基于MSP430单片机的电导率检测装置的设计

２００９耳第４期中图分类号：’Ｉ＇Ｐ３０２文献标识码：Ａ文章编号：１００９—２５５ｚ（２００９）０４一００４１—０３基于ＭＳＰ４３０单片机的电导率检测装置的设计蒋兴东，曾水平（北方工业大学机电学院自动化系，北京１００１４４）摘要：介绍了基于高性能、低功耗１６位单片机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９设计的电导率检测装置的测量原理、设计要求和方案选择。

给出电导率检测装置的硬件设计和各个模块的功能。

关键词：电导率；ＭＳＰ４３０单片机；数据采集ＤｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＭＳＰ４３０ＪＬ州Ｇ）（ｉｎｇ—ｄｏｎｇ，ＺＥＮＧＳｈｕｉ—ｐｉｎｇ（Ｄｅｒｍ＇ｎｎｔｍｔ０ｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｃｈｏｏｌ０ｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ＮｏｒｔｈＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｎｅｉｊｉ雄１００１４４，Ｏａｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｖｉｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ）ｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＭＳＰ４３０Ｆ４４９，ｗｈｉｃｈｉｓｐｏｗｅｒｆｕｌｉｎｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄｌｏｗｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．ｔｈｅｒｅａＩｅ乜优ｐａｒｔｓｉｎｃｌｕｄｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ：ｔｈｅｏｒｙｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｐｌａｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌｅａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ；ＭＳＰ４３０；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ０引言铝电解质的电导率与离子的运动有直接关系，它决定离子的本性和离子间的相互作用。

所以研究铝电解质的电导率有助于了解电解质的结构。

从应用的观点看，宜选用导电度好的电解质成分，因为工业铝电解槽中电解质的欧姆电压约占槽电压的３０％，提高其导电度可以降低槽电压，从而节省电能。

生产水平与自动化程度的提高，需要先进的检测仪器和仪表做基础。

本文设计的检测装置采用１１的ＭＳＰ４３０单片机进行数据的采集，ＭＳＰ４３０单片机以其高性能、低功耗的优点提高了检测装置的性能。

１电导与电导率当电流通过导体时，都会受到阻力的作用，称为电阻，用符号表示为Ｒ，关系式为Ｒ＝ｐｌ／Ａ。

式中ｌ为导体的有效长度（ｃｍ），Ａ为导体的有效横截面积（ｃ矗），ｐ为电阻率，它是导体的一个电特性参数。

上述关系适用于任一种导体，不过对于第二类导体（常为电解质溶液），通常用电导和电导率来表示这个阻力的大小。

原因在于：第一类导体的电阻温度系数是正的，即温度升高，电阻率就增大，反之则减小。

而第二类导体的温度系数是负的，即温度升高，电阻率减小，反之则增大。

若采用电阻的倒数即电导来表征，则第二类导体的温度系数亦为正。

这样，在实际运用中就比较方便。

由此，电导的表达式为：。

１１ＡＡ１ｂ２面２石丁２盯丁２Ｐ式中，Ｇ为溶液的电导，单位为西门子（Ｓ）；Ａ为导体的有效横截面积（ｃｍ２）；ｄ是电导率，单位为每厘米西门子（ｃｍ）一ｌ或Ｓ／ｅｒａ；Ｋ为电导池常数（ｃｍ—１），它是电导电极两极片之间的距离Ｌ与极片面积Ａ之比值。

２电导率检测的方法把电极插入电解质熔液中，外电极接０—８Ｖ交流电，这样就形成一个闭合回路，测出闭合回路的电流就是流过电解质熔液的电流，然后用内电极测出收稿日期：２００８—１１．．０７作者简介：蒋必东（１９８２一），男．在读硕士，研究方向为检测技术与自动化装置的设计。

一４ｌ一中间电解质导体的电压，把电流和电压信号采集出来，通过测量中间导体的电阻，间接测量出熔液的电导率。

用单片机来完成数据采集，数据存储，按键输入，数据计算和显示输出等工作。

３检测装置的硬件设计３．１检测装置的系统框图一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＩＯ、定时器／计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器等，要设计合适的接口电路。

本设计采用ＭＳＰ４３０Ｆ４４９单片机来完成数据采集，数据存储，按键输入和显示输出等工作。

检测装置的系统框图如图１所示，ＭＳＰ４３０的存储器空间采用“冯一诺依曼”结构，ＲＯＭ、ＲＡＭ和外围模块由同一组地址及数据总线连接在同一个地址空间中。

因此可以用相同的指令访问ＲＯＭ、ＲＡＭ或者外围模块，也可以执行ＲＡＭ中的程序代码。

无论ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＦＲ或外围模块，都位于同一公共地址空间中，寻址空间为６４ｋＢ。

ＭＳＰ４３０Ｆ４４９工作电压为１．８～３．６Ｖ，具有１２位的Ａ／Ｄ转换器且带有内部参考源、采样保持、自动扫描等特性，带有１０个捕获，比较器的１６位定时器，可以驱动１６０段液晶，具有６０ｋＢ的ＦＬＡＳＨ存储器和２ｋＢ的ＲＡＭ。

图ｌ检测装置系统框图电压传感器和电流传感器出来的信号经过信号调理电路送到单片机的Ａ／Ｄ模块，通过采集电压信号和电流信号来间接计算出电导率。

在电源模块中采用９Ｖ供电，用ＬＭ３１７得到５Ｖ的电压，再用ＬＭｌｌｌ７－３．３得到３．３Ｖ的电压，５Ｖ主要给放大器供电，３．３Ｖ主要给单片机供电。

按键输入模块中共设４个按键，分别为ＳＥＴ、ＵＰ、ＤＯＷＮ、ＬＥＦｌ＇。

每个按键通过一个ｌＯｋ的上拉电阻拉高，并分别接入ＭｓＰ４３０的Ｉ／０口Ｐ１．Ｏ—Ｐ１．３。

按键状态信息的输入采用查询方式，单片机不断扫描以上端口，若有键按下，该端口变为低电平，单片机转向执行按键子程序，实现对应于该键的操作。

系统的显示单元采用ＬＣＤ液晶显示。

ＬＣＤ有明显的优点：工作电流比ＬＥＤ小几个数量级，所以功耗极低，尺寸小，厚度约为ＬＥＤ的１／３；字迹清晰美观，寿命长，使用方便。

数据存储一直是数据记录仪中一个很重要的部分。

它不仅要求提供大容量、高速率的数据存取，还要保证数据的安全性和可靠性，同时在发生掉电故障的情况下数据不会丢失。

本装置采用ＲＳ２３２进行与上位机进行异步串行通讯来实现数据的实时处理。

异步串行的特点是数据在线路上的传输是不连续的，没有同步时钟脉冲，收发双方依靠事先约定的字符格式、传输波特率及时钟频率和波特率的比例关系来完成通信。

一个字符一般由四部分组成：起始位、数据位、奇偶·－－——４２．．．——校验位和停止位。

一个字符由起始位开始，停止位结束。

起始位为０信号，占用一位，用来通知接收设备，一个新的字符开始来到。

线路上在不传输数据的时候应该一直保持１。

接收端不断地检测线路的状态。

３．２信号调理电路信号调理电路如图２所示，整个转换器电路总的可以分为两个模块：前端信号调理模块和数字信号处理模块。

前端信号调理模块将电压传感器和电流传感器出来的信号经过放大、滤波、等几个环节供给下一级模块一数字信号处理模块进行处理，完成电导率计算、参数设置、显示输出、与上位机通讯等功能。

本文设计中放大器采用的是ＭＣ３ａ６（）ｏＩ。

４数据采集ＡＤＣｌ２是１２位精度的Ａ／Ｄ转换模块，具有高速、通用的特点。

它具有５大功能模块，都可以独立配置，即：带有采样／保持功能的ＡＤＣ内核；可控制的转换存储；可控制的参考电平发生器；可控制和选择的时钟源；可控制的采样及转换时序电路。

当采样信号ＳＡＭＰＣＯＮ为高时，采样／保持电路对模拟信号采样，当ＳＡＭＰＣＯＮ出现下降沿时，转换即发生。

当ＳＡＭＰＣＯＮ为低时，采样／保持电路保持信号值。

转换需要１３个时钟周期。

为得到准确的转换，在采样期间，输入的模拟信号应保持稳定有效，同时也希望在整个转换过程中，相邻的通道不出现数字活动，以保证电源毛刺、地电平波动、交互串扰等不会影响转换结果。

ＡＤＣｌ２用５个控制寄存器、１６个转换存储寄存器和１６个转换存储控制寄存器来配置。

１６个存储寄存器都配有各自的控制寄存器来说明每次转换的采样通道和参考电平。

其他的ＡＤＣｌ２的工作条件，如转换模式、采样和转换控制信号、Ａ／Ｄ时钟、采样时序等，由控制寄存器ＡＤＣｌ２ＣＴＬＯ和ＡＤＣｌ２ＣＩ／』定义。

在数据采集方面可以采用序列通道多次转换的方式进行ＡＤ转换，首先把电压传感器和电流传感器的信号放在八个序列通道里面，当采集到最后一个通道的时候给它一个ＥＯＳ信号，这样本序列通道采集完毕。

然后采集十六次或更多，最后计算出十六次采样的平均值，把数值放到寄存器里面。

流程图如图３所示。

图３流程图韵Ｒ图２信号调理电路５结束语在电导率检测装置中，除了对测量原理和设计方案进行了深入研究和论证外，还对具体实现的硬件系统进行了反复的设计。

本设计采用了低功耗单片机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９进行数据的采集和处理，实验证明该检测装置性能良好。

参考文献：［１］马凌宇，韩威，丁海铭．四电极法电导率仪电计检测技术的探讨［Ｊ］．中国计量，２００３（６）：６３．［２］胡大可．ｂｔＳＰ４３０系列［＇ＬＡＳＨ犁超低功耗１６位单片机［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版杜，２００１：１—３．［３】刘开培。

曹顺安．商纯水电导率测定用动态脉冲产生方法［Ｊ］．工业仪表与自动化，１９９９（５）：４８—５０．［４］魏颖．电阻层析成象技术（ＥＲｒ）及其在两相流测量中的应用研究［Ｄ］．东北大学博士论文，２００１：９—２５．责任编辑：肖滨－—－－——４３·－－——基于MSP430单片机的电导率检测装置的设计作者：蒋兴东， 曾水平， JIANG Xing-dong， ZENG Shui-ping作者单位：北方工业大学机电学院自动化系,北京,100144刊名：信息技术英文刊名：INFORMATION TECHNOLOGY年，卷(期)：2009，(4)引用次数：0次1.韩威.丁海铭.马凌宇四电极法电导率仪电计检测技术的探讨[期刊论文]-中国计量 2003(6)2.胡大可MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机 20013.刘开培.曹顺安高纯水电导率测定用动态脉冲产生方法 1999(5)4.魏颖电阻层析成象技术(ERT)及其在两相流测量中的应用研究[学位论文] 20011.期刊论文任涛.REN Tao基于MSP430单片机的智能在线电导率分析仪的研制-江苏电机工程2007,26(2)介绍了基于高性能、超低功耗的16位单片机MSP430F149设计的在线电导率分析仪的测量原理、设计要求与方案选择,给出了系统的硬件结构和软件设计的思路.该设计符合电厂化水取样的要求,可节省外部资源的开销,并极大地提高了整个电路的可靠性.2.学位论文张卫基于MSP430的电网设备实时监测系统2008在高压电网设备的故障中，由于发热、泄漏电流造成停电的问题时有发生。