基于MSP430單片機(jī)的原油含水率測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

原油含水率測(cè)定儀出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代末，它是有溫控儀、定時(shí)器等開關(guān)儀表組成的一種集測(cè)量與控制于一體的蒸餾法測(cè)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(cè)量。本儀器采用MSP430單片機(jī)，是集溫度控制、時(shí)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(dòng)化、智能化儀器。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1溫度傳感器的選擇
一般情況下，在溫度測(cè)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(cè)控3處的溫度，由于熱電偶需溫度補(bǔ)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(jī)
MSP430系列單片機(jī)為低功耗16位的精簡(jiǎn)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(shí)器/通用目的定時(shí)器，Timer_A3（帶3個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器），Timer_B7（帶7個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器），I/O端口1、2（每一個(gè)有8個(gè)I/O端口，均具有中斷功能）、I/O端口3、4、5、6（每一個(gè)有8個(gè)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(dòng)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(dòng)器。

ICM7218A譯碼驅(qū)動(dòng)芯片是8位靜態(tài)LED驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含8×8位靜態(tài)RAM，用于存放顯示數(shù)據(jù)；有較強(qiáng)的位段驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)、傳感器信號(hào)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(dòng)線；P5和P2.2、P6.0～P6.3口作為系統(tǒng)的顯示驅(qū)動(dòng)線；測(cè)量信號(hào)通過(guò)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(jī)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(guò)溫度傳感器PT100進(jìn)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(guò)放大處理模塊進(jìn)行高精度的測(cè)量。用戶可以通過(guò)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(shí)間；設(shè)定輸入溫度和電壓的標(biāo)定值等參數(shù)。儀器采用冷凝循環(huán)水系統(tǒng)，MPS430單片機(jī)通過(guò)控制制冷機(jī)組來(lái)控制循環(huán)水的溫度在室溫左右（約25℃）；原油一般在60℃時(shí)取樣，MCU通過(guò)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(yàn)效率，蒸餾時(shí)先采用大功率加熱，油樣近100℃時(shí)切換小功率加熱。加熱蒸餾功率的調(diào)整通過(guò)控制加熱管供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)能顯示加熱管供電電壓；顯示定時(shí)時(shí)間；顯示循環(huán)水溫度的設(shè)定值和實(shí)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(shí)際值。

系統(tǒng)的主要硬件電路設(shè)計(jì)
1 溫度測(cè)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(gè)電阻橋，電阻R2用于電橋補(bǔ)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(zhǎng)度誤差；測(cè)量溫度范圍在0～100℃，采用單電源儀表放大器AD623 對(duì)電橋信號(hào)進(jìn)行放大處理。

圖2 溫度測(cè)量組成電路原理圖

2 加熱蒸餾控制驅(qū)動(dòng)電路
電路如圖3所示，單片機(jī)控制信號(hào)經(jīng)反向器74LS07后，控制三極管，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)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(jì)
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(jī)。

圖4 電磁攪拌電路原理圖

4 加熱稀釋電路設(shè)計(jì)
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(fēng)機(jī)。

5 制冷循環(huán)水電路設(shè)計(jì)
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(jī)、散熱器、水泵。

6 電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)
該參數(shù)精度要求不高，采用全橋整流、電阻降壓獲取信號(hào)，進(jìn)單片機(jī)A/D端。

7 鍵盤、顯示電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)有22個(gè)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(jī)的P5口作為和顯示驅(qū)動(dòng)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(jì)
系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)別及處理模塊、水溫測(cè)量及控制模塊、稀釋箱溫度測(cè)量及控制模塊、蒸汽溫度測(cè)量及控制模塊、定時(shí)處理模塊、加熱管供電電壓測(cè)量模塊。

系統(tǒng)通過(guò)初始化模塊設(shè)置顯示緩沖區(qū)、堆棧指針、操作標(biāo)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(shí)器模塊，以及系統(tǒng)中斷設(shè)置等。鍵盤模塊負(fù)責(zé)按鍵的識(shí)別和按鍵處理，當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理子程序進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水、稀釋箱及冷凝器內(nèi)溫度設(shè)定，定時(shí)時(shí)間的設(shè)定，工位的選擇及各部分的起停。水溫測(cè)量及控制模塊能對(duì)冷凝循環(huán)水溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)，發(fā)出控制信號(hào)控制制冷機(jī)組，使水溫保持在設(shè)定范圍。稀釋箱溫度測(cè)量及控制模塊能對(duì)稀釋箱內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)，發(fā)出控制信號(hào)控制加熱管，使箱內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍。蒸汽溫度測(cè)量及控制模塊能對(duì)冷凝器內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)送顯示緩沖區(qū)，發(fā)出控制信號(hào)控制加熱管，使冷凝器內(nèi)溫度不超過(guò)設(shè)定值。定時(shí)處理模塊對(duì)加熱功率的切換、電磁攪拌部分的啟動(dòng)和整個(gè)蒸餾時(shí)間的定時(shí)控制，蒸餾時(shí)間到，蒸餾加熱、制冷循環(huán)水、電磁攪拌等部分停止運(yùn)行，啟動(dòng)降溫部分。