原油含水率测定仪的设计

系统设计方案

1温度传感器的选择

一般情况下，在温度测量中所采用的传感器有：热电偶和热电阻两大类。本系统需测控3处的温度，由于热电偶需温度补偿，而热电阻不需要，从硬件成本和软件复杂程度考虑确定采用热电阻PT100。

2 MSP430单片机

MSP430系列单片机为低功耗16位的精简指令构架，在线可编程，将大量的外围模块整合到片内：片内DCO振荡器，看门狗定时器/通用目的定时器，Timer_A3（带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器），Timer_B7（带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器），I/O端口1、2（每一个有8个I/O端口，均具有中断功能）、I/O端口3、4、5、6（每一个有8个I/O端口，可以位操作），ADC12（8路12位A/D）,USART0和USART1,16位硬件乘法器等。

3 ICM7218A显示驱动芯片

本系统需26位数码管显示。为减少空间，少用器件，选用4片ICM7218A显示驱动器。

ICM7218A译码驱动芯片是8位静态LED驱动器，内含8×8位静态RAM，用于存放显示数据；有较强的位段驱动能力，能直接连接8只0.5英寸数码管。

系统总体组成结构及工作原理

如图1所示，整个系统由单片机主机系统、传感器信号处理电路、加热控制电路、冷却水控制电路、键盘、数码管显示和电源模块等组成。P1和P2.0、P2.1口作为系统的键盘线；P3、P4和P2.3～P2.7口作为系统的控制驱动线；P5和P2.2、P6.0～P6.3口作为系统的显示驱动线；测量信号通过P6.0～P6.3接至MCU。系统的电源模块产生+2.5V、+3.6V、＋5V和+12V电压，分别为主机系统和传感器接口电路提供稳定的工作电压。

图1 系统总体构成图

本系统通过温度传感器PT100进行冷凝水、蒸馏冷凝器、恒温稀释箱内的温度数据采集，经过放大处理模块进行高精度的测量。用户可以通过键盘选择加热工位和设定冷凝器内汽温的上限值；设定冷凝水和加热稀释箱的温度值；设定蒸馏时间；设定输入温度和电压的标定值等参数。仪器采用冷凝循环水系统，MPS430单片机通过控制制冷机组来控制循环水的温度在室温左右（约25℃）；原油一般在60℃时取样，MCU通过控制加热管使加热稀释箱的温度在60℃左右。油样在加热蒸馏前温度不高，为提高化验效率，蒸馏时先采用大功率加热，油样近100℃时切换小功率加热。加热蒸馏功率的调整通过控制加热管供电电压来实现，系统能显示加热管供电电压；显示定时时间；显示循环水温度的设定值和实际值；显示蒸馏冷凝器内温度；显示加热稀释箱内温度的设定值和实际值。

系统的主要硬件电路设计

1 温度测量放大电路

如图2所示，电路由TL431精密稳压器、电阻桥、放大电路组成。精密电阻R3、R4、R5和PT100组成了一个电阻桥，电阻R2用于电桥补偿；TL431和电阻R1组成2.5V的精密稳压电路，给电阻桥供电；热电阻PT100采用3线连接，可以抵消连线长度误差；测量温度范围在0～100℃，采用单电源仪表放大器AD623 对电桥信号进行放大处理。

图2 温度测量组成电路原理图

2 加热蒸馏控制驱动电路

电路如图3所示，单片机控制信号经反向器74LS07后，控制三极管，驱动继电器动作；继电器K1，总控各工位加热；K2起到加热功率切换的作用；K3～K8(或K14)控制各工位加热管；R1、R2控制固态调压器输出不同的电压波形。

图3 加热电路原理图

3 电磁搅拌电路设计
如图4所示，固态调压器调压调速，经变压器降压，全桥整流，变成直流电，控制12V直流电机。

图4 电磁搅拌电路原理图

4 加热稀释电路设计
有反相器74LS07、二极管、三极管、电阻、继电器组成控制电路，控制加热管和风机。

5 制冷循环水电路设计
有反相器74LS07、二极管、三极管、电阻、继电器组成控制电路，控制压缩机、散热器、水泵。

6 电压测量电路设计
该参数精度要求不高，采用全桥整流、电阻降压获取信号，进单片机A/D端。

7 键盘、显示电路设计
系统有22个按键，采用5×5键盘阵列，占用10条I/O线：P1.0～P1.7和P2.0、P2.1。用单片机的P5口作为和显示驱动器ICM7218A数据传输总线，P6.2作为公共控制线连接ICM7218的MODE，P2.2、P6.0、P6.1、P6.3作为片选线连接ICM7218的/WR脚。

系统软件设计
系统的软件采用模块化结构设计，分为八大块，即系统初始化模块、数码管显示模块、按键识别及处理模块、水温测量及控制模块、稀释箱温度测量及控制模块、蒸汽温度测量及控制模块、定时处理模块、加热管供电电压测量模块。

过程
系统通过初始化模块设置显示缓冲区、堆栈指针、操作标志和工作寄存器、各I/O端口的方向、A/D转换器设置、系统定时器模块，以及系统中断设置等。键盘模块负责按键的识别和按键处理，当有按键动作时调用相应的按键处理子程序进行处理，可实现对循环水、稀释箱及冷凝器内温度设定，定时时间的设定，工位的选择及各部分的起停。水温测量及控制模块能对冷凝循环水温度数据进行处理，处理数据送显示缓冲区，发出控制信号控制制冷机组，使水温保持在设定范围。稀释箱温度测量及控制模块能对稀释箱内的温度数据进行处理，处理数据送显示缓冲区，发出控制信号控制加热管，使箱内温度保持在设定范围。蒸汽温度测量及控制模块能对冷凝器内温度数据进行处理，处理数据送显示缓冲区，发出控制信号控制加热管，使冷凝器内温度不超过设定值。定时处理模块对加热功率的切换、电磁搅拌部分的启动和整个蒸馏时间的定时控制，蒸馏时间到，蒸馏加热、制冷循环水、电磁搅拌等部分停止运行，启动降温部分。最终实现原油含水率的测定。