基于MSP430G2553的光纤传感高温测量系统

2013拄第 9期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2013No．9基于 MSP430G2553的光纤传感高温测量系统张晓颖，段中华，李向昭，孟兆坤，孙元平(烟台大学光电信息科学技术学院，山东烟台 264005)摘要 ：为了实现光纤传感高温测量，利用低功耗单片机 MSP430G2553作为主控芯片，利用轨至轨运算放 大器作为信号处理单元，设计了信号调理电路 ，设计了单片机程序及上位机程序。以测量电炉丝温度的升降过程为例 。给出了系统的实时测量曲线。加入 了无线通信模 块 NRF24L01，实现 了非接触远程测量，测量精度为 ±0．5~C，测量 范围为 400～1 200~C．测量次数为50次／s，满足各高温测量应用场合。

关键词：光纤传感器；高温测量；MSP430G2553；非接触远程测量；NRF24L01中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号 1002—1841(2013)09—0052—03Optical Fiber Sensing lIi Temperature Measurement System Based 0n MSP430G2553ZHANG Xiao-ying，DUAN Zhong—hua，LI Xiang—zhao，MENG Zhao-kun，SUN Yuan·ping(Institute of Science and Technology for Opto-electronic Information，Yantai University，Yantai 264005，China)Abstract：In order to achieve high temperature measurement of the optical fiber sensing，a low—power mierocontrolerMSP430G2553 was used as the master chip．The signal conditioning circuit was designed which used a rail—to—rail operational am—plifer as a signal processing unit and the microcontroller pmgram and host computer program were compiled．Taking the changingprocesses of measuring the temperature of the heating wire as example，the system’S real—time measurement curve was provided．ThewirelesS communication modu1e NRF24L01 was added to achieve n0n—contact ren1ote n1easuIlements．The measuIlement accumcv is±0．5℃ and measurement range is from 400℃ to 1 200℃ ．The survey frequency is fifty and completely meets the requirementsof high temperature measurement applications.

Key words：fiber optic sensors；high temperature measurement；MSP430G2553；non—contact remote measurement；NRF24L010 引言目前国内的测温手段主要是依靠各种规格的热电偶 、热电阻” ，采用接触式测量，信号易受电磁干扰而影响精度和稳定性。热电偶属接触式测温，只能测量平均温度 ，不能测瞬间温度，响应速度慢，在高温高压、风力剪切、结晶、腐蚀等恶劣环境下，寿命短，精度和稳定性较差。另外，对于高温的测量，常采用辐射温度计，它是利用透镜会聚辐射光，不可避免地会受到杂散光和环境温度影响，难 以判明测点位置 ，从而影响测量精度和稳定性。光纤传感测温技术采用比色法原理进行测温，具有测量精度高、温度响应速度快、抗电磁干扰、信号损耗少、体积小等优点 ，能有效减小被测物体的发射率变化、环境干扰、器件老化等因素带来的测量误差，因此，在高温测量领域，光纤测温仪得到广泛的应用 J。基于 MSP430G2553单片机，设计了光纤传感高温测量系统。实现了高精度、高重复性、快速响应、非接触式测量，实现了高温的动态测量，可以输出温度曲线，实现越限声光报警、远程无线数据传输、远程设定报警参数等。

1 光纤传感器简介光纤传感器应用范围广泛，主要应用于温度、压力、位移、基金项目：国家自然科学基金项目(11174241)；山东省自然科学基金项目(2009VRA06063)收稿日期：2012—10—13 收修改稿 日期 ：2013-06—20液位、加速度、电流等 物理量 的测量 ，系统采用 GXW 一141A光纤传感器，其测量精度为0．5~C，测量范围为400～1 200~C，信号处理单元采用四线制：4-12 V、GND和信号输出线，输出信号为0—5 V的模拟电压。光纤测温的理论依据是物体温度与发光波长具有对应关系 。它利用光纤的空间滤波效应，使入射光波从空间瞬态变为空间稳态，消除了杂散光的影响，提高了测量的精度和稳定性，实现了遥测技术。其内部结构框图如图 1所示，热源辐射的红外波密度，经光纤传导进入光电转换单元，经缓冲放大、线性化处理后，得到与被测温度信号成线性关系的电压信号。

图 1 光纤传 感器结构框 图2 系统硬件结构系统主要由4个部分构成：光纤测量信号处理模块、单片机数据采集及处理、输入输 出部分以及无线发射接收模块，如图2所示。为了实现遥控设置相关信息和节省单片机的 10口，采用遥控器输入信息，输入部分仅有红外接收电路，采用常用的一体化红外接收头 HS0038。输出包括 12864液晶显示、控制信号输出。12864液晶采用串行通信，只用两个单片机的 10第9期 张晓颖等：基于MSP430G2553的光纤传感高温测量系统 53口分别与液晶的数据线和时钟线相连即司，控制信号输出二进制开关量，整体看来，输入输出部分电路比较简单，不做过多叙述。

E l IIMSP so卜回 ——1——— j 43O厂L ． J
厢 。lHf I信号处理单元H }· 簇较簇镁I图 2 系统结构框图2．1 信号处理电路信号处理模块主要实现光纤传感器输出信号的跟随及分压处理功能，使其输出的信号在0～3．3 V范围内，便于单片机AD采集。在此模块中，选用了 OPA2410高精度、低噪声、轨至轨JFET型运算放大器 。其特点主要体现在具有非常低的温度漂移(1 i~V／~C)、输入电压范围大(4．5～36 V)、轨至轨输出等。在 11 MHz单位增益带宽时，其压摆率为20V／l~s，体现了它具有较快的响应速度，可以实时反映温度的瞬时变化趋势。电路如图3所示，选择5V供电，输入输出关系为：vo = 。R2／(Rl+R2)在使用此电路时，要特别注意的是 、R：要选择 M级的电阻，如果选择k级电阻，当输入信号接近5 V时，输出信号不满足上述关系式。这是由于R：过小，在输入信号接近电源轨时，其上产生了过大的电流，流人 了地平面，从而导致输出达不到相应的函数关系式。另外 ，在实际电路调试时，最好将 换成1个 1．2 MQ左右的电阻和 1个 500 kQ左右的电位器 串联。

这样，当电阻的精度不高时，通过调节电位器，也可以很好的实现输入5 V信号时，得到3 V的输出信号。

图 3 信号处理 电路 图2．2 无线发射接收模块为实现系统的远程控制 ，减少布线，系统中加入 了无线通信模块。该模块的无线射频收发芯片采用 NRF24L01 ，采用Enhanced ShockBurstTM收发模式，在此模式下 ，芯片 自动处理字头和 CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和 CRC校验码移除；发送数据时只需要将数据放入发送数据缓冲区，芯片会自动产生CRC数据并将这些数据和地址信息、发送数据缓冲区的数据等组成一个数据包发送出去。增强式突发模式 比突发模式多了数据传输的握手信号，这样可以保证数据传输的可靠性。当配置为增强式突发模式时，芯片发送数据后会自动切换到接收模式以接收返回的握手信号，当收到确认信号后 IRQ引脚产生数据发送完成中断，如果没有握手信号返回表示发送失败，芯片会自动重新发送。如果重新发送的次数超过在 ARC— CNT寄 存 器 里 面设 定 的值 则 会 在 IRQ引 脚 产 生 中断。

MSP430G2553通过查询 STATUS寄存器的值即可知道是发送完成中断还是 重发次数超 限中断，电路如 图 4所示。关 于NRF24L01的详细介绍，请参考其数据手册。

VDD工图4 NRF24L01电路原理图2．3 单片机数据采集及输出控制电路综合考虑系统的复杂程度、性价比、供电的统一性、低功耗及单片机的内部功能等因素，选用了MSP430G2553单片机。该单片机采用 1．8—3．6 V单电源供电，与 NRF24L01供电电压范围一致。系统时钟最高可达21 MHz，完全满足系统需要。内部具有 8通道 l0位 ADC，本系统需要一个通道即可。两个 16位定时器 ，14个可用 IO引脚，并且每个引脚都可以设置为上升沿或下降沿触发中断，满足红外接收头信息处理的需要。数据采集采用内部 10位AD，选择内部3．3 V电源电压作为参考，这样保证了数据采集的稳定。数据采集及引脚分配电路图如图5所示。其中四路输出包括报警声音控制信号的输出、报警 LED的控制、降温设备(如风扇)的控制等。

图 5 数据采集及引脚分配报警声音采用两片NE555构成双音频报警电路，通过控制NE555的RST端实现报警信号的输出与否，电路如图6所示。

对于电容C 通过 IC。的2脚充电及7脚的放电过程，使2脚的输入波形为三角波，调节 ：的值可以改变电容的充电时间，即三角波的上升时间，通过这种方式可以改变触发的时间间隔 ，从而控制3脚的输出频率，并可以改变3脚输出方波的占空比。调节 c 的值，可以改变充放电的时间，当电容值较小时，