隨著時代的發(fā)展，科學技術也不斷進步，新的科學技術在各個領域里廣泛應用。高等教育是培養(yǎng)高水平人才的重要途徑，但目前某些教學內容還比較落后，并沒有跟上現代科技的發(fā)展。在高等教育的課程中引入更多的現代技術，有利于對人才的培養(yǎng)。本文介紹一種應用MSP4 30單片機測量溫度的方法，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學中相對落后的熱敏電阻結合電流表的實驗方法。

溫度的測量與控制實驗?主要包括溫度的采集、數據的處理、加熱的控制等步驟。實驗中使用了PT100溫度傳感器來采集溫度信號，并通過AD轉換和PID算法來處理和控制溫度。實驗系統(tǒng)使用直流穩(wěn)壓電源供電，采用PWM方式調節(jié)功率，并通過光耦將控制電路與加熱電路隔離，確保安全?1。

實驗目的

?設計并制作一套能在30°C到80°C范圍內實現溫度測量與控制的電路系統(tǒng)?。

?記錄溫度在30°C~60°C范圍內每變化5°C對應的模擬電壓值?。

?以數字方式顯示溫度值?。

?將電熱元件溫度穩(wěn)定地控制在40°C和60°C，并分別用LED指示燈指示升溫中和溫度達到的狀態(tài)??1。

實驗步驟和設備

?溫度采集?：使用PT100溫度傳感器采集溫度信號，輸出一個電壓信號。

?數據處理?：將采集到的電壓信號輸入到G2553系統(tǒng)，通過AD轉換及換算公式輸出PWM控制信號。

?加熱控制?：采用PWM方式調節(jié)功率，通過PID算法處理數據，控制開關管導通和斷開，實現溫度的穩(wěn)定控制?1。

實驗結果與分析

?溫度設定與控制?：系統(tǒng)能夠設定溫度值，并通過PID控制參數調整，實現溫度的穩(wěn)定控制。

?誤差分析?：系統(tǒng)靜態(tài)誤差小于1°C，滿足設計要求。

?顯示與記錄?：采用雙三位LED數碼管顯示溫度值，并可通過微型打印機記錄溫度給定值及水溫實測值?2。

1 溫度測量部分

用于測量溫度的溫度敏感元件有很多種，比如熱電偶、熱敏電阻、集成溫度傳感器、數字溫度傳感器等等。本系統(tǒng)采用的是熱敏電阻。熱敏電阻由對溫度非常敏感的半導體陶瓷質工作體構成。與一般常用的金屬電阻相比，它有較大的電阻溫度系數，可以獲得較高的溫度分辨率。不同材料制成的熱敏電阻適用的測溫范圍不同，如CuO和MnO2制成的熱敏電阻適用于-70~120℃，適于測量體溫。溫度是模擬量，要把被測的模擬量轉換成數字量，以供單片機處理。為了節(jié)約成本，可以通過斜率A/D轉換來實現模數轉換。斜率A/D轉換是利用外接電容的充電和放電來實現的。電路連接如圖1所示。

圖1 電阻測量示意圖

應用MSP430的比較器(Comparator_A)和定時器(Timer_A)，可以測量熱敏電阻的阻值。根據阻值和溫度的對應關系可以得出待測的溫度，實現A/D轉換。將Comparator_A的CA0端接外部信號，CA1端接內部參考電壓0.25Vcc.Timer_A工作在捕獲模式，下降沿捕獲，通過CCI1B捕獲CAOUT.先使P1.2端口輸出高電平，通過Rref給電容C6充電。充電完畢時，CA0端電壓高于CA1端電壓，CAOUT輸出1.讀Timer_A的計數值t0,t0=TAR.然后再使P1.2端口輸出低電平，電容C6通過Rref放電，當CA0端電壓降至0.25Vcc時，Comparator_A輸出翻轉，CAOUT輸出0,Timer_A通過CCI1B捕獲到下降沿，觸發(fā)定時器中斷，讀出捕獲值CCR1,t1=CCR1.C6通過Rref放電到0.25Vcc的時間time_ref=t1-t0.再對熱敏電阻Rsens充電和放電，同樣測出C6通過Rsens放電到0.25Vcc的時間time_sens.由下面的公式可以計算出熱敏電阻(Rsens)的阻值。

2 溫度顯示部分

MSP430F413帶有液晶驅動電路和顯示緩存，通過對顯存中各位的置位和復位來使得液晶屏上對應的段顯示或消失，將斜率轉換后得到的數據發(fā)送到顯存，就可以在液晶屏上顯示出測得的溫度。MSP430有4種驅動方式，選用哪種驅動方式由需要驅動的液晶段數以及液晶屏的管腳和液晶屏內部電極的排布決定。本系統(tǒng)采用的液晶屏是大連東顯電子有限公司生產的EDS812液晶顯示屏。該顯示屏可以顯示3位數字，有24個管腳，其中1個公共極管腳，23個段極管腳。由于該液晶屏只有1個公共極，只能采用靜態(tài)驅動方式。根據圖2和表1所示的對應關系連接MSP4 30和EDS812,并將數據寫入顯存，即可顯示出測得的溫度。

圖2 顯存、液晶段、MSP430管腳的對應關系

表1 EDS812的管腳

3 鍵盤控制部分

鍵盤是人機對話的輸入設備，通過鍵盤可以設置系統(tǒng)參數，控制系統(tǒng)運行。單片機應用系統(tǒng)的鍵盤可采用非行列式鍵盤和行列式鍵盤。非行列式鍵盤的硬件電路和執(zhí)行軟件都比較簡單，消耗CPU資源少，但只適用于按鍵較少的情況。本系統(tǒng)只有一個電源開關鍵和一個溫度測量鍵，適于采用非行列式鍵盤。本系統(tǒng)采用輕觸按鍵，它是通過開關狀態(tài)來實現其功能的。在實際應用中，單片機的運行速度相對于操作者按鍵的速度來說是非常快的，這樣就必須考慮按下按鍵前后的抖動問題。本系統(tǒng)采用軟件延時來消除抖動，即當系統(tǒng)檢測到有按鍵按下時，經過20 ms再次檢測是否該按鍵被按下。如果檢測到該按鍵確實被按下，則執(zhí)行該按鍵對應的功能;如果沒有檢測到該按鍵被按下，則繼續(xù)保持待機狀態(tài)。

4 結語

利用以上系統(tǒng)可以精確地測得溫度。不同學?？梢愿鶕唧w的教學要求在硬件連接、軟件設計等方面制定具體的實驗步驟。通過該實驗使學生將基礎課的教學階段初步掌握單片機、傳感器、集成電路的應用。由本系統(tǒng)構成的實驗儀器和傳統(tǒng)的實驗儀器相比較應用了更多的現代科學技術，也更接近實際的儀器設備，可以使學生將學校中學到的知識更好地應用到實際工作當中。