隨著時代的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也不斷進(jìn)步，新的科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域里廣泛應(yīng)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(xué)內(nèi)容還比較落后，并沒有跟上現(xiàn)代科技的發(fā)展。在高等教育的課程中引入更多的現(xiàn)代技術(shù)，有利于對人才的培養(yǎng)。本文介紹一種應(yīng)用MSP4 30單片機測量溫度的方法，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)中相對落后的熱敏電阻結(jié)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(diào)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?zāi)康?

?設(shè)計并制作一套能在30°C到80°C范圍內(nèi)實現(xiàn)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(nèi)每變化5°C對應(yīng)的模擬電壓值?。

?以數(shù)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(dá)到的狀態(tài)??1。

實驗步驟和設(shè)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(shù)據(jù)處理?：將采集到的電壓信號輸入到G2553系統(tǒng)，通過AD轉(zhuǎn)換及換算公式輸出PWM控制信號。

?加熱控制?：采用PWM方式調(diào)節(jié)功率，通過PID算法處理數(shù)據(jù)，控制開關(guān)管導(dǎo)通和斷開，實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制?1。

實驗結(jié)果與分析

?溫度設(shè)定與控制?：系統(tǒng)能夠設(shè)定溫度值，并通過PID控制參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)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(shè)計要求。

?顯示與記錄?：采用雙三位LED數(shù)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(shù)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(dǎo)體陶瓷質(zhì)工作體構(gòu)成。與一般常用的金屬電阻相比，它有較大的電阻溫度系數(shù)，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(zhuǎn)換成數(shù)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(zhuǎn)換來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。斜率A/D轉(zhuǎn)換是利用外接電容的充電和放電來實現(xiàn)的。電路連接如圖1所示。

圖1 電阻測量示意圖

應(yīng)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(jù)阻值和溫度的對應(yīng)關(guān)系可以得出待測的溫度，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。將Comparator_A的CA0端接外部信號，CA1端接內(nèi)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(shù)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(dāng)CA0端電壓降至0.25Vcc時，Comparator_A輸出翻轉(zhuǎn)，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(qū)動電路和顯示緩存，通過對顯存中各位的置位和復(fù)位來使得液晶屏上對應(yīng)的段顯示或消失，將斜率轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)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(qū)動方式，選用哪種驅(qū)動方式由需要驅(qū)動的液晶段數(shù)以及液晶屏的管腳和液晶屏內(nèi)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(chǎn)的EDS812液晶顯示屏。該顯示屏可以顯示3位數(shù)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(qū)動方式。根據(jù)圖2和表1所示的對應(yīng)關(guān)系連接MSP4 30和EDS812,并將數(shù)據(jù)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(yīng)關(guān)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(shè)備，通過鍵盤可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，控制系統(tǒng)運行。單片機應(yīng)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(guān)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(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)其功能的。在實際應(yīng)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?？斓?，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(dāng)系統(tǒng)檢測到有按鍵按下時，經(jīng)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(yīng)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(jié)語

利用以上系統(tǒng)可以精確地測得溫度。不同學(xué)校可以根據(jù)具體的教學(xué)要求在硬件連接、軟件設(shè)計等方面制定具體的實驗步驟。通過該實驗使學(xué)生將基礎(chǔ)課的教學(xué)階段初步掌握單片機、傳感器、集成電路的應(yīng)用。由本系統(tǒng)構(gòu)成的實驗儀器和傳統(tǒng)的實驗儀器相比較應(yīng)用了更多的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，也更接近實際的儀器設(shè)備，可以使學(xué)生將學(xué)校中學(xué)到的知識更好地應(yīng)用到實際工作當(dāng)中。