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        基于MSP430G2553單片機(jī)的簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2019-05-09 07:36:18王玨敏
        山西電子技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:水情水位電極

        王玨敏

        (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

        1 系統(tǒng)方案選擇與論證

        1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)水位高度、PH值、電源電壓并在液晶顯示屏上顯示的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本設(shè)計(jì)方案選擇與論證如下:

        1) 單片機(jī)方案選擇

        方案1:采用STC89C52單片機(jī),該單片機(jī)加密性強(qiáng),抗干擾能力強(qiáng),但因供電電壓為5 V,功耗大不滿足設(shè)計(jì)要求。

        方案2:采用MSP430G2553單片機(jī),因?yàn)樗╇姙?.3 V,低功耗且操作指令簡(jiǎn)潔,自帶AD使用方便,運(yùn)行速度快,工作電流最小為20μA[1]。

        由于方案1功耗達(dá)不到設(shè)計(jì)要求所以采用方案2。

        2)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        通過(guò)單片機(jī)方案論證,為滿足設(shè)計(jì)要求所以本系統(tǒng)采用以MSP430G2553單片機(jī)為核心,5VpH復(fù)合電極信號(hào)檢測(cè)溶液pH值、3.3 V壓力傳感器測(cè)量水位、3.3 VNOKIA5110液晶顯示屏顯示。

        1.2 水情信號(hào)處理

        1)pH復(fù)合電極信號(hào)處理方法

        由于pH復(fù)合電極采集的電壓為毫伏級(jí),所以我們將檢測(cè)的電壓與檢測(cè)的pH值進(jìn)行整理,經(jīng)過(guò)多次分析數(shù)據(jù)得出電極所處不同的pH溶液中,pH值與電壓間的關(guān)系式如式(1)所示,從而根據(jù)這個(gè)關(guān)系式得出pH值。

        (1)

        2) 壓力傳感器信號(hào)處理方法

        壓力傳感器的使用方法簡(jiǎn)單,精度高,供電為3.3 V且自帶AD芯片,將水位的高度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量與電壓間的關(guān)系,通過(guò)單片機(jī)計(jì)算處理得出水位的高度。

        水位高度=水的質(zhì)量/每毫升水的質(zhì)量。

        1.3 電壓檢測(cè)方法

        根據(jù)在電源兩端串聯(lián)兩個(gè)10 kΩ電阻分壓,把電壓采樣經(jīng)AD處理把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),再由MSP430G2553單片機(jī)把數(shù)字信號(hào)處理并發(fā)送顯示信息給NOKIA5110進(jìn)行顯示[2]。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)組成及框圖

        簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

        圖1 簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)框圖

        簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)由6 V電池組、調(diào)壓電路、MSP430G2553單片機(jī)、電壓采樣電路、pH值檢測(cè)電路、水位測(cè)量電路、NOKIA5110液晶四行顯示電路共7部分電路組成。系統(tǒng)電源模塊選用6 V電池組經(jīng)過(guò)調(diào)壓電路給各個(gè)模塊供電,液體的高度通過(guò)壓力傳感器測(cè)量,水的酸堿狀況通過(guò)pH復(fù)合電極傳感器檢測(cè),電路工作電壓通過(guò)電壓采樣電路實(shí)時(shí)地檢測(cè),并將所采集的數(shù)據(jù)送到MSP430G2553單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終將水情檢測(cè)信息在NOKIA5110液晶顯示器上分四行顯示[3]。

        2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)由核心控制模塊、電源模塊、水位檢測(cè)模塊、電壓采樣模塊、pH值檢測(cè)模塊和顯示模塊等組成。

        核心控制模塊MSP430G2553單片機(jī)為16位,3.3 V供電,內(nèi)置AD運(yùn)行速度快,低功耗工作電流最小為20 μA,片內(nèi)資源豐富。

        電源模塊由6 V電池組和調(diào)壓電路組成。整個(gè)系統(tǒng)采用4節(jié)電池組6 V供電,再通過(guò)調(diào)壓電路轉(zhuǎn)換成3.3 V和5 V,調(diào)壓電路主要由TPS78001芯片組成,該芯片可以將6 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓和3.3 V電壓,3.3 V調(diào)壓電路為水位測(cè)量電路、MSP430G2553單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路提供電壓,5 V調(diào)壓電路為pH值測(cè)量電路提供電壓,這樣可以方便控制,降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗,提高檢測(cè)結(jié)果。

        水位檢測(cè)模塊電路由稱重傳感器、信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換部分組成,信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換部分主要由專用型高精度24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711實(shí)現(xiàn);該傳感器稱重范圍為0 kg~5 kg,精確度為0.1 g,如圖2所示。

        pH值檢測(cè)模塊采用pH復(fù)合電極信號(hào)處理方法,pH復(fù)合電極由氫離子玻璃電極和參比電極兩部分組成,將這兩個(gè)電極一起放入待測(cè)溶液就構(gòu)成了原電池。溫度一定時(shí),參比電極是穩(wěn)定的,玻璃電極的電位取決于待測(cè)溶液pH值。因此通過(guò)測(cè)量電極間的電位差,來(lái)檢測(cè)被側(cè)液體的pH值,如圖3所示[4]。

        圖2 水位檢測(cè)模塊

        電壓采樣電路,使用分壓方式連接在電源中,以實(shí)時(shí)采樣電源的狀態(tài),經(jīng)單片機(jī)處理分析在顯示器上顯示。

        顯示模塊選取NOKIA5110液晶顯示屏,NOKIA5110采用串行接口與處理器進(jìn)行通信,接口線數(shù)量減少,采用低電壓供電,可以減小功耗,全像素點(diǎn)亮?xí)r最大工作電流為200 μA。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        軟件主程序流程圖如圖4[5]。

        4 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

        在自來(lái)水中加入白醋,使用此方式測(cè)量,溶液pH值測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,水位測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

        圖3 pH值檢測(cè)模塊

        圖4 主程序流程圖

        pH計(jì)測(cè)量值系統(tǒng)顯示值相對(duì)誤差pH計(jì)測(cè)量值系統(tǒng)顯示值相對(duì)誤差4.004.050.055.004.960.043.503.440.066.006.010.013.003.030.037.007.050.052.502.450.058.007.960.042.322.290.039.008.970.034.504.510.019.509.550.05

        表2 水位測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果

        經(jīng)測(cè)試,pH檢測(cè)結(jié)果誤差最大為0.06,水位測(cè)量結(jié)果誤差不大于1 mm,電池組輸出電壓誤差0.01以內(nèi),所以該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到并超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

        5 總結(jié)

        該簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)便是節(jié)能減耗,電路消耗的電能很小,只需6V電池組便可以給系統(tǒng)各個(gè)模塊提供電能,尤其在戶外作業(yè)時(shí),大大提高了系統(tǒng)的續(xù)航性能。同時(shí)液體pH測(cè)試結(jié)果的精度小于等于0.06,高度測(cè)試值誤差小于等于0.15 mm。該系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、操作指令簡(jiǎn)潔、運(yùn)行速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

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