下降的影響。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用的開發(fā)環(huán)境為IAR for MSP430 V4，采用C語言編寫系統(tǒng)軟件程序。系統(tǒng)主程序包括兩種工作狀態(tài)：測試狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)。系統(tǒng)程序初始化后，程序進(jìn)入定時(shí)測試程序循環(huán)，如果系統(tǒng)有按鍵按下則程序進(jìn)入校準(zhǔn)程序狀態(tài)。

結(jié)束語：本文系統(tǒng)地介紹了高精度、低功耗的無線溫度表的整體設(shè)計(jì)思路，分別從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面融入了實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗以及無線傳輸要求的設(shè)計(jì)思想，并且 利用了MSP單片機(jī)內(nèi)部的特殊A/D 轉(zhuǎn)換器降低了開發(fā)成本。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，無線溫度表的測量精度可以達(dá)到0.5%F.S，可以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的水平。由于系統(tǒng)考慮設(shè)計(jì)成本以及需求方的因素，并沒有采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)化芯片，對測量精度有一定的影響，是需要下一步完善和研究的地方，這樣會(huì)更加提高整個(gè)儀表的測量精度。

參 考 文 獻(xiàn)

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