基于MSP430F169的電容式水分儀的研制

洪茜

（渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

地暖供熱作為一項建筑節能項目，以比其它采暖方式不可比擬的優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，國內外出現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、測量數據等。并通過鍵盤實現人機交互功能。具有結構簡單、牢固耐用、成本低、安全可靠以及響應速度快的優點。

1 測量原理

電容法測水分主要是根據被測物的介電常數變化引起電容值變化這一規律來實現的。測水的本質是當水進入待測物時，會使其介電常數發生改變。在常溫下，水的相對介電常數約為80，而其它材料的相對介電常數多數小于10，當水浸入電介質時，會使電介質的相對介電常數增大，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構設計

為了滿足動態測量的要求，克服傳統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。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，極板下是介電常數ε=ε0*εr的均勻電介質(ε0真空的介電常數；εr電介質的相對介電常數)。

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]，根據電容計算公式

其中：ε0為真空的介電常數；εr為電介質的相對介電常數；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；εs為基片介電常數。x為從 0到b (b為單塊極板寬度)積分，得總電容量

如果極板間電介質的等效介電常數εx發生變化，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，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，所以以上的推導結論同樣適用。

圖2 “回”字型測量極板平面圖

2 檢測系統硬件設計

電容式水分儀的信號采集與處理電路硬件設計主要包括兩大部分：信號板和主機板。檢測系統的整體結構框圖如圖3所示。信號板的主要任務是：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轉換單元。

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

圖3 檢測系統的整體結構框圖

2.1 MSP430F169單片機

本系統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、豐富的片內外圍模塊、方便高效的開發環境、系統工作穩定。由于 MSP430F169單片機內部集成了 12位的A/D和D/A，由此簡化了外圍電路的設計。

2.2 C/V轉換電路

測量系統中傳感器的信號被采集到以后，由于轉換成相應的電壓變化量十分微小，必須經過處理，這些處理電路也就是儀器電路的前向通道，其中包括信號發生器、C/V轉換電路、交流放大環節、低通濾波等。其中，C/V轉換電路是系統硬件設計的核心部分，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 軟件設計

測量控制軟件的程序設計采用模塊化思想，主要由以下模塊構成：系統初始化、AD采樣、數據濾波、數據處理、液晶顯示、鍵盤控制、DA輸出、數據保存、參數標定等。測量控制軟件模塊結構如圖6所示。

4 抗干擾設計

對于智能儀器儀表來說，要想使其能夠穩定的工作，在設計中要充分地考慮干擾信號的來源，以使干擾降低到最低。本設計從軟硬件兩方面降低干擾信號，以保證檢測儀能夠穩定的工作。在硬件方面，單片機未使用的引腳，將其設置為輸入模式，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；其次在數據處理方面，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構圖

5 結束語

本文介紹了一種基于MPS430F169單片機的電容式水分儀。在實驗室環境下，我們開發了樣機。儀器結構小巧，電路簡單，測量精度高。檢測時無須大面積破壞原有防滲結構，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. 管道泄漏檢測技術及其發展[J]. 分析儀器，2003，34(6)：8.

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

[3]沈建華. MSP430系列16位低功耗單片機實踐與系統設計[M]. 北京：清華大學出版社， 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計與實現[J]. 遼寧工學院學報，2007, 28：227-229.