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标题: 基于MSC1211单片机在黑体式光电高温计中的应用 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-27 19:50
标题: 基于MSC1211单片机在黑体式光电高温计中的应用

Application of MSC1211 single chip computer in blackbody cavity photoelectric pyrometer
摘要：介绍了MSC1211单片机的优点，并通过一种黑体式光电高温计的研制说明了应用方法，阐述了系统的硬件组成和软件流程。MSC1211单片机是美国德州仪器的最新产品，它集成了大量的模拟和数字外围模块，具有很强的数据处理能力。采用此单片机作为信息处理单元，测温准确度高；由于其完备的片上组成，整机结构非常简洁，减少了硬件电路，提高了可靠性，多种信号输出形式极大地方便了用户使用。
关键词：MSC1211，高温计，A/D转换
Abstract: Advantages of MSC1211 single chip computer are introduced, and application based on blackbody cavity photoelectric pyrometer is explained. Hardware circuits and software flow chart are presented, too. MSC1211 is a new type of microcontroller from TI, which has powerful function for data processing integrating with lots of analog and digital modules. The MSC1211 microcontroller is used as signal processing unit, so that the pyrometer shows the advantages of high accuracy. And due to its integrated on-chip constitution, hardware circuits are reduced and the pyrometer shows advantages of simple structure, high reliability and easy operation owing to the multiform output signals.
Key words: MSC1211, pyrometer, A/D Convert
1引言
高温测量，在科研及工业生产过程中占有极其重要的地位，目前依然主要使用的仍然是铂铑系列的贵金属热电偶，由于贵金属材料资源稀缺，价格昂贵，并且提炼和回收能造成环境污染，因此限制了其应用，迫切要求新方法的出现。自从美国国家标准局R. R. Dils提出黑体腔型接触式光纤高温测量方法之后，基于黑体辐射的高温计便得到了人们的重视和研究。这种方法具有测量准确、抗干扰能力强、安装使用方便等优点，由于不使用贵重金属，因此使用成本很低。本文在对黑体腔、光路部分改进的同时，充分利用德州仪器的MSC1211单片机的许多新特性，如自带的8路24位高精度∑-△A/D转换器、片内偏移/增益自校准电路、4通道16位D/A转换器等，实现了对高温的高精度测量，并且使得整个系统在集成化程度、分辨率、稳定性、可靠性方面提高了不少。
2 黑体式光电高温计的工作原理及整体设计

黑体式光电高温计由黑体腔、光电探测器以及信号处理电路组成，如图1所示。将黑体腔插入被测量介质中，使其直接接触被测介质温度，并发出与被测温度成一定关系的辐射信号，通过光纤把信号送给光电探测器，经光电转换后将电信号送至信号处理器即可进行待测温度的计算、补偿、显示和远传等。

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图1 黑体式光电高温计结构框图
MSC1211是一款增强型8051内核低功耗单片机，它有许多优良特性，比如，它内部有高达32kB的FLASH存储器，SRAM达1.2kB，有多达21个中断源，执行速度比标准8051快3倍等等。
整个体统的主要任务是黑体腔感知温度发出辐射信号，调理电路将辐射信号转换为电信号，经A/D转换进入信号处理器，计算出温度值，并能输出电流或电压信号，以供传输或二次仪表使用。最终选择MSC1211作为信号处理的核心元件，主要是基于以下考虑：(1) 24位∑-△A/D转换器，这是实现高精度测温的重要保证；(2)内部包含完整的前向通道和后向通道DAC，使用非常方便，这样功能完备的片上系统，需要的外围电路很少，整机结构显得非常简洁，并且可靠性高。见图1虚线框内，原本A/D转换、单片机控制系统、D/A转换三部分的内容，用一个MSC1211单片机就可以取代。
3基于MSC1211的硬件设计
如图1，光信号通过光电探测器转换为电流信号，再通过调理电路转换为合适的电压信号，进入以MSC1211为核心的信号采集和处理系统，基于MSC1211的硬件设计如图2所示，由于单片机本身强大的功能，使得外围电路很少，看起来非常简洁。

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图2 电路硬件设计图
3.1 模数转换器
MSC1211内部包含完整的前向通道，有多路开关，可以选择差分输入的形式或者单端对地输入形式。在这个通道上，还可以选择使用缓冲器，其内部放大器为可编程增益放大(PGA)在1"128之间可调，这样对于一些输出微弱信号的传感器就比较方便，可以直接接入MSC1211的输入端，无需在电路中再增加中间放大环节，这对于系统设计是十分有利的。通过改变命令寄存器的方式设置内部通道的功能，用指令就可以选择输入缓冲器，设置放大增益，控制通道开关切换，进行偏移校正等。
3.1.1 多路选择开关
多路开关，通过寄存器ADMUX来选择。MSC1211可以自动检测这些信号输入引脚是否开路或短路。另外该电路还可以检测自身温度。当ADMUX=FFH时，电路的测温二极管就连接到ADC的输入端，此时其余通道开路。这有利于器件自身的保护，当芯片温度过高时，可以通过强制电路进入空闲模式使系统降温。
3.1.2 偏移DAC
调理电路输出的电压范围需要调整，使用偏移DAC非常方便。偏移DAC是一个可编程的电压源，模拟输入信号首先与偏移DAC的输出电压相加，然后经PGA放大，最后送到∑-△A/D进行模数转换。
3.1.3 A/D转换

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A/D转换在缺省条件下使用内部2.5V作为参考电压，本文中使用的是外部电压5V，外部电压通过REF IN+ 和REF IN- 引脚之间的电压差值决定，REF IN+连接AVdd，REF IN-接地。
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3.1.4 数字滤波
数字滤波器有三种，快速稳定滤波器(Fast settling)，Sinc2滤波器，Sinc3滤波器,用户可以通过ADC控制寄存器1(ADCON1)的SM1～SM0来选择。本文选用了自动模式，滤波器可在三种之间自动切换，以寻找最有效的滤波器。
3.2 数模转换器
信号输出有三种可以选择：4mA～20mA标准电流信号，模拟S型热电偶电压输出信号和模拟B型热电偶电压输出信号。在这里充分体现了MSC1211的强大功能，它不但具有片上四通道16位数模转换器，并且具有电压和电流两种输出形式，非常符合设计要求。由于热电偶的输出电压信号比较小，都在几十毫伏量级，所以需要在数模转换之后对其进行适当的比例调整，可以用精密运算放大器OP07来完成。
MSC1211可以提供四通道16位数模转换器，可以进行电压和电流输出，电流输出的范围与电阻RDAC有关，经实验，本文选用RDAC0为74Ω电阻，得到4～20mA电流输出。
3.3 串口通讯
串口通讯的主要任务是通过上位机对拟合曲线参数进行修正。本系统采用串口中断的方法，通过MAX232电路实现系统与PC主机的串行通信。MSC1211片上集成了两个UART串行接口，用户可以方便地通过它读写数据。对串口0的控制是通过2个特殊功能寄存器SCON0和PCON来实现的，串口1与其类似，通过SCON1和EICON来实现。
4软件设计
软件设计主要包括主程序、计算温度子程序、D/A转换子程序、串口中断服务子程序、显示子程序、环境温度采集子程序等。
主程序初始化时，开启串口0的串口中断，并开启A/D转换，先抛弃前四次的转换结果，等待稳定后，转换一次，就能根据结果计算出相应的温度值，并进行LCD显示，同时开启D/A转换，输出相应温度下的三种模拟信号，循环进入下一次的转换。若发生串口中断，则进入串口中断服务子程序，接收修正的参数。程序流程图如图3所示，包括了主程序和串口中断服务程序。
要在此说明的是，由于MSC1211的资料不是很多，所以在编程时应当注意一些问题。在做A/D转换时，每次更改PGA放大倍数需要重新校准，在需要频繁切换输入通道的场合，建议设定特殊寄存器ADCON1的SM1～0 位为00，即进入自动模式数字滤波；对偏移DAC的设置要在校准之后进行，因为校准会影响偏移DAC的输出电压，并且在自行校准之前，应将偏移DAC设置为00H。在做D/A转换时，要注意设置寄存器的顺序，先将DAC输入值装入，然后设定输出模式，最后再选择DAC载入模式，即更新模式，顺序一旦错误，将不能正常运行。

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图3 程序流程图
5结论
实验表明，基于MSC1211单片机的这种黑体式光电高温计可以达到0.5%的最大测温误差，成本低，使用方便，相对于昂贵的热电偶来说具有很大的优势，而且还有很大潜力可供开发，在许多领域有很大的应用价值。
本文作者创新点：本文采用了MSC1211单片机作为黑体式光电高温计的信息处理单元，比通常使用的分立元件系统结构简洁、体积小、集成度高、可靠性好，可以输出多种信号形式，对于从热电偶更换到这种高温计的用户可以很方便地沿用原来的二次仪表，再次证明了对于要求体积小、集成度高、运算速度快和精确测量的产品设计，MSC121X是一个理想的选择。
参考文献
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[2]阮黎君. MSC1210单片机在数据采集与信息处理系统中的应用[J]. 现代电子技术, 2006, (3 ): 77-79.
[3] 郝晓剑, 孙伟, 周汉昌, 赵宇. 蓝宝石光纤黑体腔高温计[J]. 应用基础与工程科学学报,  2004, 12 (2 ): 218-223.
[4]龚小燕, 赵宁. MSC1210单片机在信号调理中的应用[J]. 微计算机信息, 2007, 23 (3-2): 103-104.
[5]Texas Instruments Incorporated. Precision Analog-to-Digital Converter (ADC) and Digital-to-Analog Converters (DACS) with 8051 Microcontroller and Flash Memory MSC1211 2004
作者简介：张洁（1982-），女，硕士研究生，测试计量技术及仪器专业，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院；
杨永军（1973-），男，高工，温度计量与检定，航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所；
通信地址：北京航空航天大学新主楼B座703，张洁，100083上一页  [1] [2]

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