王禎，劉屹，劉立群

（蘭州飛行控制有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730070）

基于MSP430的液氮余量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王禎，劉屹，劉立群

（蘭州飛行控制有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730070）

為了滿足對液氮余量監(jiān)測的需求，提出了一種基于MSP430單片機(jī)的液氮余量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具備設(shè)置當(dāng)前液氮余量為0%、設(shè)置當(dāng)前液氮余量為100%、顯示液氮余量（0%-100%）、液氮余量為0%或100%及電源電壓不足時(shí)自動(dòng)報(bào)警的功能。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測液氮余量，具有操作簡便、測試準(zhǔn)確的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

液氮；液位；余量；MSP430；LCD

液氮作為空氣液化分離的最大宗產(chǎn)品、工業(yè)制氧的副產(chǎn)品，加上液氮特有的性質(zhì)，已逐步受到人們的重視和認(rèn)可。國內(nèi)外對液氮的應(yīng)用已擴(kuò)大到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如生物及醫(yī)學(xué)、電子工業(yè)、交通運(yùn)輸、機(jī)械化工及食品工業(yè)等。液氮冷凍治療是在極度冷凍的狀態(tài)下，將病區(qū)細(xì)胞迅速殺死，使得病區(qū)得到正常的恢復(fù)。以液態(tài)氮代替液態(tài)氦作為超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，認(rèn)為是20世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

工業(yè)中，液氮罐一般分為貯存罐、運(yùn)輸罐兩種。貯存罐主要用于室內(nèi)液氮的靜態(tài)貯存，運(yùn)輸罐則滿足運(yùn)輸?shù)男枨?。冷凍保存技術(shù)目前已成為現(xiàn)代生命科學(xué)研究必備的手段之一，疫苗、細(xì)胞以及人、動(dòng)物的器官，都可以浸泡于液氮罐儲(chǔ)存的液氮中，長期活性保存。需要使用時(shí)，取出解凍復(fù)溫即可使用。

然而，隨著液氮的揮發(fā)及使用，往往需要填充液氮，為減少以后填充液氮時(shí)的損耗，更好地了解液氮罐內(nèi)液氮余量，在液氮不足的情況下，及時(shí)提醒工作人員填充液氮，實(shí)現(xiàn)安全、快速、有效、優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的液氮余量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，繼而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，智能控制，使生產(chǎn)結(jié)果更趨完善。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成:電源模塊、傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、顯示模塊、按鍵模塊、PC通信模塊和上位機(jī)監(jiān)測軟件。

3 V紐扣電池為微處理器、信號轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊供電；按鍵模塊設(shè)置當(dāng)前液氮余量為0%或100%；微處理器MSP430F449采集同軸不銹鋼套筒傳感器經(jīng)信號轉(zhuǎn)換模塊輸出的方波信號后，一方面通過控制單片機(jī)的I/O口，驅(qū)動(dòng)段式LCD，顯示液氮余量。另一方面，通過串口通信傳送數(shù)據(jù)給上位機(jī)監(jiān)測軟件（串口調(diào)試軟件 4.5），實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對液氮余量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用單片機(jī)片內(nèi)集成的FLASH及電源電壓監(jiān)測模塊（SVS）實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與電源電壓的監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 M SP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TI公司MSP430系列是一個(gè)16位的功能強(qiáng)大的超低功耗類型微控制器，其電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，ARM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 μA，活動(dòng)模式耗電250 pA/MIPS（MIPS:每秒百萬條指令數(shù)），I/O輸入端的漏電流僅為50 nA，具有超低功耗，強(qiáng)大處理能力，高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，效率高效等特點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的MSP430F449主控制器幾乎涵蓋 MSP430系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。MSP430F449最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路如圖2所示，最小系統(tǒng)包含晶振電路，復(fù)位電路，電源電路，JTAG程序下載調(diào)試電路。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

2.2 傳感器組成

本設(shè)計(jì)中：采用電容式液氮余量測量法，同軸不銹鋼套筒（內(nèi)外管半徑分別為R0，R1）

構(gòu)成的傳感器可直接伸入液氮罐，傳感器頂端連接表頭，實(shí)現(xiàn)液氮余量監(jiān)測目的，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

測量原理：液氮液面高度發(fā)生變化，傳感器電極間覆蓋面積改變，傳感器電容量改變。

2.3 信號轉(zhuǎn)換電路

如圖3，信號轉(zhuǎn)換電路由TLC555多諧振蕩電路與HC4040分頻電路兩部分組成。其功能是：555多諧振蕩電路將傳感器電容的變化轉(zhuǎn)變成方波信號頻率的變化，方波信號經(jīng)HC4040分頻電路分頻，送單片機(jī)采集。因此，方波信號頻率的變化是液氮余量變化的體現(xiàn)，通過測量頻率達(dá)到監(jiān)測液氮余量的目的。

圖2 MSP430F449最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 MSP430F449 minimum system design

為降低系統(tǒng)功耗，本文選用型號為TLC555的一款高性能的CMOS RC定時(shí)器，功能等同于SE/NE555，其工作電壓范圍為2～18 V，特點(diǎn)如下：具有較低的供電電流、較低的THRES、TRIGR和RESET引腳電流、輸出晶體管防止瞬間供電短路。如圖3，將TLC555與3個(gè)阻容元件連接，便構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路。

傳感器電容（Sensor）通過電阻R3和R4充電，僅通過R4放電。因此，輸出方波信號的占空比與電阻R3和R4的值有關(guān)。電阻R3、R4確定，方波信號頻率與傳感器電容值有關(guān)。當(dāng)液氮余量發(fā)生變化，傳感器輸出電容值Sensor改變，TLC555輸出的方波信號頻率改變。

為了更直觀的從頻率的變化體現(xiàn)出液氮余量的變化，本文設(shè)計(jì)電阻R3、R4阻值為1 K。由于傳感器輸出電容變化范圍小，故TLC555輸出方波頻率值比較大，本文采用芯片HC4040對方波信號做分頻處理，提高信號采集的準(zhǔn)確性。74HC4040D是一款高速分頻器，兼容HEF4040B系列，工作電壓為2～6 V，3 V電源電壓提供其工作電壓。74HC4040D第10引腳：時(shí)鐘輸入端；11腳：總復(fù)位信號輸入端；除電源外，其他引腳均為信號輸出端，分頻系數(shù)為2n（n=1，2，，，12）。本文設(shè)計(jì)中，74HC4040D第14引腳為信號輸出端，分頻系數(shù)為1024；

圖3 信號轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Signal conversion circuit

2.4 段式LCD電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)的應(yīng)用中，人機(jī)界面占據(jù)相當(dāng)重要的地位。人機(jī)界面主要包括事件輸入和結(jié)果指示，事件輸入包括鍵盤輸入，通訊接口，事件中斷等，結(jié)果指示包括LED/LCD顯示、通訊接口、外圍設(shè)備操作等。LCD?顯示技術(shù)由于其具有界面友好，成本較低等特點(diǎn)而在很多應(yīng)用場合得以廣泛應(yīng)用。

圖4 段式LCD顯示電路Fig.4 Segment LCD display circuit

本文設(shè)計(jì)采用四位八字段式LCD作為人機(jī)界面，成本低，功耗低，其超寬溫的工作范圍能更好的適應(yīng)液氮的超低溫特性，完全能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示需求。段式LCD液晶顯示有靜態(tài)、2MUX、3MUX、4MUX四種顯示模式，而最常用的是4MUX模式。即：有4個(gè)公共端（相當(dāng)于數(shù)碼管掃描顯示的位選端），若干個(gè)驅(qū)動(dòng)端的模式。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能使用最少的引腳提供最多的液晶顯示段。

鑒于某些系列單片機(jī)不具備液晶驅(qū)動(dòng)能力，需添加液晶驅(qū)動(dòng)芯片HT1621B驅(qū)動(dòng)液晶顯示。為簡化電路設(shè)計(jì)，特選用具備液晶驅(qū)動(dòng)能力的MSP430F449單片機(jī)，其專門開辟了存儲(chǔ)空間（LCDMEM1-LCDMEM20）存放顯示的信息，如果使用4MUX方式顯示，可以顯示160段液晶筆畫。段式LCD電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

本文設(shè)計(jì)中，四位八字段式LCD工作于4MUX模式，LCD與單片機(jī)的連接，只需要3只電阻（圖2中R10、R11、R12），液晶的公共端（COM0-COM3）、驅(qū)動(dòng)端（S0-S11）與單片機(jī)公共端、驅(qū)動(dòng)端連接即可。

2.5 通信電路設(shè)計(jì)

生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，計(jì)算機(jī)從終端獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場的目的。終端接收計(jì)算機(jī)指令，改變現(xiàn)場狀態(tài)，使生產(chǎn)更具安全性、更具效率。

計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用并行通訊和串行通訊二種方式。相對于并行通信，串行通信成本低，使用傳輸線少，適用于遠(yuǎn)距離傳輸，但是速度小于并行通信方式，其通信可以分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信。

串行通訊時(shí)：計(jì)算機(jī)的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，因此，本文采用專用芯片MAX3232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。

串口通信電路設(shè)計(jì)如圖5：采用了三線制連接串口，即：和計(jì)算機(jī)的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的TXD、第3腳的RXD、MAX3232的第11腳和單片機(jī)的第75腳連接，第12腳和單片機(jī)的第74腳連接。

本設(shè)計(jì)中，MAX3232收發(fā)器采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0 V至5.5 V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能。器件僅需四個(gè)0.1 uF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232具有2路接收器和2路驅(qū)動(dòng)器，并采用節(jié)省空間的TSSOP和SSOP封裝，在最差工作條件下能夠保證120 kbps的數(shù)據(jù)速率。

2.6 按鍵模塊

設(shè)計(jì)了2個(gè)獨(dú)立按鍵作為按鍵輸入電路，按鍵1（KEY1）設(shè)置當(dāng)前液氮余量為0%，按鍵2（KEY2）設(shè)置液氮余量為100%點(diǎn)。按鍵輸入，采用延時(shí)進(jìn)行消抖，經(jīng)過多次測試，按鍵工作穩(wěn)定。

2.7 電源電壓監(jiān)控模塊（SVS）及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（FLASH）

當(dāng)需要穩(wěn)定的工業(yè)級產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常要對電源電壓監(jiān)控，以保證單片機(jī)系統(tǒng)工作于正常環(huán)境或范圍中。MSP430F449內(nèi)部集成電源電壓監(jiān)控器模塊（SVS），其FLASH大小為60 K。

本設(shè)計(jì)中，當(dāng)電源電壓低于2.5 V時(shí)，系統(tǒng)LCD顯示低電壓信息。通過對片內(nèi)FLASH的讀寫，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的保存，實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)不丟失。

圖5 MAX3232通信電路Fig.5 MAX3232 communication circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語言編程，提高了系統(tǒng)程序的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，同時(shí)程序設(shè)計(jì)模塊化，主要包括主程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、按鍵掃描子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、段式LCD顯示子程序，串口發(fā)送數(shù)據(jù)子程序等。單片機(jī)程序流程圖，如圖6。

系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)初始化，根據(jù)時(shí)序變化，單片機(jī)對液氮余量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、處理和顯示、并響應(yīng)按鍵操作，系統(tǒng)電壓不足及時(shí)做出報(bào)警。

3.2 RS232驅(qū)動(dòng)程序安裝

除了硬件連接外，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)能夠正常通信，必須安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在因特網(wǎng)下載并直接安裝。本設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)Window XP工控機(jī)為例，安裝完成后，連接USB轉(zhuǎn)串口線，并查看計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器端口 （COM和LPT）欄下出現(xiàn)虛擬串口“USB-SERIAL CH340（COM3）”，則表示設(shè)備安裝成功。

3.3 液氮余量監(jiān)測軟件設(shè)置

因特網(wǎng)上可免費(fèi)使用的串口調(diào)試工具非常多，可直接下載使用。本文設(shè)計(jì)采用免費(fèi)下載的“串口調(diào)試軟件4.5”，使用方便，支持波特率高，3個(gè)發(fā)送區(qū)的的屬性可自由設(shè)置，完全能夠滿足系統(tǒng)對上位機(jī)軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示液氮余量的要求。為實(shí)現(xiàn)正常通信，液氮余量監(jiān)測軟件“串口調(diào)試助手4.5”波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、有無奇偶校驗(yàn)等通信協(xié)議的設(shè)置必須與下位機(jī)程序設(shè)計(jì)中的串口初始化程序設(shè)置內(nèi)容保持一致。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Software design flow chart

在安裝Window XP系統(tǒng)的某型工控機(jī)對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。系統(tǒng)上電后，運(yùn)行“串口調(diào)試軟件4.5”，設(shè)定端口為COM3、波特率9600、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，奇偶校驗(yàn)位為None等。設(shè)置完成后的“串口調(diào)試軟件4.5”如圖7所示。

初次使用本系統(tǒng)，需要設(shè)置當(dāng)前液氮余量為0%和100%的點(diǎn)。伴隨著液氮的使用，數(shù)據(jù)接收框內(nèi)液氮余量數(shù)據(jù)發(fā)生改變，其變化范圍為0%-100%。通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，該液氮余量監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)速度快，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠性強(qiáng)。

5 結(jié)論

本液氮余量監(jiān)測系統(tǒng)選用免費(fèi)下載的“串口調(diào)試軟件4.5”，避免了編程開發(fā)帶來的不便。利用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與終端的通信，達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。利用電容式原理測量法，及最小二乘法實(shí)現(xiàn)了對液氮余量的準(zhǔn)確測量。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)可拓展應(yīng)用在針對其他液體余量的監(jiān)測領(lǐng)域。

圖7 液氮余量監(jiān)測軟件測試界面Fig.7 Liquid nitrogen residue monitoring software interface

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Design of liquid nitrogen residue monitoring system based on MSP430

WANG Zhen，LIU Yi，LIU Li-qun
（Lanzhou Flight Control Co Ltd，Lanzhou 730070，China）

In order to realize the liquid nitrogen margin monitoring requirements，the paper proposed a design scheme of liquid nitrogen residue monitoring system based on MSP430 single chip microcomputer，and complete the hardware and software design of the system.The system has set the current liquid nitrogen margin of 0%，set the current liquid nitrogen margin of 100%，display liquid nitrogen margin （0%-100%），liquid nitrogen residual automatic alarm for 0%or 100%and the power supply voltage is insufficient function。Practical application shows that:the system can real-time，accurate monitoring of liquid nitrogen residue，has the advantages of simple operation，accurate testing features，meet the design requirements.

liquid nitrogen；level；allowance；MSP430；LCD

TN98

A

1674－6236（2015）07-0024-05

2014-07-07 稿件編號：201407046

王 禎（1990—），男，甘肅張掖人，助理工程師。研究方向：電子信息工程。