作者：徐平江 龐娜

1 引言

隨著現代控制技術的發展，在工業控制領域需要對現場數據進行實時采集，在一些重要場合對數據采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領域的生產中都需要對大量數據進行現場采集，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、低成本的數據采集與控制系統。

為了方便地實現溫度采集與控制系統，筆者選用MSC1201作為系統的MCU。MSC1201是的德州儀器（TI）新推出的一款低噪聲、低成本數據采集微處理器，它具有的增強型8051內核，執行速度比標準8051內核快3倍，而功耗卻更低，MSC1201中的ADC的防噪性能為75nV，比市場上大多數獨立式ADC都好，此外，MSC1201的ADC還可在功耗僅為3mV時達到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異的數據采集控制系統。

筆者設計的恒溫箱溫度控制系統的結構框圖如圖1所示。該恒溫箱主要用于電子設備的高溫實驗。通過小鍵盤設定實驗溫度和時間，達到定時后并能發出警告，箱體打開后啟動風扇散熱，為了使溫度控制更加準確，在箱體內采用多點測溫，同時為了保證電子設備的均勻受熱，設計中采用步進電機帶動托盤使待測物在箱內轉動，并在定時結束時停止轉動。在恒溫箱工業時，箱內溫度通過數碼管顯示。定時剩余時間也通過數碼管顯示。

2 MSC1201型微處理器

本設計采用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供電時功耗為3mW。具有工業級的工業溫度范圍即－40℃－＋125℃。

模擬特性包括數據采集精度達到24位無損采集，工業頻率為10Hz時有效分辨達到22位；片內可編程增益控制，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，極小的偏差漂移（0.02ppm/℃），放大漂移（0.5ppm/℃）使得系統具有較強的溫度適應能力。

數字功能包括具有與8051兼容的增強型處理器內核；擁有1KB自舉ROM、256字節數據SRAM、4KB閃存具有安全保護措施；存儲器讀/寫循環可達100萬次，保存100年。

外部特征包括有16個通用I/O引腳、1個32位累加器、2個16位定時/計數器、可編程看門狗定時器、全雙工USART、SPI、I2C接口；空閑狀態下消耗電流小于200μA，停止狀態下電流小于100nA；中斷源多達20個，可以滿足一般工業現場的控制要求。MSC201的結構框圖如圖2所示。

3 溫度采集系統的硬件組成

通常，為了組成一種溫度控制系統，采用如圖3所示的模塊化設計。

由圖3可見，從傳感器到CPU還有許多環節需要系統設計者來設計。但是采用MSC1201型微處理器后許多環節就可以省略。如圖中虛線包含的部分，處理器自身已經包含這些中間處理過程，只要設置相關寄存器就可以調整它們的參數。

3.1 溫度傳感器

在許多溫度采集系統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系，查表需要一段存儲空間來保存表格數據且會增加代碼長度，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，而在多點測量時對每一種器件都要單獨調零，因而在應用時有許多局限。

在筆者設計的溫度檢測系統中，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，當電源電壓為4V－30V使流經器件的電流隨溫度的變化而變化。其溫度變化規律為1μA/K，表示以K氏溫度衡量溫度，溫度變化1℃電流變化1μA，這種線性變化的規律給應用帶來很大方便，應用AD590時電源電壓的變化也會影響電流輸出，但電源電壓高時影響會小一些，因此電源電壓適當調高，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系，如果選擇（R1＋VR1）＝10KΩ，那么可得下式：

圖4中R1與VR1串聯，通過調節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，調節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