基于MSP430F149单片机的温度变送器设计Word文件下载.docx
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Thearticlebrieflydescribesthestructure,featuresandfunctionsoftheMSP430F149microcontroller,viatheelaborateofthetemperaturesensor,themicrocontroller’spinassignments,thedesignofperipheralcircuit,thesignal’sconvert,amplificationandconditioningandotherparts,Wehavecompletedthedesignofthehardwarestructurebasedonthemicrocontroller'
scontrolsystem,toachievethefunctionoftemperaturetransmitter。
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Keywords:
MCUMSP430F149;
amplifyingcircuit;
AD/DA;
4—20mA
1前言
在工业生产中,温度测量具有极其重要的作用,因此出现了各种温度测量方法和设备,其中常见的测量设备是热电阻和热电偶温度传感器。
同时,为了便于信号的传送,通常在温度传感器中安装一个温度变送器。
温度变送器工作原理叙述如下:
通电后温度传感器将温度信号变化为电信号送到放大电路中,信号经放大后然后通过A/D变换送入单片机中经过简单的处理后再能过D/A转换以标准的电流0-10mA或4-20mA的模拟信号输出,或者是通过一定的通信方式与上位进行通信。
本文以MSP430F149单片机为核心,完成了4—20mA标准信号输出的温度变送器设计。
2总体设计
2。
1MSP430F149单片机
1.1单片机简介
MSP430是德州公司开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机。
它采用16位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.可在线对单片机进行调试和下载,且JTAG口直接和FET相连,不须另外的仿真工具,方便实用。
由于其16位的体系结构,16位的CPU集成寄存器和常数发生器,可使MSP430实现了最大化的代码效率。
数字控制振荡器使所有低功率模式唤醒到运行模式小于6us的唤醒时间。
MSP430系列可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右),可靠性能好,加强电干扰运行不受影响,适应工业级的运行环境。
MSP430x14x系列具有统一的中断管理,是有两个内置16位定时器,一个快速12位A/D转换器,一或两个通用串行同步/异步通信接口(USART)和48个I/O引脚构造的微控制器。
典型应用包括传感系统,捕获模拟信号转换成数字值,处理并发送数据到主系统。
定时器令MCU配置适合于数字电机控制,EE仪表,手持仪表等的工业控制应用。
硬件乘法器增强了性能,并提供一个代码与硬件广泛兼容的系列解决方案。
2.1.2引脚分配
图1MSP430F149引脚图
本文仅对设计中用到的引脚进行介绍,如下表。
表1单片机引脚分配
引脚名称
引脚编号
说明
AVCC
64
模拟电源,正端,仅供给模数转换器的模拟部分
AVSS
62
模拟电源,负端,仅供给模数转换器的模拟部分
DVCC
1
数字电源,正端,供给所有数字部分
DVSS
63
数字电源,负端,供给所有数字部分
P6.0/A0
59
普通数字I/O,模拟信号输入端
P5.1/SIMO1~P5.4/MCLK
45~48
普通数字I/O,接四位七段显示数码管位选端
XIN
8
低速晶体振荡器的输入端
XOUT/TCLK
9
低速晶体振荡器的输出端
P4。
0/TB0~P4。
7/TBCLK
36~43
普通数字I/O,接四位七段显示数码管段码端
P2。
0/ACLK~P2.7/TA0
20~27
通用数字I/O,接DA数据输入线
XT2IN
53
高速晶体振荡器输入端
XT2OUT
52
高速晶体振荡器输出端
P3。
6/UTXD1
34
普通数字I/O,发送数据输出–USART1/UART方式
7/URXD1
35
普通数字I/O,接收数据输入–USART1/UART方式
/NMI
58
复位输入
2.2电路总体设计
2.1系统框图
在本设计中,外界温度信号经传感器转换为毫伏级电压信号,经由放大电路放大为1-5V,通过降压处理传入单片机MSP430F149,单片机输出的数字信号由数模转换器DAC0832接收并转换为模拟小电流信号输出,DAC0832与运算放大器LM358配合使用输出0-2V电压信号,送入电压/电流转换器AD694,最终输出4—20mA的标准信号。
系统框图如下:
图2温度变送器设计系统框图
2.2.2单片机外围电路模块
本文仅对单片机的电源、复位、晶振、及显示模块作简要设计,如下图:
图3单片机外围电路模块
3单片机外围电路
3。
1电源电路
本系统中用到了+5V和+3。
3V的直流稳压电源,其中MSP430F149及部分外围器件需要+3.3V电源,另外某些部分需要+5V电源。
因此在电源设计中,以+5V直流电压为输入电压,+3.3V由+5V直接线性降压。
图4电源电路原理图
3.2复位电路
图5复位电路原理图
我们采用看门狗器件SP708实现手动复位。
SP708是一款微处理器外围监控型器件,可监控一些数字器件(微处理器,微控制器及存储体)供电状态。
该系列适用于需要对电源进行监控的便携式及电池供电型设备。
使用该器件,可以有效地减少系统内部组件数量及降低复杂度.该系列产品的看门狗功能可持续对系统的工作状态进行监控。
手动复位()输入允许RESET可被外部按键触发。
开关可产生一个最低140ms的RESET脉冲。
与TTL/CMOS逻辑兼容,所以其可以驱动外部逻辑线路。
3.3晶振电路
对于MSP430系列,只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路.
低速晶振满足了低功耗及使用32768Hz晶振的要求。
在本电路中我们使用低频模式,晶振外接2个22pF的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。
高速晶振为MSP430F149工作在高频模式时提供时钟。
我们采用8MHz的晶振,外接2个22pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU。
原理如下图:
图6晶振电路原理图
3.4单片机在线编程电路
图7在线编程电路原理图
MSP430系列单片机支持串行在线编程,无需外部编程电压.但单片机输出的是TTL电平,而PC机则采用RS—232串行物理接口标准,因此当PC机与单片机进行通信时,其接口就不能直接相连,必须经过电平转换,否则就会损坏设备。
MAX232芯片的作用是将单片机输出的TTL电平转换成PC机能接收的RS232电平或将PC机输出的RS232电平转换成单片机能接收的TTL电平。
通过MAX232的连接转换,即可实现PC机与单片机的数据传送,对单片机进行在线编程。
P串口座用DB9的母头,这样就可以用买来的PC串口延长线和PC机相连接,也可以直接接到电脑COM口上。
3.5LED显示电路
选用四位七段显示数码管实现实时数据监测,其原理如图8.
从原理图可以看出,数码管的段码a,b,c,d,e,f,g,dp分别与单片机的P2.0~P2.7相连,控制数码管中显示的字形;
数码管的位选通由4个NPN三极管控制,分别接到单片机的P6。
3~P6。
6端口上,程序中通过控制P6。
6端口的输出电平就可以控制数码管的显示与关闭.
图8单片机驱动四位七段显示数码管原理图
4信号采集部分
4。
1传感器
热电偶是一种感温元件,是一种仪表。
它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。
我们选用标准化B型热电偶铂铑30-铂铑6测量温度。
该元件长期最高使用温度为1600℃,短期使用最高温度为1800℃。
具有准确度高,稳定性好,测温范围宽,使用权用寿命长等优点,适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气中。
能用做工业测温元件,且此元件线形较好。
等级3,允许偏差±
0。
25%*t,符合控制精度的要求,同时也满足长期测量1310℃~1330℃的要求。
2放大电路
由于热电偶输出毫伏信号,所以需要放大电路将其放大为1~5V标准电压信号降压后送A/D进行转换,本设计选用基极分压式射极偏置电路结合倍压电路进行放大。
在射极偏置电路中,静态工作点估算如下:
(1)
集电极电流
(2)
图9放大电路原理图
动态性能分析如下:
电压增益
(3)
其中
(4)
BJT的,可得电压增益.故结合倍压电路后,放大倍数可达一百多倍,可满足需要。
5信号输出部分
5。
1D/A转换与运放
DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片,集成电路内有两级输入寄存器,使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各种电路的需要。
但DAC0832采用电流形式输出,而我们需要的是模拟电压信号,所以还必须经过一个外接的运算放大器进行转换。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、
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- 基于 MSP430F149 单片机 温度 变送器 设计