基于MSP430單片機的電導(dǎo)率檢測裝置的設(shè)計

1、 中圖分類號:TP302文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2552(200904-0041-03基于MSP430單片機的電導(dǎo)率檢測裝置的設(shè)計蔣興東,曾水平(北方工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院自動化系,北京100144摘要:介紹了基于高性能、低功耗16位單片機MSP430F449設(shè)計的電導(dǎo)率檢測裝置的測量原理、設(shè)計要求和方案選擇。給出電導(dǎo)率檢測裝置的硬件設(shè)計和各個模塊的功能。關(guān)鍵詞:電導(dǎo)率;MSP430單片機;數(shù)據(jù)采集Design of electrical conductivity detectingequipment based on MSP430J I ANG X ing2dong,ZE NG Shui

2、2ping(Dep artment of Autom ation,School of Mech anical and E lectrical,N orth I ndustrial U niversity,B eijing100144,China Abstract:This paper introduced the device of electrical conductivity detecting based on MSP430F449,which is powerful in property and low in electricity consum ption.there are tr

3、ee parts included in this article:theory of measurement,design requirments and the choice of plan.M oreover,the design of hardware of the electrical conductivity detecting device,and the function of each m odule are given.K ey w ords:electrical conductivity;MSP430;data acquisition0引言鋁電解質(zhì)的電導(dǎo)率與離子的運動有直

4、接關(guān)系,它決定離子的本性和離子間的相互作用。所以研究鋁電解質(zhì)的電導(dǎo)率有助于了解電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)。從應(yīng)用的觀點看,宜選用導(dǎo)電度好的電解質(zhì)成分,因為工業(yè)鋁電解槽中電解質(zhì)的歐姆電壓約占槽電壓的30%,提高其導(dǎo)電度可以降低槽電壓,從而節(jié)省電能。生產(chǎn)水平與自動化程度的提高,需要先進(jìn)的檢測儀器和儀表做基礎(chǔ)。本文設(shè)計的檢測裝置采用TI的MSP430單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,MSP430單片機以其高性能、低功耗的優(yōu)點提高了檢測裝置的性能。1電導(dǎo)與電導(dǎo)率當(dāng)電流通過導(dǎo)體時,都會受到阻力的作用,稱為電阻,用符號表示為R,關(guān)系式為R=lA。式中l(wèi) 為導(dǎo)體的有效長度(cm,A為導(dǎo)體的有效橫截面積(cm2,為電阻率,它是導(dǎo)體的一

5、個電特性參數(shù)。上述關(guān)系適用于任一種導(dǎo)體,不過對于第二類導(dǎo)體(常為電解質(zhì)溶液,通常用電導(dǎo)和電導(dǎo)率來表示這個阻力的大小。原因在于:第一類導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)是正的,即溫度升高,電阻率就增大,反之則減小。而第二類導(dǎo)體的溫度系數(shù)是負(fù)的,即溫度升高,電阻率減小,反之則增大。若采用電阻的倒數(shù)即電導(dǎo)來表征,則第二類導(dǎo)體的溫度系數(shù)亦為正。這樣,在實際運用中就比較方便。由此,電導(dǎo)的表達(dá)式為:G=1R=1Al=Al=1K式中,G為溶液的電導(dǎo),單位為西門子(S;A為導(dǎo)體的有效橫截面積(cm2;是電導(dǎo)率,單位為每厘米西門子(cm-1或Scm;K為電導(dǎo)池常數(shù)(cm-1,它是電導(dǎo)電極兩極片之間的距離L與極片面積A 之比值。

6、2電導(dǎo)率檢測的方法把電極插入電解質(zhì)熔液中,外電極接0-8V交流電,這樣就形成一個閉合回路,測出閉合回路的電流就是流過電解質(zhì)熔液的電流,然后用內(nèi)電極測出收稿日期:2008-11-07作者簡介:蔣興東(1982-,男,在讀碩士,研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置的設(shè)計。14中間電解質(zhì)導(dǎo)體的電壓,把電流和電壓信號采集出來,通過測量中間導(dǎo)體的電阻,間接測量出熔液的電導(dǎo)率。用單片機來完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)存儲,按鍵輸入,數(shù)據(jù)計算和顯示輸出等工作。3檢測裝置的硬件設(shè)計3.1檢測裝置的系統(tǒng)框圖一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容:一是系統(tǒng)擴展,即單片機內(nèi)部的功能單元,如ROM 、RAM 、I O 、定時器

7、計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時,必須在片外進(jìn)行擴展,選擇適當(dāng)?shù)男酒?設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置,即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備,如鍵盤、顯示器、打印機、A D 、D A 轉(zhuǎn)換器等,要設(shè)計合適的接口電路。本設(shè)計采用MSP430F449單片機來完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)存儲,按鍵輸入和顯示輸出等工作。檢測裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示,MSP430的存儲器空間采用“馮一諾依曼”結(jié)構(gòu),ROM 、RAM 和外圍模塊由同一組地址及數(shù)據(jù)總線連接在同一個地址空間中。因此可以用相同的指令訪問ROM 、RAM 或者外圍模塊,也可以執(zhí)行RAM 中的程序代碼。無論ROM 、RAM 、SFR 或外圍模塊,都位于同一

8、公共地址空間中,尋址空間為64kB 。MSP430F449工作電壓為1.83.6V ,具有12位的A D 轉(zhuǎn)換器且?guī)в袃?nèi)部參考源、采樣保持、自動掃描等特性,帶有10個捕獲比較器的16位定時器,可以驅(qū)動160段液晶,具有60kB 的F LASH 存儲器和2kB 的RAM 。圖1檢測裝置系統(tǒng)框圖電壓傳感器和電流傳感器出來的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路送到單片機的A D 模塊,通過采集電壓信號和電流信號來間接計算出電導(dǎo)率。在電源模塊中采用9V 供電,用LM317得到5V 的電壓,再用LM111723.3得到3.3V 的電壓,5V 主要給放大器供電,3.3V 主要給單片機供電。按鍵輸入模塊中共設(shè)4個按鍵,分別

9、為SET 、UP 、DOW N 、LEFT 。每個按鍵通過一個10k 的上拉電阻拉高,并分別接入MSP430的10口P1.0-P1.3。按鍵狀態(tài)信息的輸入采用查詢方式,單片機不斷掃描以上端口,若有鍵按下,該端口變?yōu)榈碗娖?單片機轉(zhuǎn)向執(zhí)行按鍵子程序,實現(xiàn)對應(yīng)于該鍵的操作。系統(tǒng)的顯示單元采用LC D 液晶顯示。LC D 有明顯的優(yōu)點:工作電流比LE D 小幾個數(shù)量級,所以功耗極低,尺寸小,厚度約為LE D 的13;字跡清晰美觀,壽命長,使用方便。數(shù)據(jù)存儲一直是數(shù)據(jù)記錄儀中一個很重要的部分。它不僅要求提供大容量、高速率的數(shù)據(jù)存取,還要保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性,同時在發(fā)生掉電故障的情況下數(shù)據(jù)不會丟失。

10、本裝置采用RS232進(jìn)行與上位機進(jìn)行異步串行通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理。異步串行的特點是數(shù)據(jù)在線路上的傳輸是不連續(xù)的,沒有同步時鐘脈沖,收發(fā)雙方依靠事先約定的字符格式、傳輸波特率及時鐘頻率和波特率的比例關(guān)系來完成通信。一個字符一般由四部分組成:起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。一個字符由起始位開始,停止位結(jié)束。起始位為0信號,占用一位,用來通知接收設(shè)備,一個新的字符開始來到。線路上在不傳輸數(shù)據(jù)的時候應(yīng)該一直保持1。接收端不斷地檢測線路的狀態(tài)。3.2信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路如圖2所示,整個轉(zhuǎn)換器電路總的可以分為兩個模塊:前端信號調(diào)理模塊和數(shù)字信號處理模塊。前端信號調(diào)理模塊將電壓傳感器和電流傳感器

11、出來的信號經(jīng)過放大、濾波、等幾個環(huán)節(jié)供給下一級模塊數(shù)字信號處理模塊進(jìn)行處理,完成電導(dǎo)率計算、參數(shù)設(shè)置、顯示輸出、與上位機通訊等功能。本文設(shè)計中放大器采用的是MCP6001。4數(shù)據(jù)采集ADC12是12位精度的A D 轉(zhuǎn)換模塊,具有高速、通用的特點。它具有5大功能模塊,都可以獨立配置,即:帶有采樣保持功能的ADC 內(nèi)核;可控制的轉(zhuǎn)換存儲;可控制的參考電平發(fā)生器;可控制和選擇的時鐘源;可控制的采樣及轉(zhuǎn)換時序電路。當(dāng)采樣信號S AMPC ON 為高時,采樣保持電路對模擬信號采樣,當(dāng)S AMPC ON 出現(xiàn)下降沿時,轉(zhuǎn)換即發(fā)生。當(dāng)S AMPC ON 為低時,采樣保持電路保持信號值。轉(zhuǎn)換需要13個時鐘周期

12、。為得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換,在采24樣期間,輸入的模擬信號應(yīng)保持穩(wěn)定有效,同時也希望在整個轉(zhuǎn)換過程中,相鄰的通道不出現(xiàn)數(shù)字活動,以保證電源毛刺、地電平波動、交互串?dāng)_等不會影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC12用5個控制寄存器、16個轉(zhuǎn)換存儲寄存器和16個轉(zhuǎn)換存儲控制寄存器來配置。16個存儲寄存器都配有各自的控制寄存器來說明每次轉(zhuǎn)換的采樣通道和參考電平。其他的ADC12的工作條件,如轉(zhuǎn)換模式、采樣和轉(zhuǎn)換控制信號、A D 時鐘、采樣時序等,由控制寄存器ADC12CT LO 和ADC12CT LI 定義。在數(shù)據(jù)采集方面可以采用序列通道多次轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換,首先把電壓傳感器和電流傳感器的信號放在八個序列通道里面,當(dāng)采集到最后一個通道的時候給它一個E OS 信號,這樣本序列通道采集完畢。然后采集十六次或更多,最后計算出十六次采樣的平均值,把數(shù)值放到寄存器里面。流程圖如圖3所示 。圖2 信號調(diào)理電路圖3流程圖5結(jié)束語在電導(dǎo)率檢測裝置中,除了對測量原理和設(shè)計方案進(jìn)行了深入研究和論證外,還對具體實現(xiàn)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)的設(shè)計。本設(shè)計采用了低功耗單片機MSP430F449進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理,實驗證明該檢測裝