基于MSP430的液氮余量監測系統設計

王禎，劉屹，劉立群

（蘭州飛行控制有限責任公司 甘肅 蘭州 730070）

基于MSP430的液氮余量監測系統設計

王禎，劉屹，劉立群

（蘭州飛行控制有限責任公司 甘肅 蘭州 730070）

為了滿足對液氮余量監測的需求，提出了一種基于MSP430單片機的液氮余量監測系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統具備設置當前液氮余量為0%、設置當前液氮余量為100%、顯示液氮余量（0%-100%）、液氮余量為0%或100%及電源電壓不足時自動報警的功能。實際應用表明，該系統能夠實時、準確地監測液氮余量，具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設計要求。

液氮；液位；余量；MSP430；LCD

液氮作為空氣液化分離的最大宗產品、工業制氧的副產品，加上液氮特有的性質，已逐步受到人們的重視和認可。國內外對液氮的應用已擴大到國民經濟的各個領域，如生物及醫學、電子工業、交通運輸、機械化工及食品工業等。液氮冷凍治療是在極度冷凍的狀態下，將病區細胞迅速殺死，使得病區得到正常的恢復。以液態氮代替液態氦作為超導制冷劑獲得超導體，使超導技術走向大規模開發應用，認為是20世紀科學上最偉大的發現之一。

工業中，液氮罐一般分為貯存罐、運輸罐兩種。貯存罐主要用于室內液氮的靜態貯存，運輸罐則滿足運輸的需求。冷凍保存技術目前已成為現代生命科學研究必備的手段之一，疫苗、細胞以及人、動物的器官，都可以浸泡于液氮罐儲存的液氮中，長期活性保存。需要使用時，取出解凍復溫即可使用。

然而，隨著液氮的揮發及使用，往往需要填充液氮，為減少以后填充液氮時的損耗，更好地了解液氮罐內液氮余量，在液氮不足的情況下，及時提醒工作人員填充液氮，實現安全、快速、有效、優質的生產，本文提出并設計了一種基于MSP430的液氮余量監測系統設計方案，繼而進行實時監測，智能控制，使生產結果更趨完善。

1 總體設計

系統主要由以下部分構成:電源模塊、傳感器、信號轉換模塊、微處理器、顯示模塊、按鍵模塊、PC通信模塊和上位機監測軟件。

3 V紐扣電池為微處理器、信號轉換模塊、顯示模塊供電；按鍵模塊設置當前液氮余量為0%或100%；微處理器MSP430F449采集同軸不銹鋼套筒傳感器經信號轉換模塊輸出的方波信號后，一方面通過控制單片機的I/O口，驅動段式LCD，顯示液氮余量。另一方面，通過串口通信傳送數據給上位機監測軟件（串口調試軟件 4.5），實現上位機對液氮余量的遠程監控。利用單片機片內集成的FLASH及電源電壓監測模塊（SVS）實現對數據的存儲與電源電壓的監控。

2 系統硬件設計

2.1 M SP430最小系統設計

TI公司MSP430系列是一個16位的功能強大的超低功耗類型微控制器，其電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，ARM數據保持方式下耗電僅0.1 μA，活動模式耗電250 pA/MIPS（MIPS:每秒百萬條指令數），I/O輸入端的漏電流僅為50 nA，具有超低功耗，強大處理能力，高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊，效率高效等特點。該系統設計采用的MSP430F449主控制器幾乎涵蓋 MSP430系列單片機的優點。MSP430F449最小系統設計電路如圖2所示，最小系統包含晶振電路，復位電路，電源電路，JTAG程序下載調試電路。

圖1 系統硬件組成結構框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

2.2 傳感器組成

本設計中：采用電容式液氮余量測量法，同軸不銹鋼套筒（內外管半徑分別為R0，R1）

構成的傳感器可直接伸入液氮罐，傳感器頂端連接表頭，實現液氮余量監測目的，結構簡單，操作方便。

測量原理：液氮液面高度發生變化，傳感器電極間覆蓋面積改變，傳感器電容量改變。

2.3 信號轉換電路

如圖3，信號轉換電路由TLC555多諧振蕩電路與HC4040分頻電路兩部分組成。其功能是：555多諧振蕩電路將傳感器電容的變化轉變成方波信號頻率的變化，方波信號經HC4040分頻電路分頻，送單片機采集。因此，方波信號頻率的變化是液氮余量變化的體現，通過測量頻率達到監測液氮余量的目的。

圖2 MSP430F449最小系統設計Fig.2 MSP430F449 minimum system design

為降低系統功耗，本文選用型號為TLC555的一款高性能的CMOS RC定時器，功能等同于SE/NE555，其工作電壓范圍為2～18 V，特點如下：具有較低的供電電流、較低的THRES、TRIGR和RESET引腳電流、輸出晶體管防止瞬間供電短路。如圖3，將TLC555與3個阻容元件連接，便構成非穩態多諧振蕩電路。

傳感器電容（Sensor）通過電阻R3和R4充電，僅通過R4放電。因此，輸出方波信號的占空比與電阻R3和R4的值有關。電阻R3、R4確定，方波信號頻率與傳感器電容值有關。當液氮余量發生變化，傳感器輸出電容值Sensor改變，TLC555輸出的方波信號頻率改變。

為了更直觀的從頻率的變化體現出液氮余量的變化，本文設計電阻R3、R4阻值為1 K。由于傳感器輸出電容變化范圍小，故TLC555輸出方波頻率值比較大，本文采用芯片HC4040對方波信號做分頻處理，提高信號采集的準確性。74HC4040D是一款高速分頻器，兼容HEF4040B系列，工作電壓為2～6 V，3 V電源電壓提供其工作電壓。74HC4040D第10引腳：時鐘輸入端；11腳：總復位信號輸入端；除電源外，其他引腳均為信號輸出端，分頻系數為2n（n=1，2，，，12）。本文設計中，74HC4040D第14引腳為信號輸出端，分頻系數為1024；

圖3 信號轉換電路Fig.3 Signal conversion circuit

2.4 段式LCD電路設計

在單片機的應用中，人機界面占據相當重要的地位。人機界面主要包括事件輸入和結果指示，事件輸入包括鍵盤輸入，通訊接口，事件中斷等，結果指示包括LED/LCD顯示、通訊接口、外圍設備操作等。LCD?顯示技術由于其具有界面友好，成本較低等特點而在很多應用場合得以廣泛應用。

圖4 段式LCD顯示電路Fig.4 Segment LCD display circuit

本文設計采用四位八字段式LCD作為人機界面，成本低，功耗低，其超寬溫的工作范圍能更好的適應液氮的超低溫特性，完全能夠滿足本系統設計的顯示需求。段式LCD液晶顯示有靜態、2MUX、3MUX、4MUX四種顯示模式，而最常用的是4MUX模式。即：有4個公共端（相當于數碼管掃描顯示的位選端），若干個驅動端的模式。其最大的優點就是能使用最少的引腳提供最多的液晶顯示段。

鑒于某些系列單片機不具備液晶驅動能力，需添加液晶驅動芯片HT1621B驅動液晶顯示。為簡化電路設計，特選用具備液晶驅動能力的MSP430F449單片機，其專門開辟了存儲空間（LCDMEM1-LCDMEM20）存放顯示的信息，如果使用4MUX方式顯示，可以顯示160段液晶筆畫。段式LCD電路設計如圖4所示。

本文設計中，四位八字段式LCD工作于4MUX模式，LCD與單片機的連接，只需要3只電阻（圖2中R10、R11、R12），液晶的公共端（COM0-COM3）、驅動端（S0-S11）與單片機公共端、驅動端連接即可。

2.5 通信電路設計

生產中，經常需要對現場進行監控，計算機從終端獲取現場數據，實現監控現場的目的。終端接收計算機指令，改變現場狀態，使生產更具安全性、更具效率。

計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用并行通訊和串行通訊二種方式。相對于并行通信，串行通信成本低，使用傳輸線少，適用于遠距離傳輸，但是速度小于并行通信方式，其通信可以分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信。

串行通訊時：計算機的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，因此，本文采用專用芯片MAX3232進行轉換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。

串口通信電路設計如圖5：采用了三線制連接串口，即：和計算機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的TXD、第3腳的RXD、MAX3232的第11腳和單片機的第75腳連接，第12腳和單片機的第74腳連接。

本設計中，MAX3232收發器采用專有的低壓差發送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0 V至5.5 V電源供電時能夠實現真正的RS-232性能。器件僅需四個0.1 uF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232具有2路接收器和2路驅動器，并采用節省空間的TSSOP和SSOP封裝，在最差工作條件下能夠保證120 kbps的數據速率。

2.6 按鍵模塊

設計了2個獨立按鍵作為按鍵輸入電路，按鍵1（KEY1）設置當前液氮余量為0%，按鍵2（KEY2）設置液氮余量為100%點。按鍵輸入，采用延時進行消抖，經過多次測試，按鍵工作穩定。

2.7 電源電壓監控模塊（SVS）及數據存儲模塊（FLASH）

當需要穩定的工業級產品時，經常要對電源電壓監控，以保證單片機系統工作于正常環境或范圍中。MSP430F449內部集成電源電壓監控器模塊（SVS），其FLASH大小為60 K。

本設計中，當電源電壓低于2.5 V時，系統LCD顯示低電壓信息。通過對片內FLASH的讀寫，實現對數據的保存，實現掉電數據不丟失。

圖5 MAX3232通信電路Fig.5 MAX3232 communication circuit

3 系統軟件設計

3.1 單片機程序設計

系統采用C語言編程，提高了系統程序的可維護性和擴展性，同時程序設計模塊化，主要包括主程序、定時器中斷服務子程序、按鍵掃描子程序、數據存儲子程序、段式LCD顯示子程序，串口發送數據子程序等。單片機程序流程圖，如圖6。

系統上電后，首先對系統初始化，根據時序變化，單片機對液氮余量數據進行判斷、處理和顯示、并響應按鍵操作，系統電壓不足及時做出報警。

3.2 RS232驅動程序安裝

除了硬件連接外，要實現單片機與計算機能夠正常通信，必須安裝USB轉串口驅動程序。設備驅動程序可以在因特網下載并直接安裝。本設計以計算機Window XP工控機為例，安裝完成后，連接USB轉串口線，并查看計算機設備管理器端口 （COM和LPT）欄下出現虛擬串口“USB-SERIAL CH340（COM3）”，則表示設備安裝成功。

3.3 液氮余量監測軟件設置

因特網上可免費使用的串口調試工具非常多，可直接下載使用。本文設計采用免費下載的“串口調試軟件4.5”，使用方便，支持波特率高，3個發送區的的屬性可自由設置，完全能夠滿足系統對上位機軟件能夠實時顯示液氮余量的要求。為實現正常通信，液氮余量監測軟件“串口調試助手4.5”波特率、數據位、校驗位、有無奇偶校驗等通信協議的設置必須與下位機程序設計中的串口初始化程序設置內容保持一致。

4 系統測試結果

圖6 軟件設計流程圖Fig.6 Software design flow chart

在安裝Window XP系統的某型工控機對本系統進行測試。系統上電后，運行“串口調試軟件4.5”，設定端口為COM3、波特率9600、8位數據位、1位停止位，奇偶校驗位為None等。設置完成后的“串口調試軟件4.5”如圖7所示。

初次使用本系統，需要設置當前液氮余量為0%和100%的點。伴隨著液氮的使用，數據接收框內液氮余量數據發生改變，其變化范圍為0%-100%。通過實際測試發現，該液氮余量監測系統響應速度快，測試數據準確，可靠性強。

5 結論

本液氮余量監測系統選用免費下載的“串口調試軟件4.5”，避免了編程開發帶來的不便。利用專用的電平轉換芯片MAX3232實現了上位機與終端的通信，達到了遠程監測的目的。利用電容式原理測量法，及最小二乘法實現了對液氮余量的準確測量。本系統具有結構簡單，功耗低，實用性強的特點，系統可拓展應用在針對其他液體余量的監測領域。

圖7 液氮余量監測軟件測試界面Fig.7 Liquid nitrogen residue monitoring software interface

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Design of liquid nitrogen residue monitoring system based on MSP430

WANG Zhen，LIU Yi，LIU Li-qun
（Lanzhou Flight Control Co Ltd，Lanzhou 730070，China）

In order to realize the liquid nitrogen margin monitoring requirements，the paper proposed a design scheme of liquid nitrogen residue monitoring system based on MSP430 single chip microcomputer，and complete the hardware and software design of the system.The system has set the current liquid nitrogen margin of 0%，set the current liquid nitrogen margin of 100%，display liquid nitrogen margin （0%-100%），liquid nitrogen residual automatic alarm for 0%or 100%and the power supply voltage is insufficient function。Practical application shows that:the system can real-time，accurate monitoring of liquid nitrogen residue，has the advantages of simple operation，accurate testing features，meet the design requirements.

liquid nitrogen；level；allowance；MSP430；LCD

TN98

A

1674－6236（2015）07-0024-05

2014-07-07 稿件編號：201407046

王 禎（1990—），男，甘肅張掖人，助理工程師。研究方向：電子信息工程。