基于MSP430的平衡式温度计的研制

　　飞机发动机的温度测试是飞机性能检测的重要部分, 其专用测试仪器 UT1210 精度高, 稳定性好, 但仪器中应用了大量的复杂电路, 硬件开销大, 仪器调试比较困难, 需要加以改进。现采用美国 TI 公司的超低功耗 16 位微控制器———MSP430F133 作为系统芯片, 利用软件拟合温度与 AD 值的关系实现温度测量,降低了硬件调试的难度。由于 UT121 是国外引进技术, 有标准的操作规程, 因此电路仍按原有的平衡式原理设计, 不改变操作规范。

　　1 温度计的工作原理

　　平衡式温度计中有两路模拟量, 一路为热电偶采集到的电信号, 另一路为调节电位器得到的模拟量。原仪器用电桥对热电偶进行冷端补偿, 将两路模拟量经多级处理后分别接入检流计的两端, 并将电位器与度盘联动, 根据检流计指针的偏转调节电位器, 度盘随之转动。当检流计指零, 度盘的读数就是温度值, 其电路示意图如图 1。

　　为了保证好的稳定性, 原仪表使用了大量的复杂电路对信号进行放大、滤波, 硬件开销大, 利用电桥对热电偶温度补偿又增加了电路的复杂性, 从度盘读取温度值人为误差也比较大, 需要对原来的仪表加以改进。

　　随着功能强大的高速微处理器的出现, 数字化仪表可将部分的硬件功能转移到软件上来实现, 降低硬件设计的难度。硬件功能软件化的优势在于使得元器件减少, 而且部分参数可调, 增强了系统的灵活性。改进后的平衡式温度计将两路模拟量进行 A/D转换并利用软件进行比较, 将比较所得的差值再经 D/A 转换器转换成电压值送到检流计上, 同时用软件将电位器调节出的电信号转换成的 A/D 值拟合成温度值并用数码管显示。调节电位器,当检流计指零, 即两路模拟量平衡时, 此时显示的温度值就是热电偶测量到的温度值。测量温度的直读方式避免了人为误差。另外, 电路中利用数字温度传感器 DS18B20 实时测量环境温度, 从软件上对热电偶进行冷端补偿, 大大地简化了电路。

　　2 硬件电路主要组成及实现原理

　　温度计主要由 MSP430F133 单片机、热电偶信号放大电路、电位器调节电路、温度补偿器件、16 位 D/A 数模转换器、五位数码管显示组成, 如图 2 所示。

　　2.1 系统芯片 MSP430F133

　　MSP430F133 是 TI 公司生产的具有超低功耗特性的功能强大的单片机, 运行在 1MHz 时钟条件下时, 工作电流视工作模式不同为 0.1～400μA, 工作电压为 1.8～3.6V, 从而有效降低了系统功耗。它具有丰富的寻址方式, 但只需简洁的 27 条指令, 片内寄存器数量多, 存储器可实现多种运算, 有高效的查表处理方法, 这些特点保证了可以编制出高效的程序。MSP430F133 片内资源丰富: 带有 8KB 的 FLASH ROM、256B 的信息 FLASHRAM 和 256B 的 RAM; 6 个输入输出带有施密特触发器的 I/O口, 共 48 根 I/O 口线, I/O 端口功能强大且十分灵活, 所有的 I/O 位均可单独配置, 每一根口线分别对应输入、输出、方向和功能选择等多个寄存器里的一位; 具有看门狗定时器 WDT, 防止程序跑飞; 两个 16 位定时器; 12 位高精度的 A/D 转换模块ADC12; 精密模拟比较器等等。