作者：徐平江 龐娜

1 引言

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在一些重要場合對數(shù)據(jù)采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

為了方便地實(shí)現(xiàn)溫度采集與控制系統(tǒng)，筆者選用MSC1201作為系統(tǒng)的MCU。MSC1201是的德州儀器（TI）新推出的一款低噪聲、低成本數(shù)據(jù)采集微處理器，它具有的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核快3倍，而功耗卻更低，MSC1201中的ADC的防噪性能為75nV，比市場上大多數(shù)獨(dú)立式ADC都好，此外，MSC1201的ADC還可在功耗僅為3mV時(shí)達(dá)到1ks/s的采樣速率，因此，搭配合適的信號拾取元件就能組成一種性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

筆者設(shè)計(jì)的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該恒溫箱主要用于電子設(shè)備的高溫實(shí)驗(yàn)。通過小鍵盤設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度和時(shí)間，達(dá)到定時(shí)后并能發(fā)出警告，箱體打開后啟動風(fēng)扇散熱，為了使溫度控制更加準(zhǔn)確，在箱體內(nèi)采用多點(diǎn)測溫，同時(shí)為了保證電子設(shè)備的均勻受熱，設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)帶動托盤使待測物在箱內(nèi)轉(zhuǎn)動，并在定時(shí)結(jié)束時(shí)停止轉(zhuǎn)動。在恒溫箱工業(yè)時(shí)，箱內(nèi)溫度通過數(shù)碼管顯示。定時(shí)剩余時(shí)間也通過數(shù)碼管顯示。

2 MSC1201型微處理器

本設(shè)計(jì)采用TI的MSC1201型微處理器作為主處理器，MSC1201的封裝形式為QFN－36，在3V供電時(shí)功耗為3mW。具有工業(yè)級的工業(yè)溫度范圍即－40℃－＋125℃。

模擬特性包括數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到24位無損采集，工業(yè)頻率為10Hz時(shí)有效分辨達(dá)到22位；片內(nèi)可編程增益控制，最高可將信號放大128倍；工作噪聲為75nV，片內(nèi)提供精確的參考電壓，具有偏差校正功能，片上溫度傳感器可以快速方便地組成檢測系統(tǒng)，極小的偏差漂移（0.02ppm/℃），放大漂移（0.5ppm/℃）使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力。

數(shù)字功能包括具有與8051兼容的增強(qiáng)型處理器內(nèi)核；擁有1KB自舉ROM、256字節(jié)數(shù)據(jù)SRAM、4KB閃存具有安全保護(hù)措施；存儲器讀/寫循環(huán)可達(dá)100萬次，保存100年。

外部特征包括有16個(gè)通用I/O引腳、1個(gè)32位累加器、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、可編程看門狗定時(shí)器、全雙工USART、SPI、I2C接口；空閑狀態(tài)下消耗電流小于200μA，停止?fàn)顟B(tài)下電流小于100nA；中斷源多達(dá)20個(gè)，可以滿足一般工業(yè)現(xiàn)場的控制要求。MSC201的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 溫度采集系統(tǒng)的硬件組成

通常，為了組成一種溫度控制系統(tǒng)，采用如圖3所示的模塊化設(shè)計(jì)。

由圖3可見，從傳感器到CPU還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來設(shè)計(jì)。但是采用MSC1201型微處理器后許多環(huán)節(jié)就可以省略。如圖中虛線包含的部分，處理器自身已經(jīng)包含這些中間處理過程，只要設(shè)置相關(guān)寄存器就可以調(diào)整它們的參數(shù)。

3.1 溫度傳感器

在許多溫度采集系統(tǒng)中用熱敏電阻器作為測溫器件，然后通過查表或附加電路得到輸出電壓與溫度的關(guān)系，查表需要一段存儲空間來保存表格數(shù)據(jù)且會增加代碼長度，因此使用熱敏電阻器的成本較高。另一方面，由于熱敏電阻器輸出的非線性使其高溫段和低溫段的測量誤差變化較大，而在多點(diǎn)測量時(shí)對每一種器件都要單獨(dú)調(diào)零，因而在應(yīng)用時(shí)有許多局限。

在筆者設(shè)計(jì)的溫度檢測系統(tǒng)中，采用ADI公司的AD590型溫度傳感器作為溫度測量元件，AD590是電流型傳感器，當(dāng)電源電壓為4V－30V使流經(jīng)器件的電流隨溫度的變化而變化。其溫度變化規(guī)律為1μA/K，表示以K氏溫度衡量溫度，溫度變化1℃電流變化1μA，這種線性變化的規(guī)律給應(yīng)用帶來很大方便，應(yīng)用AD590時(shí)電源電壓的變化也會影響電流輸出，但電源電壓高時(shí)影響會小一些，因此電源電壓適當(dāng)調(diào)高，圖4示出AD590與MSC1201的連接，其中，

從（1）式可以看出，AD590輸出電壓與溫度的關(guān)系，如果選擇（R1＋VR1）＝10KΩ，那么可得下式：

圖4中R1與VR1串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)VR1的阻值來獲得10kΩ的電阻值。沒有直接使用10kΩ的電阻器是為了提高系統(tǒng)測量精度。

由于溫度檢測的后級接收差分信號輸入，因此只需要在差分輸入的負(fù)端引入2.732V參考電壓即可得到隨攝氏溫度線性變化的輸出電壓。如圖4所示，調(diào)節(jié)VR3阻值使在AIN1、AIN3引腳上具有2.732V電壓即可生成隨攝氏溫度線性變化