基于MSP430的智能沖擊電流計的設(shè)計與開發(fā)

周旭陽　梅孝安　朱玉軍　楊中華　范春波　趙艷杰

摘要：該文設(shè)計與開發(fā)了一套智能沖擊電流計系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MSP430單片機為主控芯片，ADS7886為A/D芯片。該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)數(shù)字沖擊電流計的功能，還配有基于繼電器的智能開關(guān)電路。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)能精確測量高電阻。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機；沖擊電流計；高阻測量；智能開關(guān)

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1605-03

1 概述

沖擊電流計能測量脈沖的電量，因而常用來測量與電量有關(guān)的物理量，如磁感應(yīng)強度、電容、高電阻等，在工程生產(chǎn)與精密測量領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。目前沖擊電流計的發(fā)展正由傳統(tǒng)機械式向電子數(shù)字式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)機械式電流計的雖然靈敏度很高，但極易受外界振動的影響，使用時應(yīng)將它固定安裝在穩(wěn)固位置或堅實墻壁上，操作復(fù)雜，使用非常不方便。數(shù)字式?jīng)_擊電流計是使用大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運算放大器及優(yōu)質(zhì)電子元器件組成的數(shù)字式測量儀表，它主要用于測量短時間內(nèi)脈沖所遷移的電量，故可用來測量與此相關(guān)的物理量。數(shù)字沖擊電流計用數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，讀數(shù)清晰，它相比傳統(tǒng)的沖擊電流計有無論是在操作性還是結(jié)果的準確性上都有很大的提高。但由于數(shù)字沖擊電流計使用了大規(guī)模CMOS集成電路和高性能運算放大器及優(yōu)質(zhì)電子元器件，價格昂貴，一臺設(shè)備的價格大概在3000元左右。我們利用MSP430單片機、ADS7886高速A/D芯片、繼電器以及LCD12864等外圍器件設(shè)計與開發(fā)出一套能精準控時的數(shù)字智能沖擊電流計，此電流計價格成本低，測量精確，功能強大。利用此儀器附加其他設(shè)備，就可以精確的測量電量、高電阻、電容以及磁場強度，具有極其重要的實用價值。

2 系統(tǒng)設(shè)計思想

沖擊電流計可以測量在暫短時間內(nèi)流經(jīng)它的脈沖電流所遷移的電量。本項目利用現(xiàn)代單片機技術(shù)與高速A/D芯片采用全新的思想設(shè)計與開發(fā)一套智能沖擊電流計。下面以充滿電的電容放電為例說明其設(shè)計思想。電容放電時其電量的變化情況如圖1所示。本項目設(shè)計的沖擊電流計能測量出暫短時間內(nèi)流經(jīng)它的脈沖電流所遷移的電量。設(shè)計思想是：如要測出t1～t2時間內(nèi)遷移的電量，則在t1～t2時間內(nèi)取樣，利用高速A/D芯片通過單片機測出其電壓值，計算出其電流值，乘以間隔時間，即可得到間隔期間的電量值，最后把所測得的電量Q累加起來，即得到所要的遷移電量，最后通過LCD12864顯示所測電量值。毫無疑問，取樣間隔時間越短，測量精度越高，但對A/D芯片的要求也越高，為此我們特意選擇了MSP430加ADS7886的方案組合。

沖擊電流計一個典型的應(yīng)用是用電容漏電法精確測量高電阻。高電阻一般指100萬歐以上的電阻，由于惠更斯電橋靈敏度有限，因此高電阻一般不能也不宜用它作精確測量。但用漏電法能比較精確地測量高電阻，其測量原理如圖2所示。測量方法是將被測電阻R與已知電容C并聯(lián)，將SW_3撥至c端先將電容器充滿電（狀態(tài)A），再將開關(guān)SW_3懸空至b，電容器上的電荷將通過高電阻R泄漏（狀態(tài)B），最后將SW_3撥至a端測出電容所剩電量（狀態(tài)C）。我們通過精確控制漏電的時間并測出剩余電量就能通過計算得出高電阻的阻值。目前工程上大多利用秒表手工控制漏電的時間，即開關(guān)動手與秒表手工停啟，實驗誤差非常大。本項目設(shè)計的智能沖擊電流還設(shè)有智能開關(guān)控制器模塊，該模塊利用單片機定時系統(tǒng)和繼電器電磁開關(guān)能進行精確的定時控制，用戶可以隨意設(shè)定電容充電的時間、電容對電阻放電的時間，系統(tǒng)自動完成各種狀態(tài)的切換，測量精度非常高。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件的設(shè)計主要包括MSP430單片機最小系統(tǒng)、鍵盤模塊、充放電開關(guān)模塊、顯示模塊和A/D采樣模塊的電路設(shè)計。

1）MSP430單片機最小系統(tǒng)模塊。MSP430單片機最小系統(tǒng)如圖3所示，由MSP430單片機、電源電路和晶振電路構(gòu)成。MSP430系列單片機為16位的采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)功能強大的單片機。MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。由于其16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，所以運算速度相對傳統(tǒng)的51系列單片機非?？臁?/p>

2）鍵盤控制模塊。鍵盤控制模塊如圖4所示，由4個按鍵電路組成，分別連接到單片機的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3口，其作用分別是狀態(tài)切換、加、減、開始。默認的狀態(tài)是狀態(tài)A為設(shè)置充電時間，當按一下狀態(tài)切換鍵是轉(zhuǎn)到狀態(tài)B為設(shè)置放電時間，再按一下狀態(tài)切換鍵轉(zhuǎn)到狀態(tài)C為設(shè)定沖擊電流計測量的時間，所有的時間都可以用加減鍵來設(shè)定。按下開始鍵，系統(tǒng)將按設(shè)定的時間在三種狀態(tài)按順序自動切換。S5為MSP430的復(fù)位按鍵。

5）A/D采樣模塊。該模塊采用ADS7886為A/D采樣芯片，并且單獨用芯片REF 3030提供3V的基準電壓以提高測量的準確度。ADS7886是12位串行高速A/D芯片，其第3腳為采樣模擬信號輸入，模擬信號采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通過單片機讀取。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，通過Keil uVision4編譯。軟件設(shè)計的思想是先進行定時器中斷設(shè)置及其它的初始化工作，然后對按鍵輸入的數(shù)據(jù)進行顯示并將數(shù)據(jù)讀入單片機處理，最后確認數(shù)據(jù)并按設(shè)定時間在充電、漏電和放電三種狀態(tài)間自動切換。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

4 總結(jié)

本文中，我們利用了MSP430低功耗單片機、高速A/D芯片、繼電器以及LCD12864等外圍器件設(shè)計與開發(fā)出了一套數(shù)字智能沖擊電流計系統(tǒng)，該系統(tǒng)的創(chuàng)新與特色點如下：（1）功耗低，主控制器MSP430和ADC是低功耗芯片，軟件可實現(xiàn)休眠模式。（2）精度高，采用的AD芯片ADS7886是12位，并且單獨用芯片REF 3030提供3V的基準電壓。（3）功能強，采用LCD12864，顯示信息多，通過軟件編程可增加歷史記錄、連續(xù)多次測量等等。該系統(tǒng)所采用的芯片與技術(shù)非常成熟，成本低，相比較現(xiàn)在市場上幾千元的數(shù)字沖擊電流計具有極大的成本優(yōu)勢。該系統(tǒng)在湖南理工學(xué)院大學(xué)物理實驗室對學(xué)生進行了多批次的實驗教學(xué)應(yīng)用，對高電阻測量的結(jié)果比較準確，實驗效果好。

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