工業(yè)用便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計設計
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當AD7705工作電壓為3V，片內可編程放大器增益設置為1時，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℃）的輸出熱電動勢變化為38μV～81μV／℃，大于AD7705的最小分辨電壓。所以，系統(tǒng)的分辨率可達到1℃，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測量要求。由于AD7705可直接對－0.6175V～0.6175V電壓進行模數(shù)轉換，因此，當熱電偶測量小于0℃的溫度且熱電動勢小于0V時，它不需額外的電路也能正常工作。
AD589是AD7705的電壓參考源。AD589是價格低廉的雙端器件，它能提供帶有溫度補償特性的1.235V帶隙參考電壓輸出。其片內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測量冷端溫度
AD7416是一個完整的單片溫度監(jiān)控系統(tǒng)，其測溫范圍為－55℃～125℃。該器件內含一個帶隙溫度傳感器和一個10位A／D轉換器，其中A／D轉換器用于監(jiān)控溫度并將溫度值數(shù)字化，可達到0.25℃的分辨率。本文介紹的數(shù)字溫度計選用AD7416來測量本地溫度，并可在熱電偶參比端溫度不為0℃時，輸出所需補償?shù)碾妷褐怠?
2.4 控制和顯示電路
MSP430F413是德州儀器公司生產的一款超低功耗單片機，其電壓范圍為1.8～3.6V，由于MSP430F413片內包含多種功能模塊（如鎖頻環(huán)路、定時器、看門狗、比較器、液晶驅動電路和輸入輸出端口等），因此可適合不同應用場合的需要。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相連以構成三線接口。當P1.3為低時，選中AD7705以完成啟動A／D轉換、校準、讀取數(shù)據(jù)的功能。一旦A／D轉換結束，即可由P1.7讀到DRDY引腳的電平變化，從而使系統(tǒng)作出應用反應。通過P6.5、P6.4與AD7416構成的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，還可以驅動具有四個COM口的24個段引腳的液晶模塊。在本設計中，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1MΩ電阻分壓器可為液晶顯示提供參考偏置電壓。每個字符的尺寸為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、P1.2三個引腳上分別接一個按鍵，可設置為中斷方式，并通過這三個按鍵設置系統(tǒng)的采樣時間間隔、門限值以及控制系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)或工作狀態(tài)。
單片機的時鐘信號由32.768kHz晶振和片內振蕩電路產生，因此，降低了功耗?？撮T狗電路可保證程序長時間的正常運行。
若系統(tǒng)每10秒采集一次數(shù)據(jù)，則整個系統(tǒng)一周期內的平均電流為103.2μA。如果整個系統(tǒng)使用3V／1Ah的電池供電，系統(tǒng)可以連續(xù)工作13個月。如果降低數(shù)據(jù)采集頻率，還可以進一步延長電池壽命。
3、軟件及系統(tǒng)實驗
本數(shù)字溫度計系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集程序、定時器中斷服務程序（入口地址為0FFE0h，優(yōu)先級為0）、看門狗中斷服務程序（入口地址為0FFF4h，優(yōu)先級為10）、按鍵中斷服務程序（入口地址為0FFE8h，優(yōu)先級為4）、液晶顯示程序和熱電偶分度表數(shù)據(jù)組成。
系統(tǒng)中的單片機工作時處于激活模式，工作間隙可設定為低功耗模式2以降低功耗，達到延長電池壽命之目的。
由于MSP430F413片內的ROM只有8k字節(jié)，它不可能完全存儲分度表的數(shù)據(jù)，因此，在一定的誤差范圍內，對于近似線性部分，可以用折線段分段逼近。對于曲率較大的曲線部分，則可用切比雪夫近似表達式編程計算。
由于在工業(yè)環(huán)境中，被測環(huán)境溫度和本地溫度不會發(fā)生突變，因此，可以每隔一段時間間隔對溫度進行一次測量顯示。數(shù)據(jù)采集程序的算法具有自適應特性，因此，當某一溫度在單位時間間隔內變化超過設定的門限值時，MSP430F413將縮短采樣時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)出聲光報警信號。實驗表明，AD7416的靈敏度較高，并可對本地溫度數(shù)據(jù)采用平滑濾波的方法來減小誤差。
MSP430F413單片機的程序可用C語言編寫，該程序具有很強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器代碼。IAREmbedded Workbench系統(tǒng)軟件中包含有MSP430F413單片機頭文件msp430x41x.h和in430.h，文件中定義了片內的特殊功能寄存器名稱、工作模式、輸入輸出寄存器、定時器、系統(tǒng)時鐘、電源管理、比較器、液晶顯示寄存器、看門狗定時器、中斷向量和庫函數(shù)。利用計算機可通過MSP430 Flash Emulation Tool的JTAG接口將程序代碼寫入片內Flash ROM中。由于MSP430F413單片機的JTAG接口支持在線編程，因此，編寫程序非常方便，同時也很容易對現(xiàn)有的程序進行升級。
系統(tǒng)的主流程圖和定時器中斷服務程序數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)主流程和定時器中斷服務程序數(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。由于應用中使用數(shù)字化不可能完全消除誤差，因此，測量溫度時還要注意消除由冷端溫度或冷端補償產生的誤差以及連接補償導線的誤差，同時應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提高精度。
本系統(tǒng)以MSP430F413、AD7705為核心實現(xiàn)了低功耗高精度便攜式溫度計的設計。對于便攜式儀器，本設計實現(xiàn)了低成本寬測溫范圍條件下的低功耗高精度要求，具有一定的實用價值。目前此電路已投入應用，實踐表明，整個便攜式低功耗高精度數(shù)字溫度計使用方便，工作穩(wěn)定，待機時間長，具有廣闊的應用前景。 數(shù)字濾波器相關文章:數(shù)字濾波器原理 網(wǎng)線測試儀相關文章:網(wǎng)線測試儀原理 熱電偶相關文章:熱電偶原理
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