MSP430單片機(jī)的熱敏電阻溫度測(cè)量

摘要 傳統(tǒng)的數(shù)字式測(cè)量電阻的方法是先將電阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(如電壓)，再用A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此電路復(fù)雜，費(fèi)用高。本文介紹一種類R—F轉(zhuǎn)換頻率測(cè)量溫度的方法。直接把熱敏電阻Rt接到由RC構(gòu)成的多諧振蕩器電路中，用MSP430單片機(jī)的捕獲功能來(lái)獲得多諧振蕩器輸出信號(hào)高低電平的脈寬并同時(shí)計(jì)數(shù)，則熱敏電阻Rt與捕獲高低電平時(shí)的計(jì)數(shù)值的差值成正比關(guān)系，查表可得溫度值。
關(guān)鍵詞 熱敏電阻 溫度測(cè)量 MSP430單片機(jī)捕獲中斷

    測(cè)量溫度一般采用熱敏電阻做傳感器，測(cè)量的方法有R—V轉(zhuǎn)換電壓測(cè)量法和R—F轉(zhuǎn)換頻率測(cè)量法。這兩種方法的電路復(fù)雜且成本高，電路中很多元器件直接影響測(cè)量精度。本文論述一種類R—F轉(zhuǎn)換頻率的測(cè)量法，用NE555定時(shí)器和熱敏電阻等器件構(gòu)成振蕩器，由MSP430單片機(jī)的捕獲功能來(lái)捕獲多諧振蕩器輸出信號(hào)的高低電平并計(jì)數(shù)，熱敏電阻Rt與捕獲高低電平時(shí)的計(jì)數(shù)值的差值成正比關(guān)系。該方法電路簡(jiǎn)單、成本低，系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。

1 負(fù)溫?zé)崦綦娮?br />    PT一25E2熱敏電阻溫度阻值變化曲線如圖2所示。PSB型負(fù)溫?zé)崦綦娮栌蒀o、Mn、Ni等過渡金屬元素的氧化物組成，經(jīng)高溫?zé)砂胩沾?，利用半?dǎo)體毫微米的精密加工工藝，采用玻璃管封裝，耐溫性好，可靠性高，反應(yīng)速度快且靈敏度高。它采用軸向型結(jié)構(gòu)，便于安裝，能承受更高溫度，且玻璃封裝耐高低溫(一50～350℃)。

2 MSP430單片機(jī)計(jì)數(shù)法測(cè)溫原理
    以NE555定時(shí)器為核心組成典型的多諧振蕩器，把被測(cè)熱敏電阻Rt作為定時(shí)元件之一接入電路中，NE555定時(shí)器輸出引腳接MSP430單片機(jī)的P1．2腳(Timer_A：捕獲、CCIlA輸入引腳)。系統(tǒng)電路如圖3所示。

    由NE555工作原理可知，多諧振蕩器輸出信號(hào)(周期性矩形波)的高電平時(shí)間(1個(gè)周期內(nèi))為：

    
    若控制MSP430單片機(jī)的定時(shí)器A計(jì)數(shù)時(shí)鐘的頻率設(shè)置為f，則捕獲到高電平時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為NH，捕獲到低電平時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為NL，所以有：

       
    因?yàn)閒、C1、R1均為定值，所以Rt與N成正比，且增大f還可以提高測(cè)量精度。查表可得溫度值。
    由上述測(cè)量原理可知，誤差主要來(lái)源為：R1、R2精度，單片機(jī)的定時(shí)器和電容器的精度以及穩(wěn)定度。這里選用高精度(士O．001％)、溫度系數(shù)小于土O．3×10-6／℃的精密金屬箔電阻器。因此當(dāng)選用高精度、高穩(wěn)定度的電容器，且單片機(jī)的工作頻率足夠高，就可以得到較好的測(cè)溫精度。

3 MSP430單片機(jī)捕獲原理
    捕獲計(jì)數(shù)法的原理如圖4所示。通過MSP430單片機(jī)TACTL寄存器給定時(shí)器A設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘頻率f和計(jì)數(shù)模式(本系統(tǒng)設(shè)為連續(xù)模式)。又知Timer A工作在連續(xù)計(jì)數(shù)模式時(shí)，TAR(16位)計(jì)數(shù)范圍是0一FFFFH值。定時(shí)器A連續(xù)模式計(jì)數(shù)啟動(dòng)后，TAR的值開始從O—FFFFH一O—FFFFH……不斷重復(fù)計(jì)數(shù)，直至軟件控制其停止計(jì)數(shù)為止；同時(shí)設(shè)置TACCTL寄存器的CMx、CAP、CCIE位，在多諧振蕩器輸出方波的上升沿和下降沿都觸發(fā)捕捉并中斷。這樣當(dāng)每次沿到來(lái)，進(jìn)入中斷并捕獲上升沿和下降沿時(shí)刻的值(如TACCRla、TACCRlb、TAC—CRlc、TACCRld……)，然后用此次捕獲的值減去上次捕獲的值即可得高或低電平時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值NH、NL。例如：NH=TACCRlb一TACCRla、NL=TACCRlc一TACCRlb，代入式4、式5便可得出R的值，查表即得溫度值。

   MSP430F1X定時(shí)器初始化所涉及的寄存器配置如下：

    TASSELx：4種時(shí)鐘源供選擇。
    IDx：4種預(yù)分頻選擇。
    MCx：TAR計(jì)數(shù)模式選擇，MCx=11，上升沿和下降沿都捕獲。
    TAIE：Timer_A中斷使能，為“1”中斷使能。
    CMx：捕獲觸發(fā)信號(hào)選擇。
    SCS：捕獲同步或異步選擇，“O”同步、“1”異步。
    CAP：捕獲模式選擇，“O”比較、“1”捕獲。
    CCIE：捕獲／比較中斷選擇，為“1”中斷使能。

4 軟件設(shè)計(jì)
    基于MSP430單片機(jī)捕獲中斷測(cè)溫程序流程如圖5、圖6所示，包括主程序流程、捕獲中斷和溢出中斷流程。

    Timer_A初始化代碼如下

    捕獲中斷和溢出中斷函數(shù)代碼如下：

    代入常量f、C1、R2的值，即可得熱敏電阻阻值，通過查表可得溫度值。查表溫度間隔一般為1℃，如果忽略熱敏電阻1℃以內(nèi)的非線性誤差，可以將兩攝氏度之間取線性計(jì)算，這樣可以得到O．01℃的分辨率。

結(jié) 語(yǔ)
    由測(cè)量原理知：被測(cè)電阻的阻值越大，測(cè)量誤差越小。筆者已應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)出一款溫度計(jì)，測(cè)量范圍為一10～80℃，分辨率達(dá)到O．01℃，誤差在O．3℃以內(nèi)。該設(shè)計(jì)充分利用了MSP430單片機(jī)的捕獲功能和低功耗功能，使得電路功耗低、電路簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉、精度高。