基于MSP430单片机的pH计的研制

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基于MSP430单片机的pH计的研制,论文非常详细,是制作PH仪器的好的参考资料
作者姓名 董华 论文分类号 TP212 研究生学号 2006512021 学位类别 工学硕士授予学位单位吉林大学 专业名称 电蒋与系统培养单位 电子科学与 院、所、中心)工程学院 研究方向 非电信号与 学习时间 2006年9月 电路系统 至2008年7月 论文中文题目基于MSP430单片机的四H计的研制 论文英文题目 The Design of pH Meter Based on MSP430 关健词(3-8个)T计,MSP430,电位测量法,温度补偿, 两点校正 姓名 李宝华职称 教授 导师情况 学历学位硕士工作单位吉林大学 论文提交 日期 2008年5月日答辩日期208年5月日 是否基金资助项目否基金类别及编号 如已经出版,请填写以下内容 出版地(城市名 省名) 出版者(机构)名称 出版日期 出版者地址(包 括邮编) 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,如何设计測 量精度更高的p计,如何降低生产的成木,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AD转换后送入单片机,进行数据处理得到 当前被測溶液的准确pH值,并通过液晶显示岀来;对于温度变化、探头 老化引起的误差,罘用两点校正法,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。 关键词:pl计;MSP30;电位测量法;温度补偿;两点校正 目录 提要 第一章绪论 1.L酸碱度测量 1.2智能仪器的功能特点及应用. 1.3智能P计的发展现状和趋势 1.1论文章节的安排 44,,,,,书,,非4非,4,,,,,,,,,44,,4,来 1556 1.5小结 第二章硬件设计… 2.I微处理芯片的选择 2.2P电极传感器的选择 10 2.3整体设计 2.4P值传感器接口电路设计… +-+--++++++++++++ 12 2.5温度传感器接凵电路设计 +++“+““++++ 13 2.5.1温度信号处理电路…14 2.5.2放大电路的误差分析 15 2.6人机接口电路设计 16 2.6.1按键接口电路设计…16 2.6.2液晶显示电路设计 18 2.7低电检测报警电路设计 19 2.8硬件抗干扰措施…20 2.9JTAG技术 21 2.10小结 23 第三章软件设计 24 3.IARC430应用 24 3.2功能分析和任务划分…26 3.3A/D转换 44441484非4车长B4B444非4书444484在4B1在4 28 3.4按键工作方式设计 31 3.5HASH存储的读写 32 3.6校正……35 3.7时钟发生机制和时间资源.36 3.8CPU运行抗干扰措施 37 3.9小结. 39 第四章智能P计的测量原理 …,40 4.电位法测量原理……40 4.2温度补偿…141 4.3两点自动校准142 4.3.1两点校准基本原理: 42 4.3.2两点校准方法的改进… 44 4.4误差分析……4 4.4.1标准溶液对pH测量的影响 45 4.4.2传感器电极对pH测量的影响…45 4.4.3测量温度对玻璃电极的影响…….1146 4.4.4被测溶液对传感器电极的影响……47 4.4.5操作方法对p测量的影响 4面非非非非非非BB丰4非非非非,非非非B44 48 4.5小结 第五章试验数据及结果 49 5.1温度测量部分试验数据 49 5.2P值测量部分试验数据 50 5.2.1p值测量部分稳定性试验 51 5.2.2p值测量精度试验 54 总结 参考文献 57 摘婁 ABSTRACT..ANMNANMNNNANNMMANMNMMNN. III 致谢 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 H=1 H+ 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 桯中,影呵其測量准确性的因素很多,其中电极的老化、被測溶浟旳温度 的变化以及电路的稳定性等都对測量带来一定的误差,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讣完成温度补偿。 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 器的应用范围。 智能仪器的功能特点主要有以下几个方面4: 、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 后动闭合、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,按照没计的流程执行指令, 进行各种逻判断,驱动某一执行元件完成动作。和使件工作方式相比, 软件的引入带来了极人的方便和灵活性。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晌随机干扰很大, 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:智能仪器有日动校正零点,切 换量程以及对系统自身进行測试,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,就能实现某种測量功能 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。 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: 被测 参量 传感器 放大电路 转换 键盘 显示器 微处理器 打印机 R 报警设备 A M EEPRo DAc M\重动器 模拟执行装置 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,做处理器内部的 存储器己经足够;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 ( RAMROM)。被測参量经过测量电路变成能够检測的模拟电压信号, 经过AD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l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,每个模块实现一和特定的功能。 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。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。 軟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、査错、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 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,即用于營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規划,使其满足结构化设计的要求。

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