基于MSP430单片机的近红外水分分析仪设计

　　1引言

　　在药品、食品加工、造纸、烟草、化工等领域，水分的测量和控制都是生产中一个非常重要的参数，它直接影响到产品的质量和保存期限。传统的水分测量方法如干燥法、电导法等因为使用条件的限制无法实现在线非接触式连续测量，没有得到广泛的推广应用。本文采用了近红外光谱法来测量物质中的水分含量，这种方法具有连续、非接触、大面积测量、速度快等优点，适用于工业流程中对水分的在线检测。

　　2 MSP430单片机的结构特点

　　TI 公司MSP430 系列单片机是16 位单片机。该系列是一组超低功耗的微控制器,供电电压范围为1.8V～3.6V,特别适用于长期使用电池工作的场合。该芯片特有的FLASH 存储器在线设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。本系统采用的 MSP430F149 内部资源丰富, 有一个数字控制振荡器(DCO),具有3 个捕获/比较寄存器的16 位定时器 Timer_A 和具有7 个捕获/比较寄存器的16 位定时器 Timer_B,一个看门狗定时器WDT、一个模拟比较器Comparator_A、串口通讯模块US-ART0、USART1,以及6 个数据端口(其中两个端口具有独立的中断能力), 同时片内还提供温度传感器。MSP430F149 具有60kB 的 Flash、2KB 的RAM,因此在整个硬件电路上无须外加程序存储器。当单片机处于闲置状态时,可以使其处于睡眠状态以降低功耗, 并可通过选择种工作模式来使其降低功耗 (其中LPM4 数据保持模式仅耗电0.1μA,活动状态耗电 200μA)。其功耗低,体积小,功能强大的特点使其特别适用于便携式电池供电的仪器设计。

　　3系统结构与硬件电路设计

　　由溴钨灯光源发出的近红外光经过切光器后，被切光器调制为有规律的信号输出，(方便实现信号的调制解调，降低噪声，提高信号的信噪比)，输出信号由分光系统分光后，形成一系列按波长大小顺序排列的各谱段的光谱，光信号照到样品发生漫反射，漫反射的信号是非常微弱，需要用积分球将多次漫反射累加起来，以便收集到更强的有价值数据，这时用硫化铅探测器对累加的信号进行探测，将其转化为电信号，由积分放大电路进一放大，其中的积分时间由单片机来设定，这关系这所采信号的质量和测量时间长短，最后将信号采入MSP430 单片机进行A/D 转换和数据处理，由液晶显示部分输出测量结果。

　　3.1 波长扫描

　　分光系统由两片凹面镜和带步进电机的光栅组成。MSP430F149 单片机拥有两个16 位定时器：它们既可以用作定时器，也可以捕获外部高速脉冲或者发出PWM 波形。当步进电机驱动器接收一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度, 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定位的目的; 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进机带动齿轮旋转使光栅旋转，这样我们可以通过设置 MSP430 的比较/捕获寄存器使比较/捕获模块的输出单元输出PWM 波形用于控制电机的动作，使分光系统的光栅在步进电动机带动连续扫描, 为系统提供线性变化的波长。