基于MSP430F149单片机的温度监测系统的设计

单片机开发与应用

基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机的温度监测系统的设计

ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＭＳＰ４３０Ｆ１４９

（１．中国科学院近代物理研究所２．中国科学院研究生院）王晓银

１，２

王彦瑜１蒋锋

１

Ｗａｎｇ，ＸｉａｏｙｉｎＷａｎｇ，ＹａｎｙｕＪｉａｎｇ，Ｆｅｎｇ

摘要：介绍了一种通用温度监测仪。阐述了以ＭＳＰ４３０Ｆ１４９为核心的温度检测仪的硬件模块和软件设计。该温度检测仪具有低成本、低功耗、可靠性高、抗干扰能力强等特点，根据不同需要可应用于多种温度检测系统中。关键词：ＭＳＰ４３０，温度，检测系统中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ｂ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｃｕｒｒｅｎｃｙｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．ＴｈｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗａｓｂａｓｅｄｏｎＭｓｐ４３０Ｆ１４９，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ．Ｉｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｒｏｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｌｏｗｃｏｓｔ，ｌｏｗｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇｎｏｉｓｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ，ａｎｄｍａｙｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｍａｎｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＭＳＰ４３０，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ

１引言

国家重点科学工程兰州重离子加速器—冷却存储环（ＨＩＦＲＬ—ＣＳＲ）是一个大型综合工程，其控制系统中有大量温度测量的场合。在ＣＳＲ主环中磁场的作用是约束离子行为，带电粒子束在磁场中聚焦和传输，磁场性能的好坏直接影响到束流的品质，而磁铁温度又影响着磁场的安全性能，所以对磁铁线圈加电流时的温度测量就显得尤为重要。基于这一要求设计了一种低成本，性能良好的测温仪。时报警，测温精度在±１℃，目前使用的温度监测系统精度比较低，响应时间比较慢，只能监测８路，我们拟用电路主要考虑电桥测８个模拟开关可实现６４路监测。温，Ａ／Ｄ转换利用ＶＣＯ与单片机接口实现。温度信号采用Ｐｔ１００传感器来采集。Ｐｔ１００传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温。其温度／阻值对应关系为：（１）－２００℃＜ｔ＜０℃时，ＲＰｔ１００＝１００［１＋Ａｔ＋Ｂｔ２＋Ｃｔ３（ｔ－１００）］（１）（２）０℃≤ｔ≤８５０℃时，ＲＰｔ１００＝１００（１＋Ａｔ＋Ｂｔ２）（２）式中，Ａ＝３．９０８０２×１０－３；Ｂ＝－５．８０×１０－７；Ｃ＝４．２７３５×１０－１２。技

术创新

２温度测量系统硬件设计

本设计采用美国德州仪器公司的１６位单片机它具有处理能力强、运行速度快、功耗低ＭＳＰ４３０Ｆ１４９。等优点。其工作电压为１．８Ｖ￣３．６Ｖ；ＣＰＵ运行正交的精简指令集，片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算；ＭＳＰ４３０Ｆ１４９中断源较多并可任意嵌套，系统处于省电状态，用中断请求唤醒只需６ｕｓ；它还具有丰富的片上外围模块，其１２位Ａ／Ｄ转换器带有内部参考源，采样保持，自动扫描等特性；１６位定时器ＴｉｍｅｒＡ具有４种工作模式，可同时进行多个捕获／比较功能；４８个可达独立编程的Ｉ／Ｏ口；２个串行通信接口ＵＳＡＲＴ０与ＵＳＡＲＴ１；ＦＬＡＳＨ存储器多达６０ＫＢ，擦写次数可达１０万次。图１

３温度测量原理

在设计中要求测温范围在２０℃－７０℃，高于７０℃王晓银：硕士研究生基金项目：国家九五重大科学工程无编号《ＰＬＣ技术应用２００例》

其主要技术参数如下：测量范围：－２００℃～＋８５０℃；允许偏差值△℃：Ａ级±（０．１５＋０．００２│ｔ│），Ｂ级±（０．３０＋０．００５│ｔ│）；热响应时间＜３０ｓ；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥另外，Ｐｔ１００温度传感器还具２００ｍｍ；允通电流≤５ｍＡ。邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年－

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单片机开发与应用

测量系统方框图如图１所示２．０数据采集单元中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第７－２期

有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。２．１通讯接口单元ＭＳＰ４３０Ｆ１４９具有通用的串行通信接口，它允许７或８位串行位流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出ＭＳＰ４３０。设计中单片机与上位机之间的数据传送经过ＲＳ－４８５收发器ＭＡＸ４８５，由ＵＳＡＲＴ１接收与发送。经过嵌入式网关Ａｔｍｅｇａ１２８接入以太网中，用户就可以进行远程访问了。数据通讯方式为４线，全双工，波特率为５７６００ｂｐｓ，由单片机的Ｐ４口控制其数据的接受与发送。设计中Ｐｔ１００与电阻组成的桥式电路把由温度变化而引起的Ｐｔ１００的阻值变化转化为电压变化输入运算放大器，放大后的信号由ＭＳＰ４３０进行Ａ／Ｄ转换，由于现场条件恶劣，考虑测量精度要求，放大后的部分信号采用电压频率转换技术实现Ａ／Ｄ转换，将测得数据存入ＲＯＭ表中，对由ＭＳＰ４３０的Ａ／Ｄ转换结果进行线性化补偿。在桥式测温电路中为了消除连接导线电阻引起桥电压的波动的测量误差，ＰＴ１００采用了三线直接法。也会给温度测量带来较大的误差，故采用＋１０Ｖ的基准电压对电桥电路供电，限制其电压波动。电桥电路如图２所示２．２键盘显示单元键盘接口采用行列扫描的方法实现，在系统工作时，ＭＣＵ要不断地查询有没有按键被按下，这使其工作效率很低，在设计时使用Ｉ／Ｏ口中断方式实现键盘输入，而ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的Ｐ１、Ｐ２口均可用于对外部事件的中断处理，正好适应了这一工作要求。设计中ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的Ｐ２口接键盘，大大提高了ＭＣＵ的效率。技术创新

显示单元采用主控制驱动为ＨＤ４４７８０的液晶显示模块ＦＭ２０４Ａ，其模块结构紧凑轻巧，装配容易，具有标准的接口特性。具有字符发生器ＲＯＭ，除了可显示１９２个标准字符外，还可自定义８个特殊字符。图２

压控振荡器ＬＭ３３１是一电压／频率转换芯片，它的突出特点就是把模拟电压转换成抗干扰能力强，可远距离传送并能直接输入计算机的脉冲串，由ＭＳＰ４３０单片机的Ｔｉｍｅｒ模块来测输出频率以实现Ａ／Ｄ转换功能。ＬＭ３３１使用了温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为５０ｐｐｍ／℃，同时该器件的脉冲输出可与任何逻辑形式兼容；双电源供电，电压范围为５～ＬＭ３３１可单、４０Ｖ；满量程范围１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非线性误差为０．０１％。ＬＭ３３１其电压／频率对应关系为：Ｆ０＝ＫＶｉ其中Ｋ＝ＲＳ／（２．０９Ｒｔ＊Ｃｔ＊ＲＬ）Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２由于ＭＳＰ４３０为１６位计数器，故在该设计中选用Ｒｓ＝３３Ｋ，Ｒｔ＝６．８Ｋ，Ｃｔ＝２２００Ｐ，ＲＬ＝１００Ｋ，由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和电容Ｃｔ会直接影响Ｆ０的转换结果，故在电路中电阻均采用精密电阻，电容采用漏电流小的云母电容。ＬＭ３３１电路原理图如图３所示：４软件设计

功能丰富、功ＭＳＰ４３０系列是一种具有集成度高、耗低等技术特点的１６位单片机，它可用Ｃ语言来完成程序设计，大大提高了开发调试的工作效率；同时用Ｃ语言所产生的文档资料也容易理解，便于移植；适用于ＭＳＰ４３０系列的Ｃ语言，与标准Ｃ语言兼容程度高。在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。其模块程序由主程序、键盘处理模块、显示模块、通信上电后程模块、Ａ／Ｄ转换模块、Ｔｉｍｅｒ计数模块等组成。序进行初始化，完成后进入巡回模式等待中断事件的图３

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到来，当有中断事件发生时，判断中断源并（转１０９页）《现场总线技术应用２００例》

７８－３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６您的论文得到两院院士关注单片机开发与应用

［４］陈丽静，舒勤．无线数据网络中的自相似性［Ｊ］，微计算机信息．２００５．１：１９３－１９５

４．Ａ／Ｄ变换器：在软件无线电的设计中，Ａ／Ｄ器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现。我们在设计系统是采用的是ＡＤ公司的ＡＤ６６４４。ＡＤ６６４４是一种高速度、高性能的单片１４位模数转换器，它内含采样保持电路和基准源，能够精确变换宽带模拟信号（２００ＭＨｚ输入带宽），并具有低噪声（２４ｄＢ）和低失真（１００ｄＢＳＦＤＲ）特性，其采样速率可达６５ＭＳＰＳ，信噪比的典型值为７４ｄＢ。作者简介：朱洪亮（１９７７．７－）：男，汉族，新疆石河子人，信息工程大学信息工程学院硕士研究生，研究方向：软件无线电Ｅｍａｉｌ：ｎａｍｅ＿ｚｈｌ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。葛临东（１９４６．８－）：男，汉族，山东济南人，信息工程大学信息工程学院教授、博士生导师，研究方向：软件无线电。Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＺｈｕＨｏｎｇｌｉａｎｇ：ｍａｌｅ，Ｂｏｒｎｉｎ１９７７．ｇｒａｄｕａｔｅｓｔｕｄｅｎｔ．ＲｅｓｅａｒｃｈＡｒｅａ：ｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ．ＧｅＬｉｎｄｏｎｇ：ｍａｌｅ，Ｂｏｒｎｉｎ１９４６．ｄｏｃｔｏｒａｌｔｕｔｏｒ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．ＲｅｓｅａｒｃｈＡｒｅａ：ｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ．３系统的仿真与测试

由于电子调谐回路是设计重点，我们对电调谐回路的频谱性能进行了仿真和测试，选用的是ＡＮＳＯＦＴ公司的ＡｎｓｏｆｔＤｅｓｉｇｎｅｒ软件进行仿真，结果如下：从图中可以看出电调谐滤波器增益大致在－３０ｄＢ左右，具有较高的选择性，３ｄＢ带宽可达到２００Ｋ左右，在高频点带宽稍宽，但可满足我们的设计要求。（４５０００２郑州解放军信息工程大学）朱洪亮葛临东（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰＬＡ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，４５０００２）Ｚｈｕ，ＨｏｎｇｌｉａｎｇＧｅ，Ｌｉｎｄｏｎｇ通讯地址：（４５０００２河南省郑州市１００１信箱８３５分箱）朱洪亮（投稿日期：２００５．１１．１２）（修稿日期：２００５．１２．１４）

（接７８页）进入相应的中断服务字程序中。４结束语

本文主要讨论了软件无线电接收机在短波波段实现射频数字化的一种方法，经过对整个系统的仿真和测试，系统基本达到了预期性能要求，另外，本系统还可以通过对电路进行适当的改进从而推广应用到其它频段，从而实现整个射频频段的数字化。５结束语

由于铂电阻具有良好的线性度，可靠稳定性，被广泛应用于高精密度的测量环境。采用德州仪器公司的ＭＳＰ４３０做温度采集控制器具有低成本、低功耗、抗干扰能力强等特点，根据不同需要此温度监测仪可应用于多种温度检测系统中。由于现场条件恶劣，直接用ＭＳＰ４３０的Ａ／Ｄ转引起测量误差较大。本设计创新点在于采用了压频转换技术实现Ａ／Ｄ转换，在程序中采用查表法对测量值进行线性化补偿，提高了测量精度。参考文献：

王彦瑜ＣＳＲ中的磁铁温度测控系统的设计［Ｊ］微计算［１］王晓银，

机信息２００６．０４

京［２］胡大可《ＭＳＰ４３０系列ＦＬＡＳＨ型超低功耗１６位单片机》

航空航天大学出版社

技术创新

图９通道１．５ＭＨｚ－３．２ＭＨｚ

ｆ０＝２．２０ＭＨｚ

作者简介：王晓银，女，硕士研究生，研究方向：数据获取与计算机控制。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｙｉｎ＠ｉｍｐｃａｓ．ａｃ．ｃｎ．王彦瑜，男，副研究员，硕士生导师，研究方向：数据获取与计算机控制。蒋锋，男，研究员，研究方向：自动控制及自动化．（７３００００兰州中国科学院近代物理研究所）王晓银王彦瑜蒋锋图１０通道１４．５ＭＨｚ－３０ＭＨｚ

ｆ０＝２０．１０ＭＨｚ

参考文献：

［１］ＣｏｍｐｌｅｔｅＷｉｒｅｌｅｓｓＤｅｓｉｇｎ，ＣｏｔｔｅｒＷ．Ｓａｙｒｅ，２００１．

［２］ＲＦ／ＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＵｌｒｉｃｈＬ．Ｒｏｈｄｅ＆ＤａｖｉｄＰ．Ｎｅｗｋｉｒｋ，２０００．

晶体管电路设计，科学出版社，２００４．［３］铃木雅臣，

《ＰＬＣ技术应用２００例》

（１０００３９中国科学院研究生院）王晓银（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｏｄｅｒｎｐｈｙｓｉｃｓ，ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）Ｗａｎｇ，ＸｉａｏｙｉｎＷａｎｇ，ＹａｎｙｕＪｉａｎｇ，Ｆｅｎｇ（ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌ，ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａ）Ｗａｎｇ，Ｘｉａｏｙｉｎ通讯地址：（７３００００兰州市３１＃信箱中国科学院近代物理研究所信息工程研究室）王晓银（投稿日期：２００５．１１．１３）（修稿日期：２００５．１２．１４）

邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年－

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