基于MSP430的智能冲击电流计的设计与开发
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于MSP430的智能冲击电流计的设计与开发范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：该文设计与开发了一套智能冲击电流计系统，该系统采用MSP430单片机为主控芯片，ADS7886为A/D芯片。该系统不仅具有传统数字冲击电流计的功能，还配有基于继电器的智能开关电路。经实验测试，该系统能精确测量高电阻。
中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1605-03
1 概述
冲击电流计能测量脉冲的电量，因而常用来测量与电量有关的物理量，如磁感应强度、电容、高电阻等，在工程生产与精密测量领域有着极其广泛的应用。目前冲击电流计的发展正由传统机械式向电子数字式转变。传统机械式电流计的虽然灵敏度很高，但极易受外界振动的影响，使用时应将它固定安装在稳固位置或坚实墙壁上，操作复杂，使用非常不方便。数字式冲击电流计是使用大规模CMOS集成电路和高性能运算放大器及优质电子元器件组成的数字式测量仪表，它主要用于测量短时间内脉冲所迁移的电量，故可用来测量与此相关的物理量。数字冲击电流计用数码管显示测量结果，读数清晰，它相比传统的冲击电流计有无论是在操作性还是结果的准确性上都有很大的提高。但由于数字冲击电流计使用了大规模CMOS集成电路和高性能运算放大器及优质电子元器件，价格昂贵，一台设备的价格大概在3000元左右。我们利用MSP430单片机、ADS7886高速A/D芯片、继电器以及LCD12864等器件设计与开发出一套能精准控时的数字智能冲击电流计，此电流计价格成本低，测量精确，功能强大。利用此仪器附加其他设备，就可以精确的测量电量、高电阻、电容以及磁场强度，具有极其重要的实用价值。
2 系统设计思想
冲击电流计可以测量在暂短时间内流经它的脉冲电流所迁移的电量。本项目利用现代单片机技术与高速A/D芯片采用全新的思想设计与开发一套智能冲击电流计。下面以充满电的电容放电为例说明其设计思想。电容放电时其电量的变化情况如图1所示。本项目设计的冲击电流计能测量出暂短时间内流经它的脉冲电流所迁移的电量。设计思想是：如要测出t1～t2时间内迁移的电量，则在t1～t2时间内取样，利用高速A/D芯片通过单片机测出其电压值，计算出其电流值，乘以间隔时间，即可得到间隔期间的电量值，最后把所测得的电量Q累加起来，即得到所要的迁移电量，最后通过LCD12864显示所测电量值。毫无疑问，取样间隔时间越短，测量精度越高，但对A/D芯片的要求也越高，为此我们特意选择了MSP430加ADS7886的方案组合。
冲击电流计一个典型的应用是用电容漏电法精确测量高电阻。高电阻一般指100万欧以上的电阻，由于惠更斯电桥灵敏度有限，因此高电阻一般不能也不宜用它作精确测量。但用漏电法能比较精确地测量高电阻，其测量原理如图2所示。测量方法是将被测电阻R与已知电容C并联，将SW_3拨至c端先将电容器充满电（状态A），再将开关SW_3悬空至b，电容器上的电荷将通过高电阻R泄漏（状态B），最后将SW_3拨至a端测出电容所剩电量（状态C）。我们通过精确控制漏电的时间并测出剩余电量就能通过计算得出高电阻的阻值。目前工程上大多利用秒表手工控制漏电的时间，即开关动手与秒表手工停启，实验误差非常大。本项目设计的智能冲击电流还设有智能开关控制器模块，该模块利用单片机定时系统和继电器电磁开关能进行精确的定时控制，用户可以随意设定电容充电的时间、电容对电阻放电的时间，系统自动完成各种状态的切换，测量精度非常高。
3 系统硬件设计
系统硬件的设计主要包括MSP430单片机最小系统、键盘模块、充放电开关模块、显示模块和A/D采样模块的电路设计。
1）MSP430单片机最小系统模块。MSP430单片机最小系统如图3所示，由MSP430单片机、电源电路和晶振电路构成。MSP430系列单片机为16位的采用了精简指令集（RISC）结构功能强大的单片机。MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。由于其16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，所以运算速度相对传统的51系列单片机非常快。
2）键盘控制模块。键盘控制模块如图4所示，由4个按键电路组成，分别连接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3口，其作用分别是状态切换、加、减、开始。默认的状态是状态A为设置充电时间，当按一下状态切换键是转到状态B为设置放电时间，再按一下状态切换键转到状态C为设定冲击电流计测量的时间，所有的时间都可以用加减键来设定。按下开始键，系统将按设定的时间在三种状态按顺序自动切换。S5为MSP430的复位按键。
5）A/D采样模块。该模块采用ADS7886为A/D采样芯片，并且单独用芯片REF 3030提供3V的基准电压以提高测量的准确度。ADS7886是12位串行高速A/D芯片，其第3脚为采样模拟信号输入，模拟信号采样后转换为数字信号后通过单片机读取。
3 系统软件设计
系统软件采用C语言编写，通过Keil uVision4编译。软件设计的思想是先进行定时器中断设置及其它的初始化工作，然后对按键输入的数据进行显示并将数据读入单片机处理，最后确认数据并按设定时间在充电、漏电和放电三种状态间自动切换。系统流程图如图8所示。
4 总结
本文中，我们利用了MSP430低功耗单片机、高速A/D芯片、继电器以及LCD12864等器件设计与开发出了一套数字智能冲击电流计系统，该系统的创新与特色点如下：（1）功耗低，主控制器MSP430和ADC是低功耗芯片，软件可实现休眠模式。（2）精度高，采用的AD芯片ADS7886是12位，并且单独用芯片REF 3030提供3V的基准电压。（3）功能强，采用LCD12864，显示信息多，通过软件编程可增加历史记录、连续多次测量等等。该系统所采用的芯片与技术非常成熟，成本低，相比较现在市场上几千元的数字冲击电流计具有极大的成本优势。该系统在湖南理工学院大学物理实验室对学生进行了多批次的实验教学应用，对高电阻测量的结果比较准确，实验效果好。
参考文献：
[1] 张国英.对冲击电流计测高阻实验精确度及方法的研究[J].首都师范大学学报：自然科学版，1995，16（1）：40- 42.
[2] 刘征.《冲击电流计测高电阻》实验的改进[J].实验技术与管理，1987，4（2）：52-54.
[3] 符时明.用数字冲击电流计测高电阻[J].物理与工程，2005，15（1）：35-37.