以单片机为核心的温度检测仪的设计

0 引言
兰州大型的综合工程重离子加速器——冷却存储环(HIFRL-CSR)是国家科学重点工程之一，在其内部控制系统里存在着大量的测量温度的场合，这些场合依靠约束离子的行为发挥CSR主环中的磁场作用，在磁场中，这些带电粒子束有时处于聚焦状态，有时则处于传输状态，且磁场性能的好坏对束流品质有直接影响。
由于磁铁的温度与磁场性能及安全密切相关。磁铁的线圈中通过电流时，会产生很高的温度，因此，对其温度的测量是一项非常重要的工作。以MSP430F149为核心的温度检测仪基于此要求进行设计，并投入使用，是一款成本低并且性能良好的测温仪。

1 温度测量原理
1．1 温度测量的流程分析
在该设计中，测温范围应控制在20～70℃范围内，且测温精度约为±1℃；当温度高于70℃时，则发出自动报警提示。目前，大多数温度监测系统精度较低，程序响应的时间都比较慢，仅能监测到8路。而在此设计中拟用8个开关进行模拟，这样就可以实现监测到64路。这样，在该电路中，可以主要测量其电桥温度，利用A／D转换器实行转换，仅需采取VCO和单片机接口即可实现。
当温度信号发出时，选择Pt100传感器，其铂电阻的阻值会随着温度的变化而发生变化，并且会呈现一定的函数关系，Pt100传感器利用这一特点，实现测温功能。其中，温度与阻值之间的关系可表示为：


1．2 温度测量的参数分析
一般情况下，将温度测量控制在-200～+800℃，允许偏差为：A级±(0．15+0．002|t|)，B级±(0．30+0．005|t|)；其中，热电阻最小的置入深度不得低于2DO mm；响应时间控制在30 s范围内；允许通过的电流不大于5 mA。除此以外，温度传感器Pt100还具有稳定性能好、抗振动、测量准确性高、耐受高压的优点。
Pt100温度传感器测量系统的流程图如图1所示。

2 温度测量系统的硬件模块
在该设计中，主要采用由美国德州仪器公司生产的16位单片机——MSP430F149，它具有运行速度快、处理能力强、功耗低的优点，其工作时的电压为1．8～3．6 V。内部的CPU在运行过程中，会发出正交精简的指令集，通过寄存器可实现各种各样的运算，且具备一些中断源，可随意嵌套。如果系统处于省电状态，用于中断的请求和唤醒仅需要6μs。
此外，MSP430F149还有很多片上外围模块，以12位A／D转换器为例，具备内部参考源，可保持采样进行并实现自动扫描等功能；在16位定时器TimerA中，共有四种工作模式，可以在实现多个捕获功能时发挥外部比较的功能；其中48个I／O口具备独立编程的能力，两个串行接口可实现USART0和USART1之间的通信；另外，在FLASH存储器中，最高存储容量约为60KB，可完成近10万次擦写。
2．1 温度测量系统硬件模块的组成
此系统硬件模块由数据采集单元、通信接口单元和键盘显示单元三个部分组成。
2．2 温度测量系统硬件模块的工作原理
2．2．1 数据采集
在此没计中，桥式电路由Pt100传感器和电阻组成，能把Pt100由于温度变化而产生的阻值变化，转化为电压变化，并输入到运算放大器中，当信号被放大后，再进行A／D转换。由于现场应用的条件较恶劣，而测量过程中的精度要求较高，因此一部分已经放大的信号，可采取电压与频率之间的转换技术实现A／D转换，再将这种方法测量的数据输入到ROM表中，对MSP430F149中的A／D转换结果实行线性补偿。
在桥式电路甲，导线电阻的连接可能产生测量误差，为了避免这种情况，可采取三线连接法。此外桥式测温电路中的电压波动现象，可能造成测量结果的误差，因此应采取+10V基准电压实现电桥电路的供电工作，以此加强对电桥电路中的电压波动限制。电桥电路如图2所示。

在压控振荡器LM331中，可实现电压与频率之间的转换。作为一种芯片，它具备如下特点：可自由转化模拟电压，将其置换为可实现远距离传输、可直接输入计算机、抗干扰能力极强的脉冲串。利用MSP430F149单片机中的Timer模块，可检测其输出频率大小，以完成A／D之间的转换功能。在压控振荡器LM331中，可使用其温度补偿功能，并具有极强的温度稳定性。另外，在该器件的脉冲输出过程中，可兼容多种逻辑形式，既可采取单电源供电，也可采取双电源供电，其中基电压控制在5～40 V范围内，最大非线性误差控制在0．01％内。
经相关实验证明，压控振荡器LM331的电压与频率关系式表示如下：
f0=KVi
式中：K=Rs／(2．09Rt·Ct·RL)；Rs=Rs1+Rs2。
因为MSP430F149是16位的计数器，所以在此设计中就选用的具体参数为：Rs=33 kΩ，Rt=6．8 kΩ，Ct=2 200 pF，RL=100kΩ。由于Rs，Rt，Ct，RL对f0的转换产生直接影响，其计算结果也会有所区别。因此，在该组电路中，主要采用精密电阻计算，电容则选用漏电流偏小的云母电容。
LM331的电路原理图如图3所示。