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基于MSC1201的温度控制系统设计

时间:07-30 来源:互联网 点击:

 1 引言

  随着现代控制技术的发展,在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集,在一些重要场合对数据采集的要求更高,例如在电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集,而温度采集又是其中极为重要的部分,因此,需要一种高精度、低成本的数据采集与控制系统。

  为了方便地实现温度采集与控制系统,笔者选用MSC1201作为系统的MCU。MSC1201是的德州仪器(TI)新推出的一款低噪声、低成本数据采集微处理器,它具有的增强型8051内核,执行速度比标准8051内核快3倍,而功耗却更低,MSC1201中的ADC的防噪性能为75nV,比市场上大多数独立式ADC都好,此外,MSC1201的ADC还可在功耗仅为3mV时达到1ks/s的采样速率,因此,搭配合适的信号拾取元件就能组成一种性能优异的数据采集控制系统。

  笔者设计的恒温箱温度控制系统的结构框图如图1所示。该恒温箱主要用于电子设备的高温实验。通过小键盘设定实验温度和时间,达到定时后并能发出警告,箱体打开后启动风扇散热,为了使温度控制更加准确,在箱体内采用多点测温,同时为了保证电子设备的均匀受热,设计中采用步进电机带动托盘使待测物在箱内转动,并在定时结束时停止转动。在恒温箱工业时,箱内温度通过数码管显示。定时剩余时间也通过数码管显示。
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2 MSC1201型微处理器

  本设计采用TI的MSC1201型微处理器作为主处理器,MSC1201的封装形式为QFN-36,在3V供电时功耗为3mW。具有工业级的工业温度范围即-40℃-+125℃。

  模拟特性包括数据采集精度达到24位无损采集,工业频率为10Hz时有效分辨达到22位;片内可编程增益控制,最高可将信号放大128倍;工作噪声为75nV,片内提供精确的参考电压,具有偏差校正功能,片上温度传感器可以快速方便地组成检测系统,极小的偏差漂移(0.02ppm/℃),放大漂移(0.5ppm/℃)使得系统具有较强的温度适应能力。

  数字功能包括具有与8051兼容的增强型处理器内核;拥有1KB自举ROM、256字节数据SRAM、4KB闪存具有安全保护措施;存储器读/写循环可达100万次,保存100年。

  外部特征包括有16个通用I/O引脚、1个32位累加器、2个16位定时/计数器、可编程看门狗定时器、全双工USART、SPI、I2C接口;空闲状态下消耗电流小于200μA,停止状态下电流小于100nA;中断源多达20个,可以满足一般工业现场的控制要求。MSC201的结构框图如图2所示。
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3 温度采集系统的硬件组成

  通常,为了组成一种温度控制系统,采用如图3所示的模块化设计。
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由图3可见,从传感器到CPU还有许多环节需要系统设计者来设计。但是采用MSC1201型微处理器后许多环节就可以省略。如图中虚线包含的部分,处理器自身已经包含这些中间处理过程,只要设置相关寄存器就可以调整它们的参数。

3.1 温度传感器

  在许多温度采集系统中用热敏电阻器作为测温器件,然后通过查表或附加电路得到输出电压与温度的关系,查表需要一段存储空间来保存表格数据且会增加代码长度,因此使用热敏电阻器的成本较高。另一方面,由于热敏电阻器输出的非线性使其高温段和低温段的测量误差变化较大,而在多点测量时对每一种器件都要单独调零,因而在应用时有许多局限。

  在笔者设计的温度检测系统中,采用ADI公司的AD590型温度传感器作为温度测量元件,AD590是电流型传感器,当电源电压为4V-30V使流经器件的电流随温度的变化而变化。其温度变化规律为1μA/K,表示以K氏温度衡量温度,温度变化1℃电流变化1μA,这种线性变化的规律给应用带来很大方便,应用AD590时电源电压的变化也会影响电流输出,但电源电压高时影响会小一些,因此电源电压适当调高,图4示出AD590与MSC1201的连接,其中,
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从(1)式可以看出,AD590输出电压与温度的关系,如果选择(R1+VR1)=10KΩ,那么可得下式:"
闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涘┑鐐村灍閹崇偤宕堕浣镐缓缂備礁顑呴悘婵嬫倵椤撶喍绻嗛柕鍫濈箳閸掍即鏌涢悤浣镐簽缂侇喛顕ч埥澶娢熻箛鎾剁Ш闁轰焦鍔欏畷銊╊敊鐠侯煈鏀ㄧ紓鍌氬€风粈渚€顢栭崟顖涘殑闁告挷鐒﹂~鏇㈡煙閹规劦鍤欑痪鎯у悑閹便劌顫滈崱妤€骞嬮梺绋款儐閹瑰洭骞冨⿰鍫熷殟闁靛鍎崑鎾诲锤濡や胶鍙嗛梺鍝勬处濮樸劑宕濆澶嬬厵闁告劘灏欓悞鍛婃叏婵犲嫮甯涢柟宄版嚇瀹曘劍绻濋崒娑欑暭闂傚倷娴囧畷鐢稿窗閸℃稑纾块柟鎯版缁犳煡鏌曡箛鏇烆€屾繛绗哄姂閺屽秷顧侀柛鎾寸懇椤㈡岸鏁愰崱娆戠槇濠殿喗锕╅崢鍏肩濠婂懐纾奸柣鎰靛墮椤庢粌顪冪€涙ɑ鍊愮€殿喗鐓¢、妤呭礋椤戣姤瀚奸梻浣告贡鏋繛鎾棑缁骞樼€靛摜顔曢柣鐘叉厂閸涱厼鐓傞梺杞扮閻楀﹥绌辨繝鍥ч柛娑卞枛濞呫倝姊虹粙娆惧剬闁告挻绻勯幑銏犫攽閸モ晝鐦堥梺绋挎湰缁嬫垵鈻嶉敐鍜佹富闁靛牆绻掗崚浼存煏閸喐鍊愭鐐插暞缁傛帞鈧絽鐏氶弲顒€鈹戦悙鏉戠仸閽冮亶鎮归崶鈺佷槐婵﹨娅i幏鐘诲灳閾忣偆浜堕梻浣藉吹閸o附淇婇崶顒€绠查柕蹇曞Л閺€浠嬫倵閿濆簼绨介柛濠勫仱濮婃椽妫冨ù銈嗙洴瀹曟﹢濡搁妷顔藉枠濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴f閺嬩線鏌熼梻瀵割槮缁炬崘顫夐妵鍕冀椤愵澀绮堕梺缁樺笒閻忔岸濡甸崟顖氱闁瑰瓨绻嶆禒鑲╃磼閻愵剙鍔ゆい顓犲厴瀵鎮㈤悡搴n槶閻熸粌绻掗弫顔尖槈閵忥紕鍘介梺瑙勫劤椤曨厼煤閹绢喗鐓欐い鏃傜摂濞堟粓鏌℃担鐟板闁诡垱妫冮崹楣冩嚑椤掍焦娅﹀┑鐘垫暩婵參骞忛崘顔肩妞ゅ繐鍟版す鎶芥⒒娓氣偓閳ь剚绋撻埞鎺楁煕閺傝法肖闁瑰箍鍨归埞鎴犫偓锝庝簻缁愭稑顪冮妶鍡樼闁瑰啿绉瑰畷顐⑽旈崨顔规嫽婵炶揪绲介幉锛勬嫻閿熺姵鐓欓柧蹇e亝鐏忕敻鏌嶈閸撴艾顫濋妸锔芥珷婵°倓鑳堕埞宥呪攽閻樺弶鎼愮紒鐘垫嚀闇夐柨婵嗙墕閳ь兛绮欐俊鎼佸煛閸屾粌寮抽梻浣告惈閸熺娀宕戦幘缁樼厱閹艰揪绱曢敍宥囩磼鏉堚晛浠辨鐐村笒铻栧ù锝呭级鐎氫粙姊绘担鍛靛綊寮甸鍕仭闁靛ň鏅涚粈鍌溾偓鍏夊亾闁告洦鍓涢崢鐢告⒑閹勭闁稿鎳庨悾宄扮暆閳ь剟鍩€椤掑喚娼愭繛鍙夌矒瀵偆鎷犲顔兼婵炲濮撮鎰板极閸ヮ剚鐓熼柟閭﹀弾閸熷繘鏌涢悙鍨毈婵﹦绮幏鍛存嚍閵壯佲偓濠囨⒑闂堚晝绉剁紒鐘虫崌閻涱喛绠涘☉娆愭闂佽法鍣﹂幏锟�...
图4中R1与VR1串联,通过调节VR1的阻值来获得10kΩ的电阻值。没有直接使用10kΩ的电阻器是为了提高系统测量精度。
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由于温度检测的后级接收差分信号输入,因此只需要在差分输入的负端引入2.732V参考电压即可得到随摄氏温度线性变化的输出电压。如图4所示,调节VR3阻值使在AIN1、AIN3引脚上具有2.732V电压即可生成随摄氏温度线性变化的输入信号。若设计的后级是单端输入,则只需在校正单元减去2.732V即可。

3.2 多路选择开关

输入多路选择开关属于MSC1201的内置功能模块,可以接收差分输入。如图2所示,如果AIN0选作差分输入的正端输入,则其他任意通道可以作为差分信号的负端输入,并可通过交换差分输入的正负端来消除误差

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