基于MSP430單片機(jī)的電導(dǎo)率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

1、 中圖分類號(hào):TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2552(200904-0041-03基于MSP430單片機(jī)的電導(dǎo)率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)蔣興東,曾水平(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院自動(dòng)化系,北京100144摘要:介紹了基于高性能、低功耗16位單片機(jī)MSP430F449設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率檢測(cè)裝置的測(cè)量原理、設(shè)計(jì)要求和方案選擇。給出電導(dǎo)率檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)和各個(gè)模塊的功能。關(guān)鍵詞:電導(dǎo)率;MSP430單片機(jī);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(yùn)動(dòng)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(diǎn)看,宜選用導(dǎo)電度好的電解質(zhì)成分,因?yàn)楣I(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(dòng)化程度的提高,需要先進(jìn)的檢測(cè)儀器和儀表做基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置采用TI的MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,MSP430單片機(jī)以其高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)提高了檢測(cè)裝置的性能。1電導(dǎo)與電導(dǎo)率當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),都會(huì)受到阻力的作用,稱為電阻,用符號(hào)表示為R,關(guān)系式為R=lA。式中l(wèi) 為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)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(gè)電特性參數(shù)。上述關(guān)系適用于任一種導(dǎo)體,不過(guò)對(duì)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(lái)表示這個(gè)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(lái)表征,則第二類導(dǎo)體的溫度系數(shù)亦為正。這樣,在實(shí)際運(yùn)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(cè)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(gè)閉合回路,測(cè)出閉合回路的電流就是流過(guò)電解質(zhì)熔液的電流,然后用內(nèi)電極測(cè)出收稿日期:2008-11-07作者簡(jiǎn)介:蔣興東(1982-,男,在讀碩士,研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)。14中間電解質(zhì)導(dǎo)體的電壓,把電流和電壓信號(hào)采集出來(lái),通過(guò)測(cè)量中間導(dǎo)體的電阻,間接測(cè)量出熔液的電導(dǎo)率。用單片機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),按鍵輸入,數(shù)據(jù)計(jì)算和顯示輸出等工作。3檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)3.1檢測(cè)裝置的系統(tǒng)框圖一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容:一是系統(tǒng)擴(kuò)展,即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元,如ROM 、RAM 、I O 、定時(shí)器

7、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí),必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展,選擇適當(dāng)?shù)男酒?設(shè)計(jì)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(jī)、A D 、D A 轉(zhuǎn)換器等,要設(shè)計(jì)合適的接口電路。本設(shè)計(jì)采用MSP430F449單片機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),按鍵輸入和顯示輸出等工作。檢測(cè)裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示,MSP430的存儲(chǔ)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(gè)地址空間中。因此可以用相同的指令訪問(wèn)ROM 、RAM 或者外圍模塊,也可以執(zhí)行RAM 中的程序代碼。無(wú)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(dòng)掃描等特性,帶有10個(gè)捕獲比較器的16位定時(shí)器,可以驅(qū)動(dòng)160段液晶,具有60kB 的F LASH 存儲(chǔ)器和2kB 的RAM 。圖1檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖電壓傳感器和電流傳感器出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送到單片機(jī)的A D 模塊,通過(guò)采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)來(lái)間接計(jì)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(jī)供電。按鍵輸入模塊中共設(shè)4個(gè)按鍵,分別

9、為SET 、UP 、DOW N 、LEFT 。每個(gè)按鍵通過(guò)一個(gè)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(jī)不斷掃描以上端口,若有鍵按下,該端口變?yōu)榈碗娖?單片機(jī)轉(zhuǎn)向執(zhí)行按鍵子程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn):工作電流比LE D 小幾個(gè)數(shù)量級(jí),所以功耗極低,尺寸小,厚度約為L(zhǎng)E D 的13;字跡清晰美觀,壽命長(zhǎng),使用方便。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一直是數(shù)據(jù)記錄儀中一個(gè)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(shí)在發(fā)生掉電故障的情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

10、本裝置采用RS232進(jìn)行與上位機(jī)進(jìn)行異步串行通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。異步串行的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)在線路上的傳輸是不連續(xù)的,沒(méi)有同步時(shí)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(shí)鐘頻率和波特率的比例關(guān)系來(lái)完成通信。一個(gè)字符一般由四部分組成:起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。一個(gè)字符由起始位開始,停止位結(jié)束。起始位為0信號(hào),占用一位,用來(lái)通知接收設(shè)備,一個(gè)新的字符開始來(lái)到。線路上在不傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)該一直保持1。接收端不斷地檢測(cè)線路的狀態(tài)。3.2信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示,整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路總的可以分為兩個(gè)模塊:前端信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊。前端信號(hào)調(diào)理模塊將電壓傳感器和電流傳感器

11、出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、等幾個(gè)環(huán)節(jié)供給下一級(jí)模塊數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理,完成電導(dǎo)率計(jì)算、參數(shù)設(shè)置、顯示輸出、與上位機(jī)通訊等功能。本文設(shè)計(jì)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(diǎn)。它具有5大功能模塊,都可以獨(dú)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(chǔ);可控制的參考電平發(fā)生器;可控制和選擇的時(shí)鐘源;可控制的采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路。當(dāng)采樣信號(hào)S AMPC ON 為高時(shí),采樣保持電路對(duì)模擬信號(hào)采樣,當(dāng)S AMPC ON 出現(xiàn)下降沿時(shí),轉(zhuǎn)換即發(fā)生。當(dāng)S AMPC ON 為低時(shí),采樣保持電路保持信號(hào)值。轉(zhuǎn)換需要13個(gè)時(shí)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(hào)應(yīng)保持穩(wěn)定有效,同時(shí)也希望在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,相鄰的通道不出現(xiàn)數(shù)字活動(dòng),以保證電源毛刺、地電平波動(dòng)、交互串?dāng)_等不會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。ADC12用5個(gè)控制寄存器、16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器和16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)控制寄存器來(lái)配置。16個(gè)存儲(chǔ)寄存器都配有各自的控制寄存器來(lái)說(shuō)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(hào)、A D 時(shí)鐘、采樣時(shí)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(hào)放在八個(gè)序列通道里面,當(dāng)采集到最后一個(gè)通道的時(shí)候給它一個(gè)E OS 信號(hào),這樣本序列通道采集完畢。然后采集十六次或更多,最后計(jì)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(hào)調(diào)理電路圖3流程圖5結(jié)束語(yǔ)在電導(dǎo)率檢測(cè)裝置中,除了對(duì)測(cè)量原理和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了深入研究和論證外,還對(duì)具體實(shí)現(xiàn)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用了低功耗單片機(jī)MSP430F449進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理,實(shí)驗(yàn)證明該檢測(cè)裝