基于MSP430F149单片机的温度变送器设计

1基于MSP430F149单片机的温度变送器设计摘要：温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程中温度参数的测量和控制。本文研究的是一种由传感器和信号转换器（信号处理和转换单元）两个重要模块组成的温度变送器。文章简要介绍了MSP430F149单片机的结构、特性和功能,通过对温度传感器、单片机引脚分配、外围电路设计、信号转换及放大调理等部分的阐述，完成了基于该单片机控制系统的、实现温度变送功能的硬件组成设计。关键词：MSP430F149单片机；放大电路；AD/DA；4-20mADesignoftheTemperature-transmitterBasedonMCUMSP430F149Abstract:Temperature-transmitterisakindofinstrumentconvertingtemperaturevariabletostandardizedoutputsignalwhichcanbetransmitted,it’smainlyusedforthemeasurementandcontrolofthetemperatureparametersinindustrialprocess.Inthispaper,westudyatemperaturetransmitterwhichiscomposedoftwoimportantmodules,sensorandsignalconverter(signalprocessingandconversionunit).Thearticlebrieflydescribesthestructure,featuresandfunctionsoftheMSP430F149microcontroller,viatheelaborateofthetemperaturesensor,themicrocontroller’spinassignments,thedesignofperipheralcircuit,thesignal’sconvert,amplificationandconditioningandotherparts,Wehavecompletedthedesignofthehardwarestructurebasedonthemicrocontroller’scontrolsystem,toachievethefunctionoftemperaturetransmitter.Keywords:MCUMSP430F149;amplifyingcircuit;AD/DA;4-20mA1前言在工业生产中，温度测量具有极其重要的作用，因此出现了各种温度测量方法和设备，其中常见的测量设备是热电阻和热电偶温度传感器。同时，为了便于信号的传送，通常在温度传感器中安装一个温度变送器。温度变送器工作原理叙述如下：通电后温度传感器将温度信号变化为电信号送到放大电路中，信号经放大后然后通过A/D变换送入单片机中经过简单的处理后再能过D/A2转换以标准的电流0-10mA或4-20mA的模拟信号输出，或者是通过一定的通信方式与上位进行通信。本文以MSP430F149单片机为核心，完成了4-20mA标准信号输出的温度变送器设计。2总体设计2.1MSP430F149单片机2.1.1单片机简介MSP430是德州公司开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器。可在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET相连，不须另外的仿真工具，方便实用。由于其16位的体系结构，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使MSP430实现了最大化的代码效率。数字控制振荡器使所有低功率模式唤醒到运行模式小于6us的唤醒时间。MSP430系列可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右),可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。MSP430x14x系列具有统一的中断管理，是有两个内置16位定时器，一个快速12位A/D转换器，一或两个通用串行同步/异步通信接口(USART)和48个I/O引脚构造的微控制器。典型应用包括传感系统，捕获模拟信号转换成数字值，处理并发送数据到主系统。定时器令MCU配置适合于数字电机控制，EE仪表，手持仪表等的工业控制应用。硬件乘法器增强了性能，并提供一个代码与硬件广泛兼容的系列解决方案。2.1.2引脚分配3图1MSP430F149引脚图本文仅对设计中用到的引脚进行介绍，如下表。表1单片机引脚分配引脚名称引脚编号说明AVCC64模拟电源，正端，仅供给模数转换器的模拟部分AVSS62模拟电源，负端，仅供给模数转换器的模拟部分DVCC1数字电源，正端，供给所有数字部分DVSS63数字电源，负端，供给所有数字部分P6.0/A059普通数字I/O，模拟信号输入端P5.1/SIMO1~P5.4/MCLK45~48普通数字I/O，接四位七段显示数码管位选端XIN8低速晶体振荡器的输入端4XOUT/TCLK9低速晶体振荡器的输出端P4.0/TB0~P4.7/TBCLK36~43普通数字I/O，接四位七段显示数码管段码端P2.0/ACLK~P2.7/TA020~27通用数字I/O，接DA数据输入线XT2IN53高速晶体振荡器输入端XT2OUT52高速晶体振荡器输出端P3.6/UTXD134普通数字I/O，发送数据输出–USART1/UART方式P3.7/URXD135普通数字I/O，接收数据输入–USART1/UART方式RST/NMI58复位输入2.2电路总体设计2.2.1系统框图在本设计中，外界温度信号经传感器转换为毫伏级电压信号，经由放大电路放大为1-5V，通过降压处理传入单片机MSP430F149，单片机输出的数字信号由数模转换器DAC0832接收并转换为模拟小电流信号输出，DAC0832与运算放大器LM358配合使用输出0-2V电压信号，送入电压/电流转换器AD694，最终输出4-20mA的标准信号。系统框图如下：图2温度变送器设计系统框图2.2.2单片机外围电路模块本文仅对单片机的电源、复位、晶振、及显示模块作简要设计，如下图：图3单片机外围电路模块传感器放大电路ADDAC0832MSP430F149LM358AD694电源复位晶振显示MSP430F149在线编程53单片机外围电路3.1电源电路本系统中用到了+5V和+3.3V的直流稳压电源，其中MSP430F149及部分外围器件需要+3.3V电源，另外某些部分需要+5V电源。因此在电源设计中，以+5V直流电压为输入电压，+3.3V由+5V直接线性降压。图4电源电路原理图3.2复位电路图5复位电路原理图我们采用看门狗器件SP708实现手动复位。SP708是一款微处理器外围监控型器件，可监控一些数字器件（微处理器，微控制器及存储体）供电状态。该系列适用于需要对电源进行监控的便携式及电池供电型设备。使用该器件，可以有效地减少系统内部组件数量及降低复杂度。该系列产品的看门狗功能可持续对系统的工作状态进行监控。6手动复位（WR）输入允许RESET可被外部按键触发。开关可产生一个最低140ms的RESET脉冲。WR与TTL/CMOS逻辑兼容，所以其可以驱动外部逻辑线路。3.3晶振电路对于MSP430系列，只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。低速晶振满足了低功耗及使用32768Hz晶振的要求。在本电路中我们使用低频模式，晶振1Y外接2个22pF的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。高速晶振为MSP430F149工作在高频模式时提供时钟。我们采用8MHz的晶振，2Y外接2个22pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU。原理如下图：图6晶振电路原理图3.4单片机在线编程电路图7在线编程电路原理图MSP430系列单片机支持串行在线编程，无需外部编程电压。但单片机输出的是TTL电平，而PC机则采用RS-232串行物理接口标准，因此当PC机与单片机进行通信时，其接口就不能直接相连，必须经过电平转换，否则就会损坏设备。7MAX232芯片的作用是将单片机输出的TTL电平转换成PC机能接收的RS232电平或将PC机输出的RS232电平转换成单片机能接收的TTL电平。通过MAX232的连接转换，即可实现PC机与单片机的数据传送，对单片机进行在线编程。P串口座用DB9的母头，这样就可以用买来的PC串口延长线和PC机相连接，也可以直接接到电脑COM口上。3.5LED显示电路选用四位七段显示数码管实现实时数据监测，其原理如图8。从原理图可以看出，数码管的段码a,b,c,d,e,f,g,dp分别与单片机的P2.0~P2.7相连，控制数码管中显示的字形；数码管的位选通由4个NPN三极管控制，分别接到单片机的P6.3~P6.6端口上，程序中通过控制P6.3～P6.6端口的输出电平就可以控制数码管的显示与关闭。图8单片机驱动四位七段显示数码管原理图4信号采集部分4.1传感器热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。我们选用标准化B型热电偶铂铑30-铂铑6测量温度。该元件长期最高使用温度为1600℃，短期使用最高温度为1800℃。具有准确度高，稳定性好，测温范围宽，使用权8用寿命长等优点，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气中。能用做工业测温元件，且此元件线形较好。等级3，允许偏差±0.25%*t，符合控制精度的要求，同时也满足长期测量1310℃~1330℃的要求。4.2放大电路由于热电偶输出毫伏信号，所以需要放大电路将其放大为1~5V标准电压信号降压后送A/D进行转换，本设计选用基极分压式射极偏置电路结合倍压电路进行放大。在射极偏置电路中，静态工作点估算如下：ccBQVRRRV212（1）集电极电流44RVRVVIIBQBEQBQEQCQ（2）图9放大电路原理图动态性能分析如下：电压增益be54vr)||(-RRA（3）其中EQebImVr)(26)1(200（4）BJT的80，可得电压增益24.57||vA。故结合倍压电路后，放大倍数可达一9百多倍，可满足需要。5信号输出部分5.1D/A转换与运放DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要。但DAC0832采用电流形式输出，而我们需要的是模拟电压信号，所以还必须经过一个外接的运算放大器进行转换。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。DAC0832与运算放大器LM358配合使用，可以把数字信号变换成模拟电压信号输出。DA变换的公式为：256refVDVo（5）图10就是“直通”时的电路原理图。refV为-2V，用公式计算可得：当数字量为00~FF时，输出的模拟量为0~2V。实际电路中，运放的电源需要选择，它应该比输出的电压，高出几伏，以求得运放有较好的线性度。图10DAC0832与LM358结合使用输出模拟电压原理图5.24-20mA标准信号输出我们选用电压-电流转换器AD694将0-2V的模拟电压信号转换为4-20mA标准信号10输出。AD694是一种单片电压电流转换器（以下简称V/I）。它将输入电压信号转换成标准的4-20mA电流信号，可广泛应用于压力、流量、温度等信号的参数传递和对阀、调节器以及过程控制中一些常用设备的控制。它具有输入缓冲放大器、V/I转换电路、4mA电流偏置及其选通和微调电路、参考电压电路、输入量