基于MSP430单片机的温控系统设计
摘要:介绍了运用MSP430单片机设计开发了一种温控系统,重点阐述了以单片机为核心的硬件电路和以C语言为用户程序编程语言的用户程序,设计了传感器电路、信号调理电路、电源模块、液晶模块电路,开发了LCD模块操作、数据采集处理程序和温控调节模块程序。该系统体积小、成本低、工作可靠,工程移植性好,具有很高的工程应用和借鉴价值。
关键词:温度传感器;MSP430单片机;温控系统;低功耗
温度的测量和控制在日常生活、生产中广泛应用愈来愈广,在各类民用控制、工业控制以及航空航天技术方面,也有所体现。比如在很多工作场合,元器件工作温度指标达不到工业级或普军级温度要求,为了满足此要求,论文提出了基于MSP430单片机,运用LM35温度传感器开发的温控系统,系统具有体积小、低功耗、可靠性高、低成本的特点。
1 低功耗温控系统方案设计
温控电路由传感器电路、信号调理电路、A/D采样电路、单片机系统、输出控制电路、温度调节电路构成。电路基本工作原理:传感器电路将感受到的温度信号以电压形式输出到信号调理电路,信号经过调理后输入到A/D采样电路,由A/D转换器将数字量值送给单片机系统,单片机系统根据设计的温度要求判断温度调节电路是否投入工作。文中设计时以0℃为判别依据,当温度量值低于或等于0℃时,温度调节电路进行加温通。当温度量值高于0℃时,电路停止工作。
2.1 传感器电路设计
2.1.1 温度传感器的选择
LM35是National Semiconductor所生产的温度传感器,它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围,LM35比按绝对温标校准的线性温度传感器优越行较好。因而,从使用角度来说,LM35无需外部校准或微调,可以提供±1/4℃的常用温度精度。
1)工作电压:直流4~30 V;
2)工作电流:小于133μA;
3)输出电压:-1.0~+6 V;
4)输出阻抗:1 mA负载时0.1 Ω;
5)精度:0.5℃精度(在+25℃时);
6)漏泄电流:低功耗,小于60μA;
7)比例因数:线性+10.0 mV/℃;
8)非线性值:±1/4℃;
9)校准方式:直接用摄氏温度校准;
10)封装:密封TO-46晶体管封装或塑料T0~92晶体管封装;
11)使用温度范围:-55~+150℃额定范围。
2.1.2 传感器电路设计
传感器电路采用核心部件是LM35AH,电路如图2所示,电压输出采用差动信号方式,由2、3引脚直接输出,电阻R为18 kΩ普通电阻,D1、D2为1N4148。
2.2 信号调理电路设计
信号调理电路主要完成对传感器信号放大、滤波和限幅的功能,低功耗系统的输入通道中采用的前置放大器是TI公司的OPA349。电路如图3所示,该电路除了放大功能,还具有滤波功能,消除无关的交流分量。
2.3 电源模块设计
由于MSP430型单片机是低功耗的单片机,采用3 V供电,要用专用的电源模块来对单片机进行供电,故系统单片机的供电模块是德州仪器公司的TPS76301,这个电源模块是表面贴片式的,输出电压连续可调,可以输出1.6~5.0 V的电压。只有5个管脚。它可以提供150 mA的电流,电路如图4所示。
其中,电阻R1和R2上的电流必须是7μA左右,R1选用187 kΩ,R2选择169 kΩ。
2.4 液晶模块设计
LCD用于实时显示系统测量值,根据要求系统选用了MG-12232液晶模块,该模块供电电压设计为3 V的低功耗环境,驱动芯片采用SED15 20F9A,具体连接电路如图5所示。MSP430单片机通过P5口与MG-12232的数据总线进行连接。
本系统的软件设计使用的是适用于MSP430系列的C语言,这种C语言与标准C语言兼容程度很高。开发平台使用的是IAR公司专为MSP430系列提供的集成调试环境Embedded Workbench和C语言调试器C-SPY,运用模块化程序设计思路,进行温控系统的程序开发,系统软件流程图如图6所示。程序主要由主模块、初始化模块、AD数据采样处理模块、LCD模块操作、温控电路调节模块等部分构成。
基于LM35开发的温控系统经过反复试验、测试,工作稳定可靠,具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。该系统成本低廉,器件均为常规元件,有很高的工程价值。
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