洪茜

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

地暖供熱作為一項建筑節(jié)能項目，以比其它采暖方式不可比擬的優(yōu)勢越來越被廣大國民所青睞。但隨著管齡的增長，由于施工缺陷、腐蝕老化等問題和人為破壞的原因，地暖供水管道滲漏頻頻發(fā)生。而滲漏點的檢測始終未得到圓滿解決，致使在修繕、維修等過程中造成巨大的浪費，本可以局部維修解決的問題，因無法確定漏點而被迫全部翻修[1]。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的泄漏檢測和定位方法主要有：電工泄漏追蹤儀、紅外熱像分析儀、色滲透檢測法、近紅外測濕法（NIR）。本文研制的電容式水分儀以單片機MPS430F169為核心，采用LCD顯示操作提示信息、測量數(shù)據(jù)等。并通過鍵盤實現(xiàn)人機交互功能。具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固耐用、成本低、安全可靠以及響應(yīng)速度快的優(yōu)點。

1 測量原理

電容法測水分主要是根據(jù)被測物的介電常數(shù)變化引起電容值變化這一規(guī)律來實現(xiàn)的。測水的本質(zhì)是當水進入待測物時，會使其介電常數(shù)發(fā)生改變。在常溫下，水的相對介電常數(shù)約為80，而其它材料的相對介電常數(shù)多數(shù)小于10，當水浸入電介質(zhì)時，會使電介質(zhì)的相對介電常數(shù)增大，電容值將明顯變化。這就使得電容測水分具有了很大的可行性。

1.1 單片式電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足動態(tài)測量的要求，克服傳統(tǒng)的平行極板電容傳感器的缺點，可以將電容傳感器的兩個極板放在同一平面內(nèi)。利用印刷電路板加工工藝制成的單片式電容傳感器，其理想物理模型如圖1所示。兩極板長L，寬b，間距a，放置在同一平面內(nèi)，極板下是介電常數(shù)ε=ε0*εr的均勻電介質(zhì)(ε0真空的介電常數(shù)；εr電介質(zhì)的相對介電常數(shù))。

圖1 單片式電容傳感器的理想物理模型

1.2 單片式電容傳感器電容值的定量計算

為便于分析，采用單元積分法計算單片式電容傳感器的電容值。電容敏感元件之微小面積增量(ΔF =L Δx)上形成的電容值[2]，根據(jù)電容計算公式

其中：ε0為真空的介電常數(shù)；εr為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)；A為極板面積；d為極間距。近似有

式中a為極板之間的間隙；L為極板長度；x為沿極板寬度方向的變量；Δx為寬度變化增量；εx為被測物介電常數(shù)；εs為基片介電常數(shù)。x為從 0到b (b為單塊極板寬度)積分，得總電容量

如果極板間電介質(zhì)的等效介電常數(shù)εx發(fā)生變化，電容傳感器的等效電容值C將隨之改變。

由式(3)看出，探測靈敏度與電極長度L、寬度b、電極間隙a有關(guān)，在L一定的情況下，靈敏度主要決定于極板寬度和間隙的比值 b/a，比值越大，探測靈敏度越高，但是還要兼顧探測深度。

為了滿足傳感器具有較大的初始電容和較高的靈敏度，又要保證傳感器單方向尺寸不能過大，并且由于平行極板的邊緣效應(yīng)不是很好，會減弱極板的場強。所以本文采用了“回”字型的極板，測量極板平面圖如圖2所示。該極板可看作平行極板的一種特殊形式，所以以上的推導(dǎo)結(jié)論同樣適用。

圖2 “回”字型測量極板平面圖

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

電容式水分儀的信號采集與處理電路硬件設(shè)計主要包括兩大部分：信號板和主機板。檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。信號板的主要任務(wù)是：將傳感器輸出的交流信號變換為直流標準信號，送往主機板的A/D轉(zhuǎn)換單元。

主機板以MSP430F169單片機為控制核心，主要由A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、獨立時鐘、功能鍵與顯示部分組成。

圖3 檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MSP430F169單片機

本系統(tǒng)采用了美國德州儀器公司的MSP430F169單片機[3]。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)，它是一款 16位超低功耗單片機、供電電壓1.8-3.6 V、運算能力強、豐富的片內(nèi)外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。由于 MSP430F169單片機內(nèi)部集成了 12位的A/D和D/A，由此簡化了外圍電路的設(shè)計。

2.2 C/V轉(zhuǎn)換電路

測量系統(tǒng)中傳感器的信號被采集到以后，由于轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓變化量十分微小，必須經(jīng)過處理，這些處理電路也就是儀器電路的前向通道，其中包括信號發(fā)生器、C/V轉(zhuǎn)換電路、交流放大環(huán)節(jié)、低通濾波等。其中，C/V轉(zhuǎn)換電路是系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心部分，電路如圖4所示，它必須具有低噪聲、輸入阻抗高、單位增益帶寬高等特點，這些特點可使其作為電容傳感器理想的測量電路[4]。

圖4 C/V轉(zhuǎn)換電路

2.3 液晶顯示模塊

水分儀采用金峰電子公司的OCM12864液晶顯示模塊，該液晶顯示模塊與單片機的接口很簡單，只要把OCM12864的片選信號，寫信號，DA與MSP430F169單片機的P5.1，P5.2，P5.3口分別相連即可[5]。液晶顯示模塊與單片機的接口電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

測量控制軟件的程序設(shè)計采用模塊化思想，主要由以下模塊構(gòu)成：系統(tǒng)初始化、AD采樣、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、鍵盤控制、DA輸出、數(shù)據(jù)保存、參數(shù)標定等。測量控制軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 抗干擾設(shè)計

對于智能儀器儀表來說，要想使其能夠穩(wěn)定的工作，在設(shè)計中要充分地考慮干擾信號的來源，以使干擾降低到最低。本設(shè)計從軟硬件兩方面降低干擾信號，以保證檢測儀能夠穩(wěn)定的工作。在硬件方面，單片機未使用的引腳，將其設(shè)置為輸入模式，并將該引腳做接地處理，這有利于抗電磁輻射和靜電干擾；晶振應(yīng)盡可能的靠近主芯片MSP430F169；保證外殼良好接地。在軟件方面，首先采用看門狗電路；其次在數(shù)據(jù)處理方面，采用中值濾波法。

圖5 液晶顯示模塊與單片機的接口電路

圖6 測量控制軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于MPS430F169單片機的電容式水分儀。在實驗室環(huán)境下，我們開發(fā)了樣機。儀器結(jié)構(gòu)小巧，電路簡單，測量精度高。檢測時無須大面積破壞原有防滲結(jié)構(gòu)，檢測出滲漏點即可。該儀器同樣適宜檢測薄型屋面，建筑材料的含水率。

[1]聶偉榮，朱繼男. 管道泄漏檢測技術(shù)及其發(fā)展[J]. 分析儀器，2003，34(6)：8.

[2]王雪文. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：109-121.

[3]沈建華. MSP430系列16位低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2005，66-110.

[4]CMK Gardner, T .J Dean. Soil water content measurement with a high-frequency[J]. Silsoe Research Institute, 1998, 71： 395-403.

[5]梅麗鳳，唐曉明. 基于 MSP430控制的液晶顯示屏設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 遼寧工學(xué)院學(xué)報，2007, 28：227-229.