工業(yè)用便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)
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當(dāng)AD7705工作電壓為3V，片內(nèi)可編程放大器增益設(shè)置為1時(shí)，A／D的精度為16位，最小分辨電壓為37.69μV（1.235V×2／65536）。而熱電偶每變化1℃（－150℃～1000℃）的輸出熱電動(dòng)勢(shì)變化為38μV～81μV／℃，大于AD7705的最小分辨電壓。所以，系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到1℃，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)量要求。由于AD7705可直接對(duì)－0.6175V～0.6175V電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此，當(dāng)熱電偶測(cè)量小于0℃的溫度且熱電動(dòng)勢(shì)小于0V時(shí)，它不需額外的電路也能正常工作。
AD589是AD7705的電壓參考源。AD589是價(jià)格低廉的雙端器件，它能提供帶有溫度補(bǔ)償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內(nèi)元件匹配和熱跟蹤特性使AD589具有很高的穩(wěn)定性。此外，AD589的輸出阻抗比普通的低溫度系數(shù)齊納二極管低10倍，因此，即使負(fù)載發(fā)生變化，該電路也可以在無需外部器件的情況下維持很高的精度。
2.3 用AD7416測(cè)量冷端溫度
AD7416是一個(gè)完整的單片溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其測(cè)溫范圍為－55℃～125℃。該器件內(nèi)含一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)10位A／D轉(zhuǎn)換器，其中A／D轉(zhuǎn)換器用于監(jiān)控溫度并將溫度值數(shù)字化，可達(dá)到0.25℃的分辨率。本文介紹的數(shù)字溫度計(jì)選用AD7416來測(cè)量本地溫度，并可在熱電偶參比端溫度不為0℃時(shí)，輸出所需補(bǔ)償?shù)碾妷褐怠?
2.4 控制和顯示電路
MSP430F413是德州儀器公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機(jī)，其電壓范圍為1.8～3.6V，由于MSP430F413片內(nèi)包含多種功能模塊（如鎖頻環(huán)路、定時(shí)器、看門狗、比較器、液晶驅(qū)動(dòng)電路和輸入輸出端口等），因此可適合不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。它的低功耗和低電壓特性特別適用于電池供電的便攜式儀器。MSP430F413通過P1.4、P1.5、P1.6分別與AD7705的SCLK、DIN、DOUT相連以構(gòu)成三線接口。當(dāng)P1.3為低時(shí)，選中AD7705以完成啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)、讀取數(shù)據(jù)的功能。一旦A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，即可由P1.7讀到DRDY引腳的電平變化，從而使系統(tǒng)作出應(yīng)用反應(yīng)。通過P6.5、P6.4與AD7416構(gòu)成的I2C總線可以采集本地溫度數(shù)據(jù)。
MSP430F413的P3、P4、P5口均有第二功能作用，它們除作為普通的I／O口外，還可以驅(qū)動(dòng)具有四個(gè)COM口的24個(gè)段引腳的液晶模塊。在本設(shè)計(jì)中，其顯示部分采用六位筆段式液晶顯示器。引腳R33、R23、R13和R03間的三個(gè)1MΩ電阻分壓器可為液晶顯示提供參考偏置電壓。每個(gè)字符的尺寸為15mm×10mm，因此可方便地在一定距離上讀出數(shù)據(jù)。
此外，在P1.0、P1.1、P1.2三個(gè)引腳上分別接一個(gè)按鍵，可設(shè)置為中斷方式，并通過這三個(gè)按鍵設(shè)置系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔、門限值以及控制系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)或工作狀態(tài)。
單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)由32.768kHz晶振和片內(nèi)振蕩電路產(chǎn)生，因此，降低了功耗?？撮T狗電路可保證程序長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行。
若系統(tǒng)每10秒采集一次數(shù)據(jù)，則整個(gè)系統(tǒng)一周期內(nèi)的平均電流為103.2μA。如果整個(gè)系統(tǒng)使用3V／1Ah的電池供電，系統(tǒng)可以連續(xù)工作13個(gè)月。如果降低數(shù)據(jù)采集頻率，還可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。
3、軟件及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
本數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFE0h，優(yōu)先級(jí)為0）、看門狗中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFF4h，優(yōu)先級(jí)為10）、按鍵中斷服務(wù)程序（入口地址為0FFE8h，優(yōu)先級(jí)為4）、液晶顯示程序和熱電偶分度表數(shù)據(jù)組成。
系統(tǒng)中的單片機(jī)工作時(shí)處于激活模式，工作間隙可設(shè)定為低功耗模式2以降低功耗，達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命之目的。
由于MSP430F413片內(nèi)的ROM只有8k字節(jié)，它不可能完全存儲(chǔ)分度表的數(shù)據(jù)，因此，在一定的誤差范圍內(nèi)，對(duì)于近似線性部分，可以用折線段分段逼近。對(duì)于曲率較大的曲線部分，則可用切比雪夫近似表達(dá)式編程計(jì)算。
由于在工業(yè)環(huán)境中，被測(cè)環(huán)境溫度和本地溫度不會(huì)發(fā)生突變，因此，可以每隔一段時(shí)間間隔對(duì)溫度進(jìn)行一次測(cè)量顯示。數(shù)據(jù)采集程序的算法具有自適應(yīng)特性，因此，當(dāng)某一溫度在單位時(shí)間間隔內(nèi)變化超過設(shè)定的門限值時(shí)，MSP430F413將縮短采樣時(shí)間間隔以加快采樣頻率，并通過蜂鳴器U1和發(fā)光二極管D1發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，AD7416的靈敏度較高，并可對(duì)本地溫度數(shù)據(jù)采用平滑濾波的方法來減小誤差。
MSP430F413單片機(jī)的程序可用C語言編寫，該程序具有很強(qiáng)的可讀性和可移植性。用IAR公司的IAREmbedded Workbench和IARC－SPYdebugger可以將程序編譯成機(jī)器代碼。IAREmbedded Workbench系統(tǒng)軟件中包含有MSP430F413單片機(jī)頭文件msp430x41x.h和in430.h，文件中定義了片內(nèi)的特殊功能寄存器名稱、工作模式、輸入輸出寄存器、定時(shí)器、系統(tǒng)時(shí)鐘、電源管理、比較器、液晶顯示寄存器、看門狗定時(shí)器、中斷向量和庫(kù)函數(shù)。利用計(jì)算機(jī)可通過MSP430 Flash Emulation Tool的JTAG接口將程序代碼寫入片內(nèi)Flash ROM中。由于MSP430F413單片機(jī)的JTAG接口支持在線編程，因此，編寫程序非常方便，同時(shí)也很容易對(duì)現(xiàn)有的程序進(jìn)行升級(jí)。
系統(tǒng)的主流程圖和定時(shí)器中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)主流程和定時(shí)器中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集流程圖
該系統(tǒng)的精度和分辨率主要取決于傳感器及A／D芯片的精度和分辨率。由于應(yīng)用中使用數(shù)字化不可能完全消除誤差，因此，測(cè)量溫度時(shí)還要注意消除由冷端溫度或冷端補(bǔ)償產(chǎn)生的誤差以及連接補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差，同時(shí)應(yīng)注意電路誤差和由于噪聲、絕緣電阻、熱電阻等引起的誤差等。根據(jù)實(shí)際需要，可采用高穩(wěn)定性的熱電偶和精度為1℃的本地溫度傳感器，這樣可以在一定的溫度范圍內(nèi)提高精度。
本系統(tǒng)以MSP430F413、AD7705為核心實(shí)現(xiàn)了低功耗高精度便攜式溫度計(jì)的設(shè)計(jì)。對(duì)于便攜式儀器，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低成本寬測(cè)溫范圍條件下的低功耗高精度要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。目前此電路已投入應(yīng)用，實(shí)踐表明，整個(gè)便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計(jì)使用方便，工作穩(wěn)定，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 數(shù)字濾波器相關(guān)文章:數(shù)字濾波器原理 網(wǎng)線測(cè)試儀相關(guān)文章:網(wǎng)線測(cè)試儀原理 熱電偶相關(guān)文章:熱電偶原理
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