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MSP430F149单片机及其在温度测控系统中的应用

2016-5-8 08:09:32 3437 单片机

0 MSP430是一种新型的混合信号处理器，采用了美国德州仪器（Texas Instruments）公司最新低功耗技术（工作电流为0.1~400uA）。该系列将大量的外围模块整合到片内,特别适合于开发和设计单片系统。 MSP430工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）。单片机可以方便地在各种工作模式之间切换。MSP430具有非常高的集成度，单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器，单片可以满足绝大多数的应用需要。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的一些算法（如FFT等）。本控制系统采用MSP430F149单片机。它是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机,具有强大的处理能力、丰富的片上外围模块和方便高效的开发方式, 是MSP430系列中功能最强大的一款。MSP430F149采用"冯--纽曼"结构，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内, 具有一个硬件乘法器、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、片内看门狗定时器、2个串行通信接口和60KB的FlashROM，2KB RAM。MSP430F149还具有强大的扩展功能，其具有48个I/O引脚，每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口可以复用，大大增强了端口功能和灵活性，提高了对外围设备的开发能力。系统采用铂电阻PT100为测温元件，PT100具有性能稳定、抗氧化能力强和测量精度高等优点。由PT100和电阻元件组成的桥式电路将由温度变化引起的铂电阻的阻值变化转换为电压信号输入放大器。因需通过连接导线将安装在测量现场的铂电阻接入控制台，为了减小引线电阻的影响，采用三线式接线法。温度测控系统在烤箱控制系统中的应用很广。温度测控模块主要由以下几个单元组成：PT100测温单元、MCU单元、HD7279A模、键盘和显示单元和驱动电路单元等组成。系统中各模块单元的功能如下： (1) PT100测温单元: 温度测量采用的传感器通常有多种，一般设计时要考虑应用场合、温度范围、复杂程度、价格因素等。本设计采用精度高、稳定性好、重复性好的铂电阻元件PT100。在0-630.750C温度范围内，PT100的温度－电阻特性如下：Rt=R0(1+at+bt2); 其中，a=3.9684710-3/0C ,b=-5.84710-7/0C 特性中，Rt为在温度T下的电阻值；R0为在零度时的电阻值。PT100测温单元由精密电压源电路、测温电桥、电子开关选择电路等组成。在MSP430F149的控制下，分时将测温点温度传感器PT100送来的温度信号（电阻值）转换为电压信号。（2）MCU单元：主要是MSP430F149及其外围电路，是整个控制系统的核心。由PT100测温电路送来的模拟电压信号输入单片机的模拟比较器的CA0端，另一个模拟输入端CA1连接到内部参考源0.25Vcc, 经比较器和定时器组成的双积分A/D转换电路按照程序的控制要求，通过HD7279A和驱动电路来完成LED显示，接收键盘输入，与计算机的通讯等进行控制和操作。（3）HD7279A显示驱动单元： HD7279A是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片，共有28个引脚。它能对8位共阴极LED显示器或64个LED发光管进行管理和驱动，同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。HD7279A和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少。（4）驱动电路单元：在驱动电路中，为了保护小继电器，选择脉冲驱动，脉冲宽度为1秒，以使中间继电器能实现自锁的功能。继电器均选择5V直流驱动、负载为220V/2A，继电器的型号为5VSPDT，线圈电阻为80欧。中间继电器的型号是JZ7-44，220交直流驱动。三极管型号为H8050，放大倍数200。两个反向二极管DA1、DA2起保护继电器线圈的作用，两个电容器CA1、CA2用来防止触点两端电弧的产生。UA3为中间继电器；UA4为交流接触器，直接控制加热电阻丝的温度。 4 系统软件设计 MSP430系列是一种具有集成度高、功能丰富、功耗极低等技术特点的16位单片机。其代码存储空间从1K至60K不等。当程序量大于8K时，使用汇编语言会使软件设计工作的效率大大降低。用C语言程序设计来实现系统的应用软件开发，可以大大提高开发调试工作的效率；同时，所产生的文档资料也容易理解，便于移植。适用于MSP430系列的C430语言，与标准C语言兼容程度高。 MSP430系列单片机可以利用IAR公司提供的集成调试环境Workbench和C430语言调试器C-SPY进行编译，直接下载至片内Flash内存，脱机运行。整个用户界面友好，调试过程中可以在上层软件中看到各寄存器的内容并在线修改，支持单步运行，在线观察定义的各个变量实时值。采用把所有相关文件放入一个项目中的组织方式，编译运行时软件会自动将文件按内在联系自动组合在一起，支持C语言编程。温度测控模块的程序分别由主程序、键盘处理子程序、显示子程序、定时子程序等组成。主程序主要完成系统的初始化、系统时钟的设置和调用子程序等功能。键盘输入采用扫描方式进行。每检测完温度后就与预设温度进行比较，并调用显示程序。当达到预设温度值时,调用定时子程序;当定时到达预设时间时,即转入下一步的预设温度和预设时间,进行温度采样,实时显示,并使驱动电路工作,直至完成所有预设步数为止。语从该温度控制模块的软硬件构成可以看出，系统结构简单，软件程序易于实现，控制精度较高。该设计具有较好的通用性，便于进行功能扩展和重新配置。针对不同的控制对象，只需改变前端信号处理电路，并采用相应的控制算法，即可胜任烤箱等系统的控制任务。该控制模块具有结构开放、性能可靠、抗干扰能力强、不需扩展外围器件等特点，可以灵活地进行不同对象温度的自动测量和控制。 0
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