原油含水率測定儀出現(xiàn)于20世紀90年代末，它是有溫控儀、定時器等開關儀表組成的一種集測量與控制于一體的蒸餾法測定原油含水率的產(chǎn)品，適用于石油、石化等行業(yè)中原油含水率的測量。本儀器采用MSP430單片機，是集溫度控制、時間控制、蒸餾功率控制和制冷循環(huán)水控制等功能為一體的自動化、智能化儀器。
系統(tǒng)設計方案
1溫度傳感器的選擇
一般情況下，在溫度測量中所采用的傳感器有：熱電偶和熱電阻兩大類。本系統(tǒng)需測控3處的溫度，由于熱電偶需溫度補償，而熱電阻不需要，從硬件成本和軟件復雜程度考慮確定采用熱電阻PT100。
2 MSP430單片機
MSP430系列單片機為低功耗16位的精簡指令構架，在線可編程，將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)：片內(nèi)DCO振蕩器，看門狗定時器/通用目的定時器，Timer_A3（帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器），Timer_B7（帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器），I/O端口1、2（每一個有8個I/O端口，均具有中斷功能）、I/O端口3、4、5、6（每一個有8個I/O端口，可以位操作），ADC12（8路12位A/D）,USART0和USART1,16位硬件乘法器等。
3 ICM7218A顯示驅(qū)動芯片
本系統(tǒng)需26位數(shù)碼管顯示。為減少空間，少用器件，選用4片ICM7218A顯示驅(qū)動器。
ICM7218A譯碼驅(qū)動芯片是8位靜態(tài)LED驅(qū)動器，內(nèi)含8×8位靜態(tài)RAM，用于存放顯示數(shù)據(jù)；有較強的位段驅(qū)動能力，能直接連接8只0.5英寸數(shù)碼管。
系統(tǒng)總體組成結構及工作原理
如圖1所示，整個系統(tǒng)由單片機主機系統(tǒng)、傳感器信號處理電路、加熱控制電路、冷卻水控制電路、鍵盤、數(shù)碼管顯示和電源模塊等組成。P1和P2.0、P2.1口作為系統(tǒng)的鍵盤線；P3、P4和P2.3～P2.7口作為系統(tǒng)的控制驅(qū)動線；P5和P2.2、P6.0～P6.3口作為系統(tǒng)的顯示驅(qū)動線；測量信號通過P6.0～P6.3接至MCU。系統(tǒng)的電源模塊產(chǎn)生+2.5V、+3.6V、＋5V和+12V電壓，分別為主機系統(tǒng)和傳感器接口電路提供穩(wěn)定的工作電壓。
圖1 系統(tǒng)總體構成圖
本系統(tǒng)通過溫度傳感器PT100進行冷凝水、蒸餾冷凝器、恒溫稀釋箱內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過放大處理模塊進行高精度的測量。用戶可以通過鍵盤選擇加熱工位和設定冷凝器內(nèi)汽溫的上限值；設定冷凝水和加熱稀釋箱的溫度值；設定蒸餾時間；設定輸入溫度和電壓的標定值等參數(shù)。儀器采用冷凝循環(huán)水系統(tǒng)，MPS430單片機通過控制制冷機組來控制循環(huán)水的溫度在室溫左右（約25℃）；原油一般在60℃時取樣，MCU通過控制加熱管使加熱稀釋箱的溫度在60℃左右。油樣在加熱蒸餾前溫度不高，為提高化驗效率，蒸餾時先采用大功率加熱，油樣近100℃時切換小功率加熱。加熱蒸餾功率的調(diào)整通過控制加熱管供電電壓來實現(xiàn)，系統(tǒng)能顯示加熱管供電電壓；顯示定時時間；顯示循環(huán)水溫度的設定值和實際值；顯示蒸餾冷凝器內(nèi)溫度；顯示加熱稀釋箱內(nèi)溫度的設定值和實際值。
系統(tǒng)的主要硬件電路設計
1 溫度測量放大電路
如圖2所示，電路由TL431精密穩(wěn)壓器、電阻橋、放大電路組成。精密電阻R3、R4、R5和PT100組成了一個電阻橋，電阻R2用于電橋補償；TL431和電阻R1組成2.5V的精密穩(wěn)壓電路，給電阻橋供電；熱電阻PT100采用3線連接，可以抵消連線長度誤差；測量溫度范圍在0～100℃，采用單電源儀表放大器AD623 對電橋信號進行放大處理。
圖2 溫度測量組成電路原理圖
2 加熱蒸餾控制驅(qū)動電路
電路如圖3所示，單片機控制信號經(jīng)反向器74LS07后，控制三極管，驅(qū)動繼電器動作；繼電器K1，總控各工位加熱；K2起到加熱功率切換的作用；K3～K8(或K14)控制各工位加熱管；R1、R2控制固態(tài)調(diào)壓器輸出不同的電壓波形。
圖3 加熱電路原理圖
3 電磁攪拌電路設計
如圖4所示，固態(tài)調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速，經(jīng)變壓器降壓，全橋整流，變成直流電，控制12V直流電機。
圖4 電磁攪拌電路原理圖
4 加熱稀釋電路設計
有反相器74LS07、二極管、三極管、電阻、繼電器組成控制電路，控制加熱管和風機。
5 制冷循環(huán)水電路設計
有反相器74LS07、二極管、三極管、電阻、繼電器組成控制電路，控制壓縮機、散熱器、水泵。
6 電壓測量電路設計
該參數(shù)精度要求不高，采用全橋整流、電阻降壓獲取信號，進單片機A/D端。
7 鍵盤、顯示電路設計
本系統(tǒng)有22個按鍵，采用5×5鍵盤陣列，占用10條I/O線：P1.0～P1.7和P2.0、P2.1。用單片機的P5口作為和顯示驅(qū)動器ICM7218A數(shù)據(jù)傳輸總線，P6.2作為公共控制線連接ICM7218的MODE，P2.2、P6.0、P6.1、P6.3作為片選線連接ICM7218的/WR腳。
系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件采用模塊化結構設計，分為八大塊，即系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵識別及處理模塊、水溫測量及控制模塊、稀釋箱溫度測量及控制模塊、蒸汽溫度測量及控制模塊、定時處理模塊、加熱管供電電壓測量模塊。
系統(tǒng)通過初始化模塊設置顯示緩沖區(qū)、堆棧指針、操作標志和工作寄存器、各I/O端口的方向、A/D轉(zhuǎn)換器設置、系統(tǒng)定時器模塊，以及系統(tǒng)中斷設置等。鍵盤模塊負責按鍵的識別和按鍵處理，當有按鍵動作時調(diào)用相應的按鍵處理子程序進行處理，可實現(xiàn)對循環(huán)水、稀釋箱及冷凝器內(nèi)溫度設定，定時時間的設定，工位的選擇及各部分的起停。水溫測量及控制模塊能對冷凝循環(huán)水溫度數(shù)據(jù)進行處理，處理數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)，發(fā)出控制信號控制制冷機組，使水溫保持在設定范圍。稀釋箱溫度測量及控制模塊能對稀釋箱內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進行處理，處理數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)，發(fā)出控制信號控制加熱管，使箱內(nèi)溫度保持在設定范圍。蒸汽溫度測量及控制模塊能對冷凝器內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進行處理，處理數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)，發(fā)出控制信號控制加熱管，使冷凝器內(nèi)溫度不超過設定值。定時處理模塊對加熱功率的切換、電磁攪拌部分的啟動和整個蒸餾時間的定時控制，蒸餾時間到，蒸餾加熱、制冷循環(huán)水、電磁攪拌等部分停止運行，啟動降溫部分。
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