Разработка принципиальной схемы и алгоритма функционирования прибора для измерения температуры

Задание: Разработать принципиальную схему и алгоритм функционирования прибора для измерения температуры со следующими характеристиками:

ü 4 канала для подключения термометров сопротивления типа Pt100;

ü погрешность измерителя температуры не более 0.1°С в диапазоне 0…150°С.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Алгоритм функционирования

В данном задании предлагается реализовать 4-х канальный измеритель температуры.

Это сделано следующим образом:

1.  Снимаем напряжение с терморезисторов

2.  Преобразуем напряжение из аналоговой формы в цифровую с помощью АЦП;

3.  Полученный  код преобразуется в температуру и выводится на индикатор.

При включении питания происходит определенная настройка всех модулей MSP430. Для того чтобы приступить к измерению температуры с терморезисторов необходимо произвести настройку модулей для обеспечения нормальной работы при данном задании.

1)  Настройка основного модуля тактирования:

Основной модуль тактирования обеспечивает тактирование устройств семейства MSP430.

От основного модуля тактирования можно получить тактовые сигналы, например:

§  ACLK – это источник тактовых импульсов с делителем на 1, 2, 4 и 8. ACLK программно выбирается для соответствующих модулей. 

§  MCLK – основное тактирование. MCLK выбирается программно. MCLK делится на 1, 2, 4 или 8. Используется ЦПУ и системой.

Управляющие биты регистра статуса SCG0, SCG1, OSCOFF и CPUOFF конфигурируют рабочие режимы MSP430 и позволяют включать или отключать отдельные части основного модуля тактирования. С помощью регистров DCOCTL, BCSCTL1 и BCSCTL2 осуществляется конфигурирование основного модуля тактирования. Основное тактирование может конфигурироваться и реконфигурироваться программным обеспечением в любой момент времени в ходе выполнения программы.

С – флаг переноса;

N – флаг отрицательного результата;

Z – флаг нулевого результата;

V – флаг переполнения.

GIE – глобальное разрешение прерываний. В данном случае устанавливается в «1» для того, чтобы разрешить прерывания.

SCG0/SCG1 – программируют один из режимов малого энергопотребления;

CPUOFF – останавливает/запускает работу ЦПУ;

OSCOFF – отключает/включает базовый тактовый генератор.

2)  Настройки АЦП:

Разрядность АЦП выбираем равную 14, при которой АЦП работает в 2 такта:

1такт – определяем поддиапазон рабочих напряжений, куда попадает входное напряжение;

2такт – осуществляется 12-тиразрядное преобразование внутри выбранного диапазона.

q – степень квантования. Показывает на сколько должно измениться входное напряжение, чтобы код изменился на единицу.

Определим ступень квантования (q):

где N – разрядность АЦП.

Тогда:     

 

ΔU – изменение напряжения при изменении температуры на 1 ^оС.

следовательно, ∆U=10*0.00018=0.0018В.

Регистр управления АЦП:

ACTL:

ADCLK– программирует частоту для тактирования АЦП

Соответственно, АЦП будет тактироваться частотой MCLK.

Функцию формирования частоты MCLK берет на себя базовый таймер.

Информация, которая хранится в регистре BTCTL, определяет функции базового таймера.

SSEL и DIV – кодируют входную частоту BTCNT2. Необходимо сформировать частоту MCLK, следовательно:  

Таким образом, формируется частота MCLK, которая будет тактировать АЦП.

FRQ1 и FRQ2 – определяют частоту fLCD.

Для оптимальной производительности с низким энергопотреблением модуль ACLK конфигурируется на работу от часового кварцевого резонатора на 32768Гц.

Pd – переводит АЦП в режим малого энергопотребления;

Range – предназначен для выбора поддиапазона;

ACTL.11 = 1, автоматически выбирается поддиапазон для 14-разрядного преобразования.

Current – кодирует входной канал АЦП, к которому подключен выход генератора тока;

INPUT – кодирует один из 6 каналов АЦП напряжение, с которых необходимо перевести в цифровую форму;

Напряжение снимается как разность U4-U5 (что позволяет избавиться от сопротивления проводов), но так как сигнал, который будет идти с мультиплексора 2 на А5 равен нулю (терморезисторы заземлены), то соответственно А4 будет являться каналом, с которого аналоговое напряжение будет передаваться на АЦП.

Vref – обеспечивает использование в качестве Uоп внешнее или внутреннее Uпит.

ACTL.1 = 0– используем внешнее Uпит;

CS – с помощью этого бита дается команда на старт преобразования. Если «1», следовательно, осуществляется запуск. CS = 1. команда на старт преобразования дана.

Так как источником прерывания является АЦП, то необходимо установить бит ADIE разрешающий прерывание от АЦП.

Используется терморезистор Pt100, его сопротивление изменяется на 0.4 Ом на 1 ^оС.

Таким образом:

 

∆U=∆R*I     →  I=0.0018/0.4=0.0046A 

Выберем необходимое сопротивление R_ext, которое программирует генератор тока.                               

Так как измерения проводятся с использованием генератора тока, то качество АЦП определяется только качеством Rext.

N=(Rsens*2¹⁴)/Rext  à не зависит от Uоп. Поэтому можно выбрать Uпит в данной работе выбрано Uпит=3В.

3)  Мультиплексор:

В данной работе используются 2 мультиплексора ADG604, которые являются аналоговыми, состоящими из 4-х одинарных каналов. ADG604 коммутирует один из 4-х входов на общий выход D, в соответствии с состоянием управляющих и адресных сигналов A0, A1 и EN. Низкий логический уровень «0» на входе EN отключает устройство. Таким образом, на входы EN обоих мультиплексоров изначально подаем высокий логический уровень «1».

Таблица истинности:

A1	A0	EN	Открытый Канал
Х	Х	0	Нет
0	0	1	1
0	1	1	2
1	0	1	3
1	1	1	4