系統(tǒng)所采用的傳感器是熱電阻傳感器鉑1000。鉑電阻是目前廣泛使用的精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠的測溫元件。但是,鉑電阻溫度傳感器使用時也有不便之處,比如,輸出信號非線性、信號弱、正負溫度的分辨率不同、模擬量輸出不能與單片機直接相連等。由于鉑電阻的非線性,在應(yīng)用時必須考慮非線性校正;由于儀表工作在小信號狀態(tài),抗干擾措施和合理電路工藝設(shè)計對整個儀表精度影響較大。設(shè)計時,嚴格將數(shù)字地與模擬地分開連接,再選一點共地,適當?shù)卦黾訑?shù)字濾波,這樣可以提高抗干擾能力。
1.4顯示、鍵盤模塊
LCD和鍵盤顯示是進行人機交互的重要手段。MSP430內(nèi)部有LCD驅(qū)動模塊,最大可驅(qū)動160段的LCD。采用4位8段低功耗模塊,這種LCD非常適合于要求功耗低的儀表(如電子水表、電表、煤氣表等)以及便攜式系統(tǒng)中。測溫儀面板上設(shè)置有2個手動鍵,1個功能鍵,1個確認鍵,以完成實時顯示、保存測量值和打印等功能。在按功能鍵的同時,LCD會有相應(yīng)的數(shù)值顯示,用戶可以讀出相關(guān)的信息,或者按確認鍵執(zhí)行相應(yīng)的功能。
1.5數(shù)據(jù)存儲模塊
MSP430F435外擴了2 kB的E2PROM,E2PROM通過I2C總線與單片機連接,用于保存采集的溫度值,以備打印機打印。
1.6打印機模塊
打印機選用北京煒煌科技的漢字微型打印機,與單片機串口直接相連,接口電路相對簡單,通過用軟件使其按指定的格式打印出溫度值。
1.7鍵盤模塊
便攜式測溫儀面板上設(shè)置了2個鍵,以完成實時顯示測量值和打印等功能。使用按鍵與單片機的I/O口線直接連接的方法構(gòu)成,采用查詢方式獲得按鍵值。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由溫度采集、低功耗設(shè)計、LCD顯示、讀寫E2PROM和打印處理5部分組成。本系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。
硬件初始化后,開始采集當前溫度值,檢測是否有按鍵按下。如果有按鍵按下,則執(zhí)行按鍵相對應(yīng)的功能,然后由LCD顯示程序顯示不同功能所對應(yīng)的信息。如果沒有任何按鍵按下,則顯示當前實測溫度值,等待用戶的下一步操作。如需打印測得的數(shù)據(jù),則進入打印處理程序。
2.1溫度采集
溫度數(shù)據(jù)采集采用單片機MSP430F435自帶的A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換的精度可達12位。MSP430單片機內(nèi)部提供了方便的A/D轉(zhuǎn)換器初始化寄存器,只需簡單地設(shè)置幾個A/D轉(zhuǎn)換器控制寄存器,就可完成對A/D轉(zhuǎn)換器的初始化。軟件設(shè)計的重點是溫度與熱電勢間非線性關(guān)系的線性化標度變換算法和關(guān)于傳感器溫度數(shù)據(jù)噪聲干擾的濾波算法。其中標度變換采用分段(每10 ℃分段)線性化的方法,提高了系統(tǒng)的測溫精度;而濾波采用中位值濾波算法。算法的具體實現(xiàn)過程是:首先連續(xù)采集15次,然后把15個溫度數(shù)據(jù)按由小到大的順序排列,取中位值作為本次采樣值。中位值濾波能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾。對溫度、液位等緩慢變化的被測參數(shù),采用此方法能收到良好的濾波效果。實際使用證明這樣的濾波算法可保證小數(shù)點后1位數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。
2.2低功耗
對于便攜式設(shè)備,設(shè)計時應(yīng)盡量降低功耗,使系統(tǒng)盡可能長時間停留在低功耗狀態(tài)。因此,考慮設(shè)備在適當?shù)臅r候自動關(guān)機。這里采用了一個定時器。當定時器大于0時,系統(tǒng)處于開機狀態(tài);當定時器倒數(shù)到0時,系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)并且關(guān)掉LCD模塊和A/D模塊。當處理器處于休眠狀態(tài)時,鍵盤程序就不好用了,處理器不會主動去掃描鍵盤。而鍵盤接在P1口,P1口具有外部中斷的功能,當處理器進入休眠狀態(tài)時打開按鍵中斷。當有按鍵按下時,CPU響應(yīng)外部中斷,系統(tǒng)被喚醒,回到正常工作模式。具體操作是:開機時,對定時器初始化一個大于0的值,并且在每按一次有效鍵時,系統(tǒng)重新初始化這個值。因此,當沒有按任何有效鍵時,3 min后就會自動關(guān)機,從而實現(xiàn)降低功耗的目的。
2.3 LCD顯示
LCD顯示部分的實現(xiàn)要與鍵盤處理程序相配合,根據(jù)不同功能顯示不同的信息。要實現(xiàn)LCD的正常顯示至少需要下面幾個重要步驟:選擇LCD驅(qū)動模式、制定相應(yīng)驅(qū)動模式下LCD的BCD碼顯示存儲表、設(shè)置LCD時鐘、設(shè)置通用I/O端口屬性和更新LCD顯示緩存區(qū)。本儀表選擇靜態(tài)LCD驅(qū)動模式,制定了0~F的BCD碼顯示存儲表,采用1 024 Hz的時鐘頻率,設(shè)置通用I/O口屬性為輸出,根據(jù)不同功能實時更新LCD顯示緩存區(qū)的內(nèi)容。
2.4其他部分
E2PROM模塊用于保存測量的溫度值和測量點。串行通信模塊用于實現(xiàn)測溫儀與打印機連接,打印測量的溫度值。這兩部分程序較簡單,這里不再敘述。 3測溫儀功能及主要技術(shù)性能
測溫儀功能如表1所示。當功能號為0、1時,用于確認保存當前測量點溫度值,然后自動轉(zhuǎn)到下一個測量點位置測量;當功能號為2時,用于顯示和保存記錄已經(jīng)測量的測量點位置;當功能號為3時,用于顯示已經(jīng)測量的測量點位置和清除上次測量的記錄;當功能號為4時,用于確認打印。
儀表分辨率可達0.1℃,測量誤差小于±0.1℃。MSP430系列單片機均為工業(yè)級器件,運行環(huán)境溫度為-40℃~85℃運行穩(wěn)定,可靠性高,所設(shè)計的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。所以該測溫儀可以用于測量高爐熱負荷水溫差測量,或者需要對連續(xù)多點的溫度測量場合。
4結(jié)束語
本文研制的便攜式低功耗便攜式測溫系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)存在的不足,具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、測量精度高、功耗低、便攜性好、功能齊全、適用場合廣泛等優(yōu)點。與其他測溫儀的突出不同之處在于,本系統(tǒng)采用新型低功耗16位單片機MSP430 F435作為整個系統(tǒng)的控制核心。由于采用了功能強大的MSP430單片機,本系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路與以往有較大差異。MSP430 F435有著豐富的外圍模塊,因此比較容易實現(xiàn)溫度信號的采集、處理、顯示、存儲及打印,從而使整個硬件電路得到極大的簡化。實際使用證明該測溫儀完全符合工廠應(yīng)用的需要,性能穩(wěn)定,可靠性高,設(shè)備操作簡單方便。
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