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。
3.2 模拟数据采集
本设计采用的是MSP430F149 单片机，它内部集成了12位A/D 转换器,有好的数据采集功能,内建采样保持电路;高速采样,可达200K次/秒的采样速率，有8个外部通道,4个内部通道,其中内部有参考电压发生器,可产生1.5V,2.5V
两种精确参考电压,也可外接参考电压。参考电压有6 种可编程的组合;多种采样方式可选,可进行单通道、多通道循环采样;有丰富的寄存器保存转换结果与控制采样转换。ADC2MEM0～ADC12MEM15 自动保存相应通道的转换结果ADC12CTL0～ADC12CTL15存放采样通道,参考电压选择,以及序列标志等等。采样信号直接送入该单片机进行12位A/D转换而无需外围扩展A/D转换芯片,四种不同的采样模式分别为单通道单次、单通道多次、多通道单次、多通道多次采样,能有效降低软件的复杂度。
3.3人机接口设计
新型水分分析仪的系统采用了很好用户界面, 操作简单易行，测量结果既可以在线显示。本设计为了MSP430 的3.3V 供电的系统和 5V 的的 TTL电路交流，我们采用74LVC4245 作为接口芯片。74LVC4245 是3.3V 和5V 双电源供电的双向驱动器，能实现 3.3V 供电系统和5v 供电系统的电平互转换，液晶选用的是兼容3.3v 的1602 液晶，键盘采用的是3×3 的阵列接法。MSP430 的I/O 口资源丰富，需要根据情况设置每个I/O 口的特殊功能选择,输入输出方向。
4数据处理与系统软件设计
4.1 数据处理
我们知道水在1.93nm 和1.45nm 附近存在着较强的吸收带。因此当波长1.45nm 的近红外光照射到样品上，一部分光将被样品吸收，另一部分则被其反射。因不同物质对于光的吸收情况各不相同，吸收光谱可以表征物质的特性，吸光物质对光的吸收程度与该物质的厚度和浓度有很密切的关系，当物质中含有多个吸光组分时，物质对光的总吸光度为各组分吸光度之和。所以我们只要测出入射光、反射光及漫反射光的强度，根据谱线的位置和结构，就能获取被测样品的含水量信息。由于近红外谱区自身的谱带重叠、吸收强度较低，需要依靠化学计量学方法提取信息，我们采取多元线形回归来建立模型，对水分的定量分析进行标定，再将所得模型用单片机来实现。
4.2 系统软件设计
软件设计遵循模块化的编程思想, 将系统功能划分为几个对独立的功能模块。它们包括:液晶显示模块、AD 转换模块(数据采集模块)，键监测响应模块、光栅驱动模块、数据处理模块。每个模块都要进行独立的测试,最后结合到一起。各个模块间通信和连接关系如图2 所示。
由于430 支持汇编语言和C 语言两种语言编程,因此可以一个工程文件中同时用两种语言,使用汇编语言,便于在调试寻找逻辑和指令的联系及地址的定位正确与否。使用C 语言行编程大大减少了工作量,编好后的程序可读性好,易于修改维护。我们可以很容易将原先编过的单片机数据采集的C程序，人机接口的C程序等诸多模块的C程序移植过来用,缩短开发周期。
利用IAR编译环境,进行系统的程序设计,实现在线的真调试,调试完成的同时,程序就已经加载到430 的 FLAS 储器中去了。
本文作者的创新点:采用多元线形回归的处理算法提高了测量结果的精确性和可靠性。整个水分分析仪由于采用了超低功耗的MSP430 单片机作为控制芯片, 整机在工作中的功耗很小,可完全满足电池供电的要求。此外,由于 MSP430 单片机功能强大,外围芯片数少,而且所有的元器件均选贴片式,从而大大减少了仪器的体积,替代了原有复杂的系统,大大降低了成本,将会取得了相当可观的经济效益。项目经济效益30万元。参考文献
[1]沈建华,杨艳琴,翟骁曙. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M],清华大学出版社, 2004
[2]沈建华,杨艳琴,翟骁曙. MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计[M],人民邮电出版社, 2005
[3]张唏,王德银,张晨. MSP430系列单片机原理与应用实用C语言程序设计[M],清华大学出版社, 2005
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[5]崔光照等.基于MSP430单片机的智能型复费率单相电能表设计[J].微计算机信息, 2006, 2-2: 21-23.
作者简介：田立本,1982 年出生, 男(汉族), 硕士, 山西大学物理电子工程学院 物理电子学专业 职称:助教;主要研究方向：光谱应用。(030006山西太原 山西大学物理电子工程学院量子光学与光量子器件国家重点实验室)田立本 潘东子 尹王保 贾锁堂
通讯地址：(030006山西省太原市 山西大学光电研究所)田立本
(收稿日期:2009.07.05)(修稿日期:2009.08.05)
