基于MSP430F169的电容式水分仪的研制

洪茜

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

0 引言

地暖供热作为一项建筑节能项目，以比其它采暖方式不可比拟的优势越来越被广大国民所青睐。但随着管龄的增长，由于施工缺陷、腐蚀老化等问题和人为破坏的原因，地暖供水管道渗漏频频发生。而渗漏点的检测始终未得到圆满解决，致使在修缮、维修等过程中造成巨大的浪费，本可以局部维修解决的问题，因无法确定漏点而被迫全部翻修[1]。目前，国内外出现的泄漏检测和定位方法主要有：电工泄漏追踪仪、红外热像分析仪、色渗透检测法、近红外测湿法（NIR）。本文研制的电容式水分仪以单片机MPS430F169为核心，采用LCD显示操作提示信息、测量数据等。并通过键盘实现人机交互功能。具有结构简单、牢固耐用、成本低、安全可靠以及响应速度快的优点。

1 测量原理

电容法测水分主要是根据被测物的介电常数变化引起电容值变化这一规律来实现的。测水的本质是当水进入待测物时，会使其介电常数发生改变。在常温下，水的相对介电常数约为80，而其它材料的相对介电常数多数小于10，当水浸入电介质时，会使电介质的相对介电常数增大，电容值将明显变化。这就使得电容测水分具有了很大的可行性。

1.1 单片式电容传感器的结构设计

为了满足动态测量的要求，克服传统的平行极板电容传感器的缺点，可以将电容传感器的两个极板放在同一平面内。利用印刷电路板加工工艺制成的单片式电容传感器，其理想物理模型如图1所示。两极板长L，宽b，间距a，放置在同一平面内，极板下是介电常数ε=ε0*εr的均匀电介质(ε0真空的介电常数；εr电介质的相对介电常数)。

图1 单片式电容传感器的理想物理模型

1.2 单片式电容传感器电容值的定量计算

为便于分析，采用单元积分法计算单片式电容传感器的电容值。电容敏感元件之微小面积增量(ΔF =L Δx)上形成的电容值[2]，根据电容计算公式

其中：ε0为真空的介电常数；εr为电介质的相对介电常数；A为极板面积；d为极间距。近似有

式中a为极板之间的间隙；L为极板长度；x为沿极板宽度方向的变量；Δx为宽度变化增量；εx为被测物介电常数；εs为基片介电常数。x为从 0到b (b为单块极板宽度)积分，得总电容量

如果极板间电介质的等效介电常数εx发生变化，电容传感器的等效电容值C将随之改变。

由式(3)看出，探测灵敏度与电极长度L、宽度b、电极间隙a有关，在L一定的情况下，灵敏度主要决定于极板宽度和间隙的比值 b/a，比值越大，探测灵敏度越高，但是还要兼顾探测深度。

为了满足传感器具有较大的初始电容和较高的灵敏度，又要保证传感器单方向尺寸不能过大，并且由于平行极板的边缘效应不是很好，会减弱极板的场强。所以本文采用了“回”字型的极板，测量极板平面图如图2所示。该极板可看作平行极板的一种特殊形式，所以以上的推导结论同样适用。

图2 “回”字型测量极板平面图

2 检测系统硬件设计

电容式水分仪的信号采集与处理电路硬件设计主要包括两大部分：信号板和主机板。检测系统的整体结构框图如图3所示。信号板的主要任务是：将传感器输出的交流信号变换为直流标准信号，送往主机板的A/D转换单元。

主机板以MSP430F169单片机为控制核心，主要由A/D转换、D/A转换、独立时钟、功能键与显示部分组成。

图3 检测系统的整体结构框图

2.1 MSP430F169单片机

本系统采用了美国德州仪器公司的MSP430F169单片机[3]。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)，它是一款 16位超低功耗单片机、供电电压1.8-3.6 V、运算能力强、丰富的片内外围模块、方便高效的开发环境、系统工作稳定。由于 MSP430F169单片机内部集成了 12位的A/D和D/A，由此简化了外围电路的设计。

2.2 C/V转换电路

测量系统中传感器的信号被采集到以后，由于转换成相应的电压变化量十分微小，必须经过处理，这些处理电路也就是仪器电路的前向通道，其中包括信号发生器、C/V转换电路、交流放大环节、低通滤波等。其中，C/V转换电路是系统硬件设计的核心部分，电路如图4所示，它必须具有低噪声、输入阻抗高、单位增益带宽高等特点，这些特点可使其作为电容传感器理想的测量电路[4]。

图4 C/V转换电路

2.3 液晶显示模块

水分仪采用金峰电子公司的OCM12864液晶显示模块，该液晶显示模块与单片机的接口很简单，只要把OCM12864的片选信号，写信号，DA与MSP430F169单片机的P5.1，P5.2，P5.3口分别相连即可[5]。液晶显示模块与单片机的接口电路如图5所示。

3 软件设计

测量控制软件的程序设计采用模块化思想，主要由以下模块构成：系统初始化、AD采样、数据滤波、数据处理、液晶显示、键盘控制、DA输出、数据保存、参数标定等。测量控制软件模块结构如图6所示。

4 抗干扰设计

对于智能仪器仪表来说，要想使其能够稳定的工作，在设计中要充分地考虑干扰信号的来源，以使干扰降低到最低。本设计从软硬件两方面降低干扰信号，以保证检测仪能够稳定的工作。在硬件方面，单片机未使用的引脚，将其设置为输入模式，并将该引脚做接地处理，这有利于抗电磁辐射和静电干扰；晶振应尽可能的靠近主芯片MSP430F169；保证外壳良好接地。在软件方面，首先采用看门狗电路；其次在数据处理方面，采用中值滤波法。

图5 液晶显示模块与单片机的接口电路

图6 测量控制软件模块结构图

5 结束语

本文介绍了一种基于MPS430F169单片机的电容式水分仪。在实验室环境下，我们开发了样机。仪器结构小巧，电路简单，测量精度高。检测时无须大面积破坏原有防渗结构，检测出渗漏点即可。该仪器同样适宜检测薄型屋面，建筑材料的含水率。

[1]聂伟荣，朱继男. 管道泄漏检测技术及其发展[J]. 分析仪器，2003，34(6)：8.

[2]王雪文. 传感器原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004：109-121.

[3]沈建华. MSP430系列16位低功耗单片机实践与系统设计[M]. 北京：清华大学出版社， 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]梅丽凤，唐晓明. 基于 MSP430控制的液晶显示屏设计与实现[J]. 辽宁工学院学报，2007, 28：227-229.