基于MSP430F149单片机的温度变送器设计

1、1 基于MSP430F149单片机的温度变送器设计 摘要：温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于 工业过程中温度参数的测量和控制。本文研究的是一种由传感器和信号转换器(信号处 理和转换单元)两个重要模块组成的温度变送器。文章简要介绍了 MSP430F149单片机 的结构、特性和功能，通过对温度传感器、单片机引脚分配、外围电路设计、信号转换及 放大调理等部分的阐述，完成了基于该单片机控制系统的、实现温度变送功能的硬件组 成设计。 关键词：MSP430F149单片机；放大电路；AD/DA ; 4-20mA Design of the Temperature-tran

2、smitter Based on MCU MSP430F149 Abstract: Abstract: Temperature-transmitter is a kind of instrument converting temperature variable to standardized output signal which can be transmitted, it s mainly used for the meastnofe mfethteatechperature parameters in industrial process. In this paper, we stud

3、y a temperature transmitter which is composed of two important modules, sensor and signal converter (signal processing and conversion unit). The article briefly describes the structure, features and functions of the MSP430F149 microcontroller, via the elaborate of the temperature sensor, the microco

4、ntroller pin assignments, the design of peripheral circuit, the signal convert, amplification and conditioning and other parts, We have completed the design of the hardware structure based on the microcontroller s control system, to achieve the function of temperature transmitter. Key words: Key wor

5、ds: MCU MSP430F149; amplifying circuit; 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2 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

6、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 2.1 MSP430F149 单片机 2.1.1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

7、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，加强电十扰运行不受影响，适应工 业级的运行环境。 MSP430 x14x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，一或两个通用申行同步/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3 图1 MSP43

8、0F1491 MSP430F149引脚图 本文仅对设计中用到的引脚进行介绍，如下表。 表1 1单片机引脚分配 引脚名称 引脚编勺 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 4548 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 MltJ巨S3 k xlosgsCL 工 ITOHl/z 题

9、 ino 殳 sra XE _SM!SH 0ss Lng 由 Ed n_ 巨总&rtd 8至 KL Ed 品菖Ed ynoZLodgCDZL 却温话Nd svfcLV寻 Nd Ltwq?c g Maz云 ML s xdvBad zqef kL LSL4 XOUT/TCLK 9 低速晶体振荡器的输出端 P4.0/TB0 P4.7/TBCLK 3643 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 2027 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

10、数字I/O，发送数据输出-USART1/UART 方式 P3.7/URXD1 35 普通数字I/O，接收数据输入- USART1/UART 方式 RST/NMI 58 复位输入 2.2电路总体设计 2.2.1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： MSP430F149

11、图2 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 3单片机外围电路模块5 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。 vin Vout R17 GXD Volt 腿 D14 以】 Q I 5 DIO Dl Ufflf 2 DJ7 iouti DGND Iw2 OUTPUT A V+ -DPUTA. OUT

12、PVTB -UNPUT A -INPUT B -WtTB I 3 1C 11 20 Ta 7? 互 u 1 4 & 丁 13 AD694是一种单片电压电流转换器（以下简称V/I ）。它将输入电压信号转换成标准 的4-20mA电流信号，可广泛应用丁压力、流量、温度等信号的参数传递和对阀、调节 器以及过程控制中一些常用设备的控制。它具有输入缓冲放大器、 V/I转换电路、4mA 电流偏置及其选通和微调电路、参考电压电路、输入量程选择端、开路和越限报警输出 端，功能较强，使用时不接或只接很少的外部元件。它能达到 0.002%的非线性度，精 度高，且抗干扰性强，是过程控制、工业自动化和系统监测等

13、领域中取代分立元件设计 的一种理想集成电路。 下表为AD694引脚功能介绍 表2 AD6942 AD694引脚功能介绍 引脚名称 引脚编 p 功 能 FB 1 缓冲放大器输出引脚。输入信号一般不要直接加在该引脚上 -SIG 2 缓冲放大器的负输入引脚。 +SIG 3 缓冲放大器的正输入引脚。 2V FS 4 输入量程选择引脚。接地： 02V;悬空：010V。 COM 5 公共端。 4mA ADJ 6 4mA偏置电流微调端。该引脚上电压不允许超过 1V。 10V(FORCE) 7 10V参考电压输出端。采用 10V参考电压时，要求电源电压大 于 12.5V。 2V(SENSE) 8 2V参考电压

14、输出端。脚 7与脚8短接时，得到2V参考电压。 米用2V参考电压时，要求电源电压 +4.5V+36V。 4mA ON/OFF 9 4mA偏置电流选通端。接地，输出 420mA ;接3V电压，输 出 020mA。 ALARM 10 输出开路或越限（脚11电压局于Vs-2V）报警端。报警时，弓1脚 E 低，最大灌入电流 20mA。 I out 11 电流输出端。使用外接 NPN晶体管输出时，接晶体管基极。 BOOST 12 增压引脚。使用外接 NPN晶体管输出时，通过 50Q阻与晶体 管集电极串接，否则悬空。 II Vs 13 电源。+4.536V。 BW ADJ 14 带宽调节端。在脚13、14

15、之间接适当电容与内部 500Q电阻构 成低通滤波。 Vos ADJ 15 输入缓冲放大器偏置调节端。 Vos ADJ 16 同上。 U4 上图即为AD694将运放LM358输出的0-2V电压信号转换为4-20mA标准电流信 号输出的电路原理图。 6结语 本文以MSP430F149单片机为核心，对设计做了系统的规划；通过对 MSP430F149 单片机的学习及对其各引脚功能的研究， 结合实际设计出了 MSP430F149单片机的最小 系统，包括电源模块、复位模块、晶振模块、在线编程模块及 LED显示模块五个部分； 对传感器(热电偶)合理选型，设计放大电路并通过计算验证其放大倍数；运用数模转 换器

16、DAC0832和运算放大器LM358将单片机输出的数字信号转换为模拟电压信号， 送 入输出4-20mA电流信号的电压/电流转换器AD694 ,完成设计。 参考文献 1沈建华，杨艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 M.北京：清华大学出 版社,2004, 21(8):105-139. 2 李彬，王朝阳，卜涛，于学伟.基于MSP430F149的最小系统设计J.中国科技核心期刊，2009, 28(12): 74-76. 3 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社，2006: 102-140. _ 1 T 4 M5 FB -SIG Vw ADJUST -SIG B

17、Tk-ADJUST 2VFS Vi COM BOOST 心 ADJUST Ion 10VJORSE ALAJttL :址 ENE：， *5V AD64 图11 411 4- -20mA20mA信号输出原理图 1 15 4 包国彬，张建民，刘赢.单片机复位电路的设计与分析 A.光电技术应用，2005, 20(3): 66-74. 5 刘亚利，敬岚，乔卫民.基于MSP430F149型单片机的智能温度控制系统 A.计算机工程与设计， 2006， 27(6): 1062-1064. 6 张军涛.单片机复位电路的设计探讨 J.工业科技，2004, 33(4): 56-57. 7 陈廷侠，赵红枝.MAX2

18、32在串口通信中的作用分析与测试 J.新乡学院学报，2009, 26(4): 19-21. 8 高海涛.基于C8051F350单片机的智能温度变送器 P.传感器世界，2010, 33(3): 33-35. 9 胡紫英，谭立志，周维龙.基于FPGA的智能温度变送器的设计 DB.微计算机信息，2010, 26(42): 98-123. 10 郑海菊，李娟，赵友刚.基于MSP430F149的便携式温湿度监测仪的设计 J.青岛农业大学学报 2010， 27(2): 159-163.16 附录 厂MM &I田莺 / m m mr r- -x x r r 2 2- - rlEWVC 叫nno j dJAcai.ki 吕器静选 M M- -I IO OT T1 1: : M JJ目 B