单片机课设资料.docx
- 文档编号:27095877
- 上传时间:2023-06-27
- 格式:DOCX
- 页数:89
- 大小:60.50KB
单片机课设资料.docx
《单片机课设资料.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单片机课设资料.docx(89页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
单片机课设资料
提要
目前,国内外已研制出许多不同类型和不同档次的pH计。
但国外高
精度的产品价格大都非常昂贵,而国内产品虽然具有价格优势,但大多数
还停留在低档产品阶段,测量的幅度范围、精度有限,因此,如何设计测
量精度更高的pH计,如何降低生产的成本,从而得到更广泛的推广和使
用是一个需要解决的问题。
本论文即着眼于功能更强大、成本更低廉、体
积更小、功耗更低的智能仪器,设计了一个基于MSP430单片机的便携式
pH检测仪。
设计并实现了pH传感器电极输出温度信号及pH信号的放大
处理前级电路,两组信号经A/D转换后送入单片机,进行数据处理得到
当前被测溶液的准确pH值,并通过液晶显示出来;对于温度变化、探头
老化引起的误差,采用两点校正法,分别对能斯特方程的斜率项及截距项
进行软件校正。
为增强检测仪的产品性,论文在低功耗模式、低电检测等
方面也做了相应的阐述。
1
第一章绪论
1.1酸碱度测量
溶液的pH值是溶液酸性大小的标度,其定义为氢离子活度的负对数,
用以公式表示[1][2]:
pH=-lgH+
溶液在25℃时,若pH=7则溶液呈中性,pH值小于7则溶液呈酸性,
pH值大于7则溶液呈碱性。
一般水溶液的pH值变化范围为0-14,最大
变化范围是-1-15。
pH值是溶液的酸度标度,它对溶液的物理化学性质、
化学反应速度、生成物的成分、性质及微生物的生长和新陈代谢等都有很
大的影响。
测量溶液pH值的pH计是一种电化学式分析仪器,在化学、
石油、发电、造纸、食品、医疗、制药等行业皆有应用。
在pH值测量过
程中,影响其测量准确性的因素很多,其中电极的老化、被测溶液的温度
的变化以及电路的稳定性等都对测量带来一定的误差,本文采用430系列
单片机设计开发便携式pH计,充分发挥该芯片的高集成低功耗以及灵活
的编程能力,显著的提高数据采集和抗干扰性。
对在测量过程中的温度影
响,应用温度传感器结合软件的设计完成温度补偿。
1.2智能仪器的功能特点及应用
智能仪器是一种新型的电子仪器,它是一种以微处理器为主体的测量
仪器,是计算机技术、仪表技术、传感器技术相结合的产物。
由于微处理
器的应用,使得测量仪器具有数据存储、数据处理、逻辑判断以及自动测
试等功能。
与传统的指针式仪器、数字式仪器相比,带微处理器的测量仪
器具有一定的智能性,因此被称为智能仪器,其出现极大地扩充了传统仪
2
器的应用范围。
智能仪器的功能特点主要有以下几个方面[45]:
1、操作自动化:
仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关
启动闭合、数据的采集以及传输与处理等都用单片机或微控制器来控制操
作,实现测量过程的全部自动化。
2、软件控制:
智能仪器运用软件编程可以代替大量的硬件逻辑电路。
如硬件设计中的分压、延时电路以及带记忆功能的电路用软件都可以非常
容易的实现。
智能仪器根据功能编写软件程序,按照设计的流程执行指令,
进行各种逻辑判断,驱动某一执行元件完成动作。
和硬件工作方式相比,
软件的引入带来了极大的方便和灵活性。
当仪器的功能需要改变时,不需
要改变硬件结构,只要改变软件程序即可。
但是由于软件在速度上相对于
硬件来说较慢,因此在一些要求速度很高的实时控制场合就受到了限制。
3、运算和数据处理功能:
对测量数据进行运算和数据处理功能是智
能仪器最突出的特点。
在智能仪器中可以采用软件对测量结果进行复杂的
运算,而且精度较高。
而硬件电路的精度受外界环境的影响随机干扰很大,
复杂运算几乎无法进行。
不仅如此,软件还可以实现各种算法,如各种误
差的计算和补偿、非线性校正、工程值的转换以及抗干扰等。
4、自校正、自诊断等多种控制功能:
智能仪器有自动校正零点,切
换量程以及对系统自身进行测试,发现故障报警等功能。
智能仪表能自动
检测出故障的部位甚至故障的原因,这种自测试可以在仪器启动时运行,
同时也可在仪器工作中运行,极大的方便了仪器的维护。
5、具有友好的人机对话能力:
智能仪器采用键盘代替传统仪器中的
切换开关,操作人员只需通过键盘输入命令,就能实现某种测量功能。
与
此同时,智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况,工作状态以及对测量
数据的处理结果及时告诉操作人员,使仪器的操作更加方便直观。
3
以微处理器为核心的智能仪器的基本组成结构如图1.1所示:
图1.1智能仪器基本组成结构框图
微处理器是智能仪器的主体,对于小型仪器来说,微处理器内部的
存储器已经足够;功能比较复杂的仪器由于需要进行复杂的数据处理,完
成复杂的控制功能,测量的数据也较多,这时就需要外扩片外的存储器
被测
参量
传感器
放大电路
A/D
转换
微处理器
键盘
打印机
显示器
报警设备
D
A
C
驱动器
模拟执行装置
E
E
P
R
O
M
R
A
M
4
(RAM,ROM)。
被测参量经过测量电路变成能够检测的模拟电压信号,
经过A/D转换成数字量进入微处理器;微处理器经过键盘输入的各种命
令控制程序的流程,如驱动显示器显示测量数据、通过通讯接口和PC机
或者其它仪器通讯、由控制接口输出能够完成各种控制功能的电压等。
智
能仪器的整个工作过程均在软件程序的控制下自动完成的,存储在ROM
中的软件程序可以由很多个模块组成,每个模块实现一种特定的功能。
智能仪器设计任务主要包括微处理器芯片的选择、硬件设计和软件
设计。
在智能仪器中,微处理器是核心,因此在智能仪器的设计中首先应
该必须考虑微处理器的选择,然后确定与之相其配的外围芯片。
在选择微
处理器时,需要考虑的因素主要有字长(数据总线的宽度)、指令功能、
CPU主频、中断能力、功耗、成本以及市场上对此种微处理器的供应情
况等。
硬件设计可以分为测量电路设计和微处理器输入输出接口电路设
计。
设计时首先根据传感器的工作原理,选择合适的传感器测量电路,然
后由仪器所需实现的功能和精度要求,设计放大、滤波、模拟量转换等功
能模块。
微处理器接口电路是微处理器和外部设备交换信息的通道,设计
的关键在于参数值的计算,选择满足要求的模块芯片、印刷电路板制作等。
软件设计过程大致可分为一下几个阶段:
任务描述、程序设计、编
码、查错、调试等。
在软件程序的设计中结构化设计和模块化编程是当前
广泛采用的设计方法。
软件设计时通常把整个程序分为若干个不同的模
块,每个模块实现特定的任务,各个模块之间相对独立。
智能仪器的软件
按功能可以分为两个部分,即用于管理仪器正常工作的监控程序模块和用
于所需要求的功能模块。
在各个功能模块内部,程序流程按照顺序、条件、
循环等基本结构类型来规划,使其满足结构化设计的要求。
5
1.3智能pH计的发展现状和趋势
目前有多种测量溶液的pH值的传感器,如光化学pH传感器、离子
敏pH传感器、玻璃电极传感器、锑电极传感器、酶pH传感器等,与其
他传感器相比,玻璃电极传感器具有测量范围宽、重复性好、稳定性高、
精度高等特点,因此以玻璃电极作传感器的电位测量法获得了广泛的应
用,但玻璃电极的高内阻和溶液温度等因素影响这种测量方法的准确性,
现在的酸度测量仪采用铂热电阻温度传感器和桥路测量电路检测溶液的
温度,软件校准测温电路的偏差和非线性。
目前,国内外已研制出许多不同类型和不同档次的pH计。
但国外高
精度的产品价格大都非常昂贵,很多国内中小型企业难以承受,而国内产
品虽然具有价格优势,但大多数还停留在低档产品阶段,测量的幅度范围、
精度有限,因此,如何设计测量精度更高的pH计,如何降低生产的成本,
从而得到更广泛的推广和使用是一个需要解决的问题。
功能更强大、成本
更低廉、体积更小、功耗更低的智能仪器是pH计发展的趋势[5][8][27]。
1.4论文章节的安排
本论文共分为五章。
第一章是绪论,介绍了pH值测量的概念和方法,
pH计的国内外发展现状,分析了智能仪器的特点,组成及其应用,在此
基础上阐述了本课题的研究意义;第二章是硬件设计,介绍了pH计硬件
电路的整体设计、信号处理电路、供电电路设计、降低功耗的方法、人机
接口电路设计等;第三章是软件设计,介绍了智能pH计软件的整体规划,
各功能模块的设计,系统时钟机制的管理等;第四章阐述了pH值测量的
原理及校正和温度补偿的理论依据及方法;第五章记录了试验过程和试验
结果;最后结论对本论文的工作做了总结。
6
1.5小结
本章首先介绍了pH值测量的概念、意义,分析了仪器仪表的发展趋
势—智能仪器的特点和设计方法,介绍了pH计的国内外现状和发展方向,
在此基础上阐明了课题的研究内容,最后说明了论文的章节安排。
7
第二章硬件设计
智能pH计的硬件设计包括微处理器芯片的选择及其电路设计、前级
信号处理电路及电源管理电路等内容。
2.1微处理芯片的选择
图2.1MSP430F149芯片结构
微处理器芯片是智能pH计的核心,它的选择决定了pH计的智能化
程度的强弱以及结构的繁简。
选择微处理器芯片的主要原则主要有:
运算
字长、寻址范围、执行速度、功耗等。
智能pH计需要精度较高的A/D转
换、温度补偿的复杂运算,同时作为便携式产品需要在工作过程中尽可能
8
的降低功耗,传统单片机由于性能上的局限难以胜任,MSP430系列单
片机是美国德州仪器公司近几年开发的新一代十六位单片机,该单片机在
设计上打破常规,采用了全新的概念,其突出的优点是低电源电压、超低
功耗、有多个系列和型号,它们分别在一些基本功能模块按不同的应用目
标组合而成。
典型应用是智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等方面,由
于其较高的性能价格比,应用已日趋广泛。
本论文选用微处理器型号为
MSP430F149,其芯片结构如图2.1。
MSP430F149的主要特点如下[12][38][39]:
1、超低功耗
图2.2MSP430F149工作模式消耗电流图
MSP430F149电源电压采用1.8V—3.6V低电压,RAM数据保持方式
下耗电仅0.1uA,活动模式耗电250uA/MIPS(MIPS:
每秒百万条指令数),
IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
由于系统运行时使用的功能模块不同,
9
即采用不同的工作模式,芯片的功耗有明显的差异。
在系统中共有一种活
动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0—LPM4)。
其各模式状态下消耗电流如
图2.2所示。
在各种低功耗模式与活动模式之间可快速由指令进行切换,
根据实际要求可以使单片机工作在不同的状态模式下,从而可以使系统的
电流消耗更小、电池的寿命更长。
2、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。
片上内置模数转换器
ADC12,可以选择采样时序、转换时钟和工作模式,不依赖CPU独立工
作,由软件启动,转换完成后结果存储在相应的寄存器中,在计算时读取
即可;芯片集成60KFLASHROM和2KRAM存储器,用于存储程序指
令和数据;除此之外,还有模拟比较器、定时器A、定时器B、硬件乘法
器等功能模块。
可以有效的降低成本,节省空间,减少布线干扰,使得仪
器体积小,重量轻,精度高成为可能。
3、强大的处理能力。
MSP430系列单片机是16位单片机,
MSP430F149采用了目前流行的,颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结
构,一个时钟周期可以执行一条指令(传统的MCS51单片机要12个时钟周
期才可以执行一条指令)。
4、系统工作稳定。
上电复位后,首先启动CPU,以保证程序从正确
的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可
设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器
在用做CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正
常工作,其运行环境温度为-40—+85℃,运行稳定、可靠性高、适用于各种
民用和工业环境。
5、方便高效的开发环境。
MSP430F149片内有JTAG调试接口,还
有可电擦写的FLASH存储器,因此采用先通过JTAG接口下载程序到
FLASH内,通过JTAG接口控制程序起行、读取片内CPU状态,以及存
10
储器内容等信息供设计者调试,整个开发(编译、调试)都可以在同一个
软件集成环境中进行。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,
不需要专用仿真器和编程器。
2.2pH电极传感器的选择
pH值测量电极由指示电极和参考电极组成。
目前指示电极主要有玻
璃电极和金属电极两大类。
其中玻璃电极广泛用于实验室测量和工业测
量,而金属电极仅用于工业测量。
参考电极的种类较多,在实际应用中常
常把它们分为液体盐析参比电极与固体参比电极两大类[2][3][4]。
1、玻璃电极
玻璃电极属于膜电极的一种,在很宽的pH值范围内对H+具有特殊
的选择性。
玻璃电极的下端是由具有氢功能的钠玻璃或锂玻璃熔融吹制而
成的敏感薄膜,可呈球形、圆柱体形和毛细管形等多种形状。
膜厚一般在
0.1mm左右,电阻值在兆欧数量级。
设“基准点”pHs为0,并且令E等
于Ex,E0等于Ea,pH等于pHx,则玻璃电极的电位变化与被测溶液中的
pH值成如下线性关系[1]:
EE02.303RT*pH=+F(2.1)
式中:
E一指定浓度下的电极电势
E0—“0”基准点电极电势
2、金属电极
由于大多数金属的化学性质都很活拨,它们不但与H+发生作用,同
时也可能与其它离子发生作用,所以实际上能用于工业测量的金属电极并
不多。
目前,用来测量pH值的商品金属电极有锑电极和钽电极两种。
11
玻璃电极和金属电极在pH值测量中都具有良好的复现性,均能在宽
范围内可以接受的准确度测量出被测溶液的pH值。
但这两种电极存在以
下主要区别:
(1)金属电极的测量原理建立在氧化一还原的电化学基础上,金
属电极的金属表面直接参与氧化一还原反应。
玻璃电极的玻璃膜表面不参
与氧化一还原反应,玻璃膜本身化学性能稳定、洁净、无毒,是一种“绿
色环保”电极。
(2)玻璃电极的内阻大,高达数十兆欧甚至数百兆欧,信号微弱,
抗干扰能力差,对仪表及环境要求高。
金属电极的内阻很小,仅取决于参
比电极的内阻(约为10~30kΩ),信号较强,抗干扰能力好,对仪表及环境
要求不高。
(3)玻璃电极的测量范围很宽,包括pH值0—14的全部范围。
而
金属电极的测量pH值范围一般在4—12以内,超出这个范围电极很容易
受到腐蚀。
(4)金属电极可以采用硬摩擦等方式清除电极表面的积垢保证在线
测量的连续性,而玻璃电极则因其易碎不能使用此方法。
金属电极能在测
量条件恶劣的介质中进行连续测量,擅长在有坚硬积垢的工艺流程中以及
污水处理等场合工作。
综上各优缺点比较,本智能pH计采用玻璃电极传感器,其工作温
度跨度较大,能够适用于一般的民用或工业环境。
2.3整体设计
智能pH计的电路可分为模拟电路和数字电路两部分。
模拟电路整体
框图如图2.3,pH电极传感器输出两个信号:
测量温度的热敏电阻阻值信
号和与溶液pH值相对应的电压信号,将此两路信号经过处理放大,直接
12
由MSP430F149上的A/D转换成数字量,微处理器芯片进行数据处理,
得到的测量结果由液晶显示输出。
数字部分的核心是MSP430F149,键盘
和显示器是人机对话的接口。
图2.3整体框图
2.4pH值传感器接口电路设计
从复合pH电极的信号电极和参比电极两端输出的信号为电压,在一
定的温度下只要知道了电压值,即可求出溶液的pH值,pH值的测量实
际上就是电压信号的测量,信号的采集电路是本智能pH计的重点,也是
其它工作的基础。
由于复合pH电极内阻很高,故测量电路的关键是实现
高阻抗的输入【9】【10】。
要实现高阻抗输入,首先要求运放要具有很高的输入阻抗,一般玻璃
电极的内阻最高可达1012?
,即运放的输入阻抗高于传感器内阻时,才能
得到正确的电压信号,本论文选用TLC4502高性能高阻运放(常温25oC
下输入阻抗为1012?
),且为单电源供电,则大大降低了电源部分的要求,
也为便携式产品提供了可能。
13
U1
VCC
一
+
pH-输入
-
pH+输入+MSP430F149
图2.4pH信号前级处理电路原理图
pH传感器电极输出的信号为信号电极和参比电极的相对电压,本论
文选用的传感器参比电极为中性溶液,即当被测溶液pH值为7时,其输
出电压理论为0,而其余情况则根据溶液酸碱性不同,输出电压正负变化。
根据运算放大器的工作原理,有负电压的输入与单电源供电矛盾。
但因输
出信号是相对于参比电极的电压差值,那么给参比电极(pH-输入)赋
予一个合适的电压值,则可以保证信号电极(pH+输入)电压恒为正值,
运放单电源供电即可满足要求。
电极输出电压并不符合MSP430F149A/D
转换输入要求,经过运放基本的放大功可使其达到模数转换所需电压范
围,即可送入单片机进行数据处理。
2.5温度传感器接口电路设计
温度是影响传感器输出电压和pH值之间关系的重要因素,同一溶液
在不同温度下会呈不同的pH值(如公式2.1所示,被测溶液pH值为温
度的函数),故温度补偿过程为pH计必要且极其关键的步骤,则其中参
数温度值的精度也会直接影响pH计的测量精度。
14
2.5.1温度信号处理电路
本论文选用的pH传感器电极中含有测量温度的热敏电阻,其阻值随
温度变化而变化,而电阻值并不是想要得到的信号,温度信号处理电路的
重点则在于将变化的电阻值转换为相应变化的电压值,经过处理使其变化
于MSP430F149A/D转换所需的电压值,送入微处理器。
VCC
+
-
-
+
+
-
MSP430F149
图2.5热敏电阻信号前级处理电路原理图
阻值变化到电压变化的转换采用电桥电路来完成,图2.5【9】【10】中可
变电阻即为传感器中的热敏电阻,电桥中其余三个电阻选用相同的阻
值,其值为pH计工作温度极限值时热敏电阻的阻值,以保证后步差动放
大时运算放大器正反向输入的电压差恒为正值,则在此极限温度下,电
桥处于平衡状态,差动放大输入电压差为零。
温度变化,热敏电阻阻值
随之发生变化,电桥的平衡即被破坏,电桥两端的压差经过两级运放的
放大送入微处理器中,根据这个压差和热敏电阻阻值和温度之间的关
系,就可以导出此时的温度。
电桥的平衡性不仅与阻值的选取有关,还和电桥供电电压有关,如
使用过大电压,其平衡性将会降低,经过文献查阅,电桥供电电压在1V
左右时其平衡性较好,这并非电源可直接提供的电压值,故经过电阻分
压得到所需电压值,并经过电压跟随器处理,给平衡电桥供电。
电桥后面两级运放起到共同放大的作用,因本文需要放大倍数较高
15
(约为9倍),如采用一级放大,则对运放本身的精度要求很高,即使精
度达到要求,较大倍数的放大也会引入误差,两级放大虽然电路较一级
繁琐,但对运放精度降低了要求,也可以保证电路恒定的放大倍数。
其
中差分放大要求对应电阻阻值尽可能相等,可以达到有效的抑制运放共
模抑制比的效果。
2.5.2放大电路的误差分析
综合性能、价格等因素,温度信号处理电路中运算放大器选用
LM358,其技术参数为:
输入失调电压Vios=2mV;输入失调电压的温度
系数Vio=7uV/℃;失调电流Ib=2nA;电源电压抑制比PSRR=100dB;电源
电压偏差△SupplyVolts=500mV。
假设温度变化在0-80℃,所以由温度变化引起的输入失调电压的误差
大小为:
Vios=(80-0)×Vio=560uV(2.2)
由于失调电流很小(Ib=2nA),所以这里忽略由其引起的误差。
故单
位增益放大器由失调电压和失调电流引起的总误差即与2.2式中温变导致
的输入失调电压误差相等。
一级放大放大了2.56倍,由2.2得放大器的输出误差为:
V1=Vios×2.56=560uV×2.56=1.434mV(2.3)
电源电压抑制比引起的误差为:
VPerr=(?
SupplyVolts)×(10?
PSRR/20)×2.56=0.0128mV
(2.4)
式(2.3)、(2.4)之和即为一级放大误差:
16
V一级=V1+Vperr=1.4468mV(2.5)
二级放大的放大倍数是3.83倍,其放大器输出误差为:
V2=Vios×3.83=560uV×3.83=2.1448mV(2.6)
电源电压抑制比引起的误差为:
VPerr=(?
SupplyVolts)×(10?
PSRR/20)×3.83=0.01915mV
(2.7)
式(2.3)、(2.4)之和即为二级放大误差:
V二级=V2+Vperr=2.1640mV(2.8)
整个放大过程的总误差为:
V=V一级×3.83+V二级=7.7052mV(2.9)
相对于MSP430F149A/D转换需要的电压范围0-2.5V,此理论误差
值不会影响仪器的精度,可忽略不计。
虽然上述误差计算过程均为理论计算,但因其是芯片技术参数和实际
工作情况相结合得到的结果,故仍可作为证明芯片选择合理性的依据。
2.6人机接口电路设计
人机接口电路主要包括按键电路设计和液晶显示电路设计【11】【39】。
2.6.1按键接口电路设计
键盘是标准的输入设备,用户通过按键向微处理器输入命令,控制整
个仪器的工作方式。
从功能上,本智能pH计需要两个按键:
开关机按键、
传感器电极校正按键。
其接口电路较简单,图2.6中电阻R1为上拉电阻。
17
R1
VCC
端口
图2.6按键接口电路原理图
理论上当按键按下时,可以相应的产生低电平,但实际并非如此,
按键一般都采用触点式按键开关,当按键被按下或释放时,按键触点的弹
性会产生抖动现象。
即当按键按下时,触点不会迅速可靠地接通,当按键
释放时,触点也不会立即断开,而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来,
按键材料不同,抖动时间也各不相同。
按键抖动可能导致微处理器将一次
按键操作识别为多次操作,一般采用硬件电路或软件程序来消除,本文中
选用软件方式来消除抖动。
图2.7按键完整工作过程
1、等待阶段:
此时按键尚未按下,处于空闲阶段;
2、闭合抖动阶段:
此时键刚刚按下,但信号处于抖动状态,系统在
检测时应消抖延时;
等待
阶段
有效闭合有效
释放
闭
合
抖
动
释
放
抖
动
18
3、有效闭合阶段:
此时抖动
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单片机 资料