基于MSP430單片機的原油含水率測定儀的設(shè)計

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(guān)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(shè)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(fù)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shè)定冷凝器內(nèi)汽溫的上限值；設(shè)定冷凝水和加熱稀釋箱的溫度值；設(shè)定蒸餾時間；設(shè)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(shè)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(shè)定值和實際值。

系統(tǒng)的主要硬件電路設(shè)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。[!--empirenews.page--]

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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計
系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)置、系統(tǒng)定時器模塊，以及系統(tǒng)中斷設(shè)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(yīng)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(shè)定，定時時間的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。