以MSP430F149為核心的溫度檢測儀的硬件模塊和軟件設計

摘 要：溫度檢測儀主要是對溫度進行檢測，對溫度的靈敏作出及時的反應。以 MSP430F149 為核心的溫度檢測儀成本較低，功耗低，有很高的可靠性，對周圍環境抗干擾的能力也較強，對溫度的變化反應靈敏，這就得益于其內部的硬件模塊和軟件設計，能夠應用于不同的環境，據不同的需要應用在多類的溫度檢測系統中。這里從其硬件模塊和軟件設計對其特點進行分析、論證。

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關鍵詞：MSP430F149; 檢測系統; 硬件; 軟件; 低功耗

中圖分類號：TN710-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0199-03

Hardware module and software design of temperature measuring 

instrument based on MSP430F149

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L Rui-dong， ZHANG Zhi-wen

(School of Electronic and Information Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China)

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Abstract：

The temperature measuring instrument is mainly to detect temperature and respond to temperature change. The temperature measuring instrument based on MSP430F149 with low cost， low power consumption and high reliability， which has strong anti-interference ability for the surrounding environment， and is temperature sensitive. The hardware module and software design of the temperature measuring instrument can be applied to different environment. The features are analyzed and discussed from the hardware module and software design.

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Keywords： MSP430F149; detection system; hardware; software; low power consumption

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收稿日期：2011-08-10

0 引 言

蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲環(HIFRL-CSR)是國家科學重點工程之一，在其內部控制系統里存在著大量的測量溫度的場合，這些場合依靠約束離子的行為發揮CSR主環中的磁場作用，在磁場中，這些帶電粒子束有時處于聚焦狀態，有時則處于傳輸狀態，且磁場性能的好壞對束流品質有直接影響。

由于磁鐵的溫度與磁場性能及安全密切相關。磁鐵的線圈中通過電流時，會產生很高的溫度，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，則發出自動報警提示。目前，大多數溫度監測系統精度較低，程序響應的時間都比較慢，僅能監測到8路。而在此設計中擬用8個開關進行模擬，這樣就可以實現監測到64路。這樣，在該電路中，可以主要測量其電橋溫度，利用A/D轉換器實行轉換，僅需采取VCO和單片機接口即可實現。

當溫度信號發出時，選擇Pt100傳感器，其鉑電阻的阻值會隨著溫度的變化而發生變化，并且會呈現一定的函數關系，Pt100傳感器利用這一特點，實現測溫功能。其中，溫度與阻值之間的關系可表示為：

—200 ℃

RPt100=100［1+At+Bt2+Ct3(t- 100)

(1)

0 ℃≤t≤850 ℃時：

RPt100=100(1+At+Bt2)

(2)

式中：A=3.908 02×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.273 5×10-12。

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200 mm；響應時間控制在30 s范圍內；允許通過的電流不大于5 mA。除此以外，溫度傳感器Pt100還具有穩定性能好、抗振動、測量準確性高、耐受高壓的優點。

Pt100溫度傳感器測量系統的流程圖如圖1所示。

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圖1 測量系統流程圖

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、功耗低的優點，其工作時的電壓為1.8~3.6 V。內部的CPU在運行過程中，會發出正交精簡的指令集，通過寄存器可實現各種各樣的運算，且具備一些中斷源，可隨意嵌套。如果系統處于省電狀態，用于中斷的請求和喚醒僅需要6 μs。

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，可保持采樣進行并實現自動掃描等功能；在16位定時器TimerA中，共有四種工作模式，可以在實現多個捕獲功能時發揮外部比較的功能；其中48個I/O口具備獨立編程的能力，兩個串行接口可實現USART0和USART1之間的通信；另外，在FLASH存儲器中，最高存儲容量約為60 KB，可完成近10萬次擦寫。

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顯示單元三個部分組成。

2.2 溫度測量系統硬件模塊的工作原理

2.2.1 數據采集

在此設計中，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，再進行A/D轉換。由于現場應用的條件較惡劣，而測量過程中的精度要求較高，因此一部分已經放大的信號，可采取電壓與頻率之間的轉換技術實現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轉換結果實行線性補償。

在橋式電路中，導線電阻的連接可能產生測量誤差，為了避免這種情況，可采取三線連接法。此外橋式測溫電路中的電壓波動現象，可能造成測量結果的誤差，因此應采取＋10 V基準電壓實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限制 。電橋電路如圖2所示。

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圖2 電橋電路示意圖

在壓控振蕩器LM331中，可實現電壓與頻率之間的轉換。作為一種芯片，它具備如下特點：可自由轉化模擬電壓，將其置換為可實現遠距離傳輸、可直接輸入計算機、抗干擾能力極強的脈沖串。利用MSP430F149單片機中的Timer模塊，可檢測其輸出頻率大小，以完成A/D之間的轉換功能。在壓控振蕩器LM331中，可使用其溫度補償功能，并具有極強的溫度穩定性。另外，在該器件的脈沖輸出過程中，可兼容多種邏輯形式，既可采取單電源供電，也可采取雙電源供電，其中基電壓控制在5~40 V范圍內，最大非線性誤差控制在0.01%內。

經相關實驗證明，壓控振蕩器LM331的電壓與頻率關系式表示如下：

f0=KVi

式中:K=Rs/( 2.09Rt#8226;Ct#8226;RL)；Rs=Rs1+Rs2。

因為MSP430F149是16位的計數器，所以在此設計中就選用的具體參數為：

Rs=33 kΩ，Rt=6.8 kΩ，Ct=2 200 pF，RL=100 kΩ。由于Rs，Rt，Ct，RL對f0的轉換產生直接影響，其計算結果也會有所區別。因此，在該組電路中，主要采用精密電阻計算，電容則選用漏電流偏小的云母電容。

LM331的電路原理圖如圖3所示。

圖3 LM331的電路原理圖

2.2.2 通信接口

在MSP430F149中配有通用的通信串行接口，可允許7位、8位串行位流。串行位流主要以預設速率進行，且由外部時鐘確定的速度做出移入或移出動作。MSP430F149傳送單片機和上位機之間的數據，應通過RS 485接發器進行接收或發送；再通過嵌入式網關ATmega128接入以太網，實現用戶的遠程訪問功能。其中，數據通信方式為全雙工、4線形式，波特率約57 600 b/s，通過MSP430F149單片機中的P口實現數據的接收與發送。

2.2.3 鍵盤顯示

通過鍵盤接口，可完成行列掃描。在系統工作過程中，MCU會持續查詢、檢查按鍵是否按下，造成工作效率低下。因此，在設計中，應考慮采取I/O口形式，來完成鍵盤輸入的中斷。MSP430F149單片機中P1口和P2口都可以用來處理外部事件中斷問題，與高效率、精確化工作要求正好相符。在MSP430F149單片機中，將鍵盤接入P2口，極大地提高了工作效率。

在該設計中，采取主控制驅動支撐顯示單元，通過HD44780液晶顯示完成整個工作。這種模塊形式，具有結構緊湊、輕巧，便于裝配等優勢，同時擁有標準化接口，確保各種性能的充分發揮。除了可以顯示192個標準字符之外，還可完成8個自定義特殊字符的顯示。

3 軟件設計

3.1 軟件設計的語言

MSP430F149單片機可以采用C語言編程完成整個程序設計工作，其程序設計提高了開發調試效率。由于采用C語言編程，其所產生的文檔資料容易理解，而且便于移動使用。C語言編程應用在MSP430系列中時，與標準C語言編程具有較高兼容性。且在軟件設計過程中，可選擇模塊化方法，確保程序結構一目了然，對今后系統的進一步擴展提供了非常重要的參考作用。

3.2 軟件設計的模塊

在軟件模塊設計中，其主要程序為：主程序、通信模塊、顯示模塊、鍵盤處理模塊、Timer計數模塊、A/D轉換模塊等。當系統在工作狀態下，對程序實行初始化處理，當完成這一程序后，進入巡回模式。如果在此過程中發生了中斷事件，則可自動判斷中斷源位置，并連接相關的中斷服務。軟件流程圖如圖4所示。

4 結 語

在該系統中，主要采用鉑電阻Pt100，具備較強的可靠性，且線性度較好，已經得到廣泛的應用，在測量環境的高精密度上發揮著重要的作用。

以MSP430F149為核心的溫度檢測儀對溫度有著靈敏的反應，其中用來采集的控制器具有成本低、功耗

低、抗干擾能力很強的特點，可以滿足不同的需要，因此MSP430F149為核心的溫度檢測儀，可以在各種溫度檢測系統中應用。

圖4 軟件流程圖

在現場條件極其惡劣的情況下，MSP430F149系統中采用壓頻間的轉換技術來實現A/D的轉換，避免了直接用MSP430中的A/D轉換引起測量誤差較大的缺點。此設計的創新點就是在工作程序中采用了查表法，這樣可以對測量值進行線性化的補償，測量精度得到了提高。

參 考 文 獻

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作者簡介：

呂芮棟 男，1984年出生，陜西西安人，碩士研究生。主要研究方向為通信與信息系統。 

張志文 男，1957年出生，教授。主要研究方向為計算機測控技術、智能化儀器。