基于低功耗單片機(jī)MSC1212實(shí)現(xiàn)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)建筑材料的要求越來(lái)越高，導(dǎo)熱系數(shù)作為衡量建筑材料保溫性能的重要指標(biāo)一直為人們所重視，因而開發(fā)設(shè)計(jì)出高精度絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x器十分必要。絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，測(cè)出試件冷熱面的平均溫度（TC、TH）和穩(wěn)態(tài)加熱功率（P），由下式即可計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)：λ＝Pd/A（TH-TC），其中d為試件厚度，A為試件對(duì)應(yīng)主加熱器部分的橫截面積。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要由爐體和溫度、功率測(cè)控系統(tǒng)兩部分組成，爐體按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求加工制造，大同小異，而溫度、功率測(cè)控系統(tǒng)則隨著電子技術(shù)的發(fā)展不斷更新。

溫度、功率測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是要測(cè)量和控制多路溫度信號(hào)，判斷到達(dá)設(shè)定的狀態(tài)后再進(jìn)行計(jì)算。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案是：用熱電偶或鉑電阻作溫度傳感器，輸出的模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬放大和濾波，進(jìn)入高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），再經(jīng)過(guò)單片機(jī)的判斷、計(jì)算，控制加熱電爐絲的功率，求出穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻等材料熱特性參數(shù)值。這種方案較過(guò)去的模擬式測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)很先進(jìn)，但是仍存在精度不夠高、可靠性不夠好的缺點(diǎn)。新近開發(fā)的絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀采用TI公司新近推出的具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核的低功耗單片機(jī)MSC1212，其內(nèi)部集成了8通道高精度24位Δ-Σ ADC和4通道16位DAC，在保證測(cè)量精度的同時(shí)又大大簡(jiǎn)化了外部電路，可靠性好。

MSC1212的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。MSC1212工作電壓2.7 V～5.25V，微控制器核是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的8051內(nèi)核，在給定時(shí)鐘源的情況下，它的執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051內(nèi)核快三倍，從而使得器件可以在更低的外部時(shí)鐘頻率下工作，在功耗比標(biāo)準(zhǔn)的8051低的情況下，仍可達(dá)到相同的性能。同時(shí)，其片內(nèi)外設(shè)十分豐富，包括32位累加器、1個(gè)帶有FIFO的SPI串口、2 個(gè)全雙工的UART、32個(gè)數(shù)字輸入輸出端、看門狗定時(shí)器、低電壓檢測(cè)、片內(nèi)上電復(fù)位、16位PWM、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、21個(gè)中斷源。

MSC1212集成了32kB的FLASH存儲(chǔ)器以及1.2kB的SRAM，其FLASH編程模式有串行和并行模式兩種，在上電復(fù)位期間通過(guò)ALE和 PSEN信號(hào)的狀態(tài)來(lái)選擇。PSEN=0，ALE=1時(shí)是串行編程模式。PSEN=1，ALE=0時(shí)為并行編程模式。假如兩者都為1，則工作在用戶模式。兩者都為0是保留模式，沒(méi)有定義。MSC1212是帶ISP開發(fā)功能的單片機(jī)系統(tǒng)，與8051的指令集完全兼容，可以用已有的8051開發(fā)工具來(lái)開發(fā) MSC1212的軟件。主要的開發(fā)環(huán)境是匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

2 MSC1212模擬接口介紹

MSC1212的內(nèi)部集成的模擬接口是它優(yōu)于其他單片機(jī)的特征之一，在絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀中擔(dān)當(dāng)了重要角色，有必要先加以詳細(xì)介紹。

2.1 ADC結(jié)構(gòu)介紹

MSC1212的ADC是Δ-Σ型，由多路開關(guān)（MUX）、溫度檢測(cè)器、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、調(diào)制器、數(shù)字濾波器、電壓參考組成，有8個(gè)通道，10Hz數(shù)據(jù)輸出率時(shí)有效分辨率可達(dá)24位。

一般ADC都定義成對(duì)的輸入端，不可隨意改變，而 MSC1212的ADC輸入端可以由用戶通過(guò)設(shè)置ADMUX寄存器來(lái)定義，可以把8個(gè)通道的任何2個(gè)分別作為同相端和反相端，這種軟件設(shè)置使應(yīng)用變得十分靈活，某個(gè)通道可以在一次測(cè)量中用作同相輸入端，下一次測(cè)量中卻用作反相輸入端。例如ADMUX=0x01，則定義AIN0為同相輸入端，AIN1為反相輸入端。

當(dāng)ADMUX所有位置1時(shí)，將選中溫度檢測(cè)器工作，返回芯片溫度值，所以也可以把溫度檢測(cè)器看作ADC輸入的第9個(gè)通道。

緩沖器使能與否通過(guò)寄存器ADCON0（BUF位置1使能）控制，當(dāng)緩沖器使能時(shí)輸入阻抗是10GΩ，輸入電壓范圍變小，電流升高，沒(méi)有緩沖器時(shí) MSC1212的輸入阻抗是5MΩ/PGA。一般都要使能緩沖器，除非某一模擬輸入端電壓大于AVDD-1.5V。

通過(guò)改變寄存器ADCON0的低三位，可編程增益放大器（PGA）的增益可被設(shè)置為1、2、4、8、16、32、64和128。使用PGA可以提高ADC 的有效分辨率。例如，當(dāng)PGA為1且采用5V量程時(shí)，ADC能分辨到1uV。PGA為128且采用40mV量程時(shí)，分辨到75nV。通過(guò)設(shè)置寄存器 ODAC，PGA的模擬輸入可以通過(guò)高達(dá)其全量程一半的輸入來(lái)補(bǔ)償（即，若輸入電壓范圍是5V，則補(bǔ)償范圍是±2.5V），其中MSB是符號(hào)位，七個(gè) LSB提供補(bǔ)償?shù)拇笮?。這種補(bǔ)償并不影響ADC的噪聲特性和動(dòng)態(tài)范圍。

調(diào)制器是一個(gè)單環(huán)2階Δ-Σ系統(tǒng)，其模擬信號(hào)采樣率（fMOD）由下式確定：fMOD=fOSC/（ACLK+1）/64，寄存器ACLK由用戶設(shè)置，若晶振頻率fOSC＝11.0592MHz，ACLK=8，則采樣率fMOD=19200Hz。知曉Δ-ΣADC原理的人都知道，這一采樣率并不是數(shù)字信號(hào)輸出率，數(shù)字信號(hào)輸出率（fDATA）等于模擬信號(hào)采樣率（fMOD）除以抽取因子（Decimation），抽取因子由用戶在寄存器ADCON2和 ADCON3中定義，ADCON2為低8位，ADCON3為高3位。抽取因子越大，噪聲抑制能力越強(qiáng)。

調(diào)制器輸出經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器就成為所需要的數(shù)字信號(hào)，MSC1212配置了三種數(shù)字濾波器：快速建立型、sinc2型、sinc3型，在通道同步變化的情況下，濾波器建立時(shí)間依次為1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)轉(zhuǎn)換周期；sinc型濾波器在整數(shù)倍fDATA頻率處有很好的陷波特性，快速建立型濾波器陷波特性不佳。自動(dòng)模式在輸入通道或PGA改變時(shí)將sinc濾波器配置成最佳，剛轉(zhuǎn)換為一個(gè)新的輸入通道時(shí)，自動(dòng)模式選擇需要4個(gè)轉(zhuǎn)換周期的建立時(shí)間，前2個(gè)周期用快速建立型濾波器，且第一個(gè)周期轉(zhuǎn)換結(jié)果丟棄不要，后兩個(gè)周期依次用sinc2型、sinc3型濾波器，之后一直用sinc3型濾波器，直到通道再次改變，這種方式充分利用了快速建立型濾波器的快速響應(yīng)特性和sinc3型濾波器良好的噪聲抑制特性。

多通道采樣通道突然變化時(shí)，輸出要稍作延遲才能正確反應(yīng)新通道輸入值，延遲時(shí)間依賴于使用的濾波器。由于通道轉(zhuǎn)換通常不與數(shù)據(jù)輸出間隙同步，所以還額外需要一個(gè)整周期才能準(zhǔn)確采樣。事實(shí)上這種不確定性導(dǎo)致獲得理想分辨率要多花費(fèi)一個(gè)轉(zhuǎn)換周期，即輸入通道突然變化時(shí)必須丟棄前1、2或3個(gè)轉(zhuǎn)換周期的結(jié)果。自動(dòng)模式可以降低必須丟失的數(shù)據(jù)數(shù)目，但是也會(huì)降低分辨率。

當(dāng)多通道采樣時(shí)必須考慮建立時(shí)間以確定總的數(shù)據(jù)通過(guò)率，例如，數(shù)據(jù)輸出率（fDATA）為20Hz，濾波器采用sinc3型，采樣5個(gè)通道，那么每個(gè)通道的結(jié)果輸出率（fCH）為20/4/5=1Hz。事實(shí)上，最佳配置的評(píng)估是一種公平交易，不可能面面俱到。首要標(biāo)準(zhǔn)之一是確定轉(zhuǎn)換結(jié)果的有效位數(shù)目（ENOB）。如果需要ENOB＝18位，用三種濾波器皆可實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)快速建立型、sinc2型、sinc3型，抽取因子分別為1800、500、 200。假定調(diào)制器時(shí)鐘頻率（或模擬信號(hào)采樣率）是15625Hz，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出率（fDATA）分別為8.68、31.25、78.125 Hz，單通道的結(jié)果輸出率（fCH）分別為4.34（8.68/2）、10.41（31.25/3）、19.53（78.125/4）Hz，通道同步轉(zhuǎn)換時(shí)通道率分別為8.68（8.68/1）、15.625（31.25/2）、26.04（78.125/3）Hz。由此可見(jiàn)，這些“率”的大小基于一個(gè)合理的調(diào)制器時(shí)鐘速度。在許多應(yīng)用中，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)率提高到上述數(shù)據(jù)的10倍。

MSC1212或整個(gè)系統(tǒng)的失調(diào)和增益誤差可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)減少。校準(zhǔn)可以通過(guò)寄存器ADCON1相應(yīng)位來(lái)控制，每一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程需要7個(gè)tDATA來(lái)完成，因此總共需要14個(gè)tDATA來(lái)完成失調(diào)和增益校準(zhǔn)。系統(tǒng)校準(zhǔn)要求適當(dāng)?shù)男盘?hào)加到輸入端，具體地，系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)需要“零”差分輸入信號(hào)以估計(jì)待消除的失調(diào)，系統(tǒng)增益校準(zhǔn)則需要正的滿量程輸入信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)消除系統(tǒng)中增益誤差的值。上電后或者溫度、緩沖器、PGA中任何一個(gè)發(fā)生變化時(shí)都將執(zhí)行校準(zhǔn)。使用自動(dòng)模式或者sinc3型濾波器有利于校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將消除ODAC的影響，因此，對(duì)ODAC寄存器的改變必須在校準(zhǔn)之后進(jìn)行。校準(zhǔn)完成之后，ADC的中斷位置為1，說(shuō)明校準(zhǔn)完成，數(shù)據(jù)有效。

MSC1212的電壓參考可以是內(nèi)部（上電后默認(rèn)）的或外部的。電壓參考是通過(guò)寄存器ADCON0（EVREF位）來(lái)選擇的，內(nèi)部電壓參考可以是 1.25V或2.5V（AVDD=4.5V～5.25V），由寄存器ADCON0的VREFH位來(lái)定義。假如不使用內(nèi)部電壓參考，應(yīng)將其關(guān)閉以降低功耗和噪聲。REFOUT引腳與AGND之間應(yīng)接0.1uF的電容。外部電壓參考是差分的，通過(guò)引腳REF IN+和REF IN-之間的電壓差體現(xiàn)出來(lái)，任一引腳的絕對(duì)電壓可以在AGND到AVDD之間變化，然而差分電壓不能超過(guò)2.6V。

ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADRESL/ ADRESM/ ADRESH寄存器中。MSC1212內(nèi)部還有4個(gè)求和/移位寄存器SUMR0～3和1個(gè)求和/移位控制寄存器SSCON，可以對(duì)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行累加平均從而進(jìn)一步降低噪聲提高分辨率。

2.2 DAC結(jié)構(gòu)介紹

MSC1210的16位DAC是T型電阻網(wǎng)絡(luò)型DAC，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。輸入DAC寄存器的值（D，取0～65535）與輸出模擬量（VDAC）的關(guān)系為：VDAC＝VREF*D/65536，其中VREF是DAC電壓參考，可以選擇內(nèi)部REFOUT/REFIN+電壓或電源電壓 AVDD，VREF與AVDD共同制約VDAC（IDAC）輸入代碼的范圍，其關(guān)系如表1所示。DAC的軌－軌輸出型緩沖放大器可以輸出 AGND～AVDD的電壓，可以驅(qū)動(dòng)2kΩ//1000pF的負(fù)載。加以外部電路，DAC也可輸出±VREF的電壓，例如圖3所示電路，VO＝VREF（D/32768－1）。

2.3 多通道數(shù)據(jù)采集程序示例

// A/D Conversion for 8 single ended channels，0-5V on inputs AIN0 to AIN7，AINCOM = 2.5V

#include

#include

#include

#define LSB 298.0232e-9

extern unsigned long positive（void）; //return the 3 byte adres to R4567 （MSB“LSB）

void main（void）

{ unsigned long int xdata result， dummy;

unsigned char k， pga， chan;

unsigned int decimation;

float voltage;

CKCON = 0; // 0 MOVX cycle stretch

PDCON = 0x14; // turn on ADC-Vref， SPI and Systimers

printf（”\nMSC1210 ADC Conversion Test\n\n“）;

printf（”\nSingle-Ended 0V to 5V inputs， AINCOM=2.5V\n\n“）;

printf（”Chan. Dec. rate Hex Value Voltage\n“）;

/* Setup ADC */

ADMUX = 0x08; //（AIN+ = AIN0）， （AIN- = AINCOM）

ACLK = 9; // ACLK = 11，0592，000/10 = 1，105，920 Hz

// m

odclock = 1，105，920/64 = 17，280 Hz

pga = 0;

ADCON0 = 0x38 | pga; // Vref On， Vref=2.5V， Buff on， BOD off， pga=1

decimation = 1728; // 10 Hz

ADCON2 = decimation & 0xFF; // LSB of decimation

ADCON3 =（decimation＞＞8） & 0x07; // MSB of decimation

ADCON1 = 0x01; // bipolar， auto， self calibration （offset， gain）

for （chan=0; chan＜8 ; chan++） // Channels Loop

{ ADMUX = （char）（chan＜＜4） | 8; // AINP = chan， AINN = AINCOM

for （k=0; k＜4; k++） // Wait for Four conversions for filter to settle after calibration

{ while （?。ˋIE & 0x20））; // Wait for data ready

dummy = positive（）; // Dummy read to clear ADCIRQ

}

while （?。ˋIE & 0x20）） {} // Wait for next result

result = positive（）;

printf （”\n%3bd %7d %5dHz “， chan，decimation，17280/decimation）;

voltage = result * LSB;

printf （”%12lx %f “， result，voltage）;

} Channels Loop

printf（”\n FINISHED \n-----------\n“）;

while（1） ;

} //main

3 基于MSC1212的單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于MSC1212的單片機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)可分為溫度測(cè)量、溫度控制、人機(jī)對(duì)話、與主機(jī)通信等部分。串口通訊可以把測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主機(jī)上，供日后參考，還可以給出導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)曲線或者分析非穩(wěn)態(tài)傳熱情況下的熱特性。異常報(bào)警、液晶顯示、按鍵、打印電路保證了人機(jī)對(duì)話界面的友好，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。

3.1 溫度測(cè)量

MSC1212內(nèi)部集成了8通道24位高精度Δ-Σ ADC，雖然Δ-Σ ADC的數(shù)據(jù)率很低，但是溫度是緩變信號(hào)，用Δ-Σ ADC完全可以滿足要求。本系統(tǒng)所測(cè)溫度范圍為-30℃～150℃，用熱電偶測(cè)量，要求最大測(cè)溫誤差不得超過(guò)0.1℃（對(duì)應(yīng)大約0.004mV），而 MSC1212的ADC輸入范圍為0V～5V（參考電壓選擇2.5V時(shí)），在10Hz數(shù)據(jù)率時(shí)可達(dá)22位有效輸出，充分滿足測(cè)量要求，不必加任何模擬放大電路，只要加一個(gè)緩沖器就可以了。熱電偶冷端溫度即環(huán)境溫度由數(shù)字式溫度傳感器測(cè)量供熱電偶冷端補(bǔ)償和環(huán)境溫度記錄與顯示。

3.2 溫度控制

MSC1212實(shí)時(shí)測(cè)得冷熱板溫度并與用戶設(shè)定的溫度比較，結(jié)合PID控制和模糊控制算法，通過(guò)程序控制各路DAC輸出一定的電壓信號(hào)（0-5V），分別控制主副加熱器電源電壓（0-48V連續(xù)輸出）、半導(dǎo)體制冷器電源電流（0-25A連續(xù)輸出），電路十分簡(jiǎn)單，功率控制的速度和精度同時(shí)得到提高。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)采集各路溫度信號(hào)和主加熱器電爐絲的電壓電流信號(hào)，按照算法要求進(jìn)行功率控制，監(jiān)控溫度傳感器、主副加熱器、半導(dǎo)體制冷器保護(hù)水浴等正常工作，人機(jī)對(duì)話以及與主機(jī)通訊等。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，由主程序和參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)標(biāo)定、異常報(bào)警、數(shù)據(jù)處理、串口通訊、鍵盤、顯示、打印等子程序組成。系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，MSC1212單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)資源，尤其是內(nèi)置高精度ADC、DAC，使之在本絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀中的應(yīng)用不但提高了測(cè)量精度，而且大大簡(jiǎn)化了硬件電路，可以推廣應(yīng)用于其他測(cè)控系統(tǒng)中。

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