（测试计量技术及仪器专业论文）基于msc1210的溶液冰点仪的研制.pdf

基于m s c l 2 1 0 的溶液冰点仪的研制 d e v e l o p m e n t o fas o l u t i o nf r e e z i n gp o i n t m e a s u r i n g i n s t r u m e n tb a s e do nm s c l 2 1 0 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：董来鑫 指导教师：李艳宁副教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年六月 中文摘要 冰点也称凝固点，即物体固液转变的温度点，它是晶体物质液态与固态可以 平衡共存的温度。对于溶液来说，冰点会随溶液浓度的变化而改变。通常是溶液 浓度越高，冰点越低。冰点仪就是用来测量溶液冰点的仪器，其在药物研制与分 析、临床用药和食品卫生等方面有着重要的应用。现有的测量仪器大多分辨力不 高，体积偏大。 本课题以拉乌尔冰点理论为基础，即溶液冰点下降值与溶液的渗透压摩尔浓 度成正比，研制了一种具有自动化操作、高效、低功耗等特点的溶液冰点( 即渗 透压摩尔浓度) 测量仪器。本课题设计的冰点仪以内置2 4 位高性能a d 转换器 的m s c l 2 10 为核心控制器，与现有国内外仪器相比测量分辨力更高、体积更小。 本文的主要研究内容包括： l 、对冰点仪工作的基本原理进行了理论分析和探讨，介绍了拉乌尔冰点理 论，明确了溶液渗透压摩尔浓度与冰点之间的关系； 2 、设计开发了样品温度信号的采集和转换单元、温度制冷监测和控制单元、 机械传动控制及定位保护单元、时钟发生单元、操作和显示输出单元。 3 、调试仪器的各部分硬件电路和软件系统，对温度信号测量、制冷控制等 仪器的核心部件和传动及定位保护中可能造成严重事故的装置( 电机和 定位开关) 进行着重检测，确保温度测量准确和仪器操作安全。 4 、用测量标准溶液的方法对仪器进行标定。通过测量标准溶液的冰点对应 的温度传感器的电压值，拟合曲线，建立电压值与溶液质量渗透压摩尔 浓度和冰点的一一对应关系。 5 、测量标准样品溶液，检验标定方法和曲线的拟合的正确性，对仪器的重 复性、测量准确度和分辨力进行评价( 测量重复性：r s d i ，测量准确度为 l ，测量分辨力0 5m o s m o l k g h 2 0 ) ，同时分析影响仪器重复性、测量准确 度和分辨力的主要因素。 6 、课题存在的问题以及对后期的展望。 关键词：冰点拉乌尔冰点理论冰点下降渗透压摩尔浓度m s c l 2 10 高精 度a d 转换 a b s t r a c t f r e e z i n gp o i n ti st h et e m p e r a t u r ew h e ns o l i db e c o m e sl i q u i do rl i q u i db e c o m e s s o l i d ，n a m e l yt h eb a l a n c et e m p e r a t u r eb e t w e e nl i q u i da n ds o l i ds l a t e t h ef r e e z i n g p o i n to fas o l u t i o nc h a n g e sw i t hi t sc o n c e n t r a t i o n u s u a l l y ，t h eh i g h e rt h e c o n c e n t r a t i o ni s ，t h el o w e rt h ef r e e z i n gp o i n tb e c o m e s t h ef r e e z i n gp o i n tm e a s u r i n g i n s t r u m e n tw eh a v ed e v e l o p e di sa ni n s t r u m e n tw h i c hi su s e dt om e a s u r et h ef r e e z i n g p o i n to f s o l u t i o n i ti si m p o r t a n tt om e d i c i n er e s e a r c h ，p r o d u c t i o n ，a p p l i c a t i o na n d f o o ds a n i t a t i o n a tp r e s e n t ，m o s tc o m m e r c i a l l ya v a i l a b l ei n s t r u m e n t s r e s o l u t i o ni s l o w e ra n dt h e i rs i z ei sb i g g e r t h es o l u t i o nf r e e z i n gp o i n tm e a s u r e m e n ti sb a s e do nr a o u l t sl a w , w h i c h d e s c r i b e st h ed i r e c tr a t i or e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r o pv a l u eo ff r e e z i n gp o i n to fa s o l u t i o na n di t sm o l a rc o n c e n t r a t i o n t h ei n s t r u m e n ti sc h a r a c t e r i z e db ya u t o m a t i c o p e r a t i o n ，h i g he f f i c i e n c y ，h i g hr e s o l u t i o na n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o n i t sh a r d c o r e c o n t r o l l e ri sm c si210 ，w h i c hh a sah i g he f f i c i e n t2 4 一b i ta d ci ni t ，s oc o m p a r i n g w i t ho t h e r f r e e z i n gm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，i ti sm o r ep r e c i s ea n d h a ss m a l l e rs i z e t h em a i nw o r ko f t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 s t u d y t h e p r i n c i p l e o fs o l u t i o n f r e e z i n gp o i n tm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t , e x p a t i a t i o no fr a o u l t sl a wa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r o pv a l u eo ff r e e z i n gp o i n to f a s o l u t i o na n di t so s m o t i cp r e s s u r em o l a rc o n c e n t r a t i o n 2 d e s i g na c q u i r e m e n ta n dt r a n s f o r mp a r to ft h es a m p l et e m p e r a t u r ev a l u e ， s u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o lp a r to fr e f r i g e r a t i o n ，d r i v ea n dp o s i t i o np a r to fm e c h a n i s m ， c a l e n d a rp a r t , o p e r a t i o np a r ta n de x p o r tp a r t 3 d e b u gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ei n s t r u m e n t i n s p e c tt h ep a n sw h i c h m a y a c c i d e n ts e r i o u s l y s u c ha ss u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o lp a r to f r e f r i g e r a t i o na n dd r i v e a n dp o s i t i o np a r to f m e c h a n i s m m a k es u r et h ei n s t r u m e n tw i l lr u na l lr i g h t 4 c a l i b r a t et h ei n s t r u m e n tw i t hs t a n d a r ds o l u t i o nw h i c hw eh a v ek n o w ni t s c o n c e n t r a t i o n m e a s u r i n gt h ev o l t a g ew h e nt h e 吝l a n d a r ds o l u t i o ni si c i n ga n df i t t i n ga c u r v ew i t hf r e e z i n gp o i n ta n dv o l t a g e ，w ew i l lk n o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v o l t a g ea n do s m o t i cp r e s s u r em o l a r c o n c e n t r a t i o n 5 m e a s u r eo t h e rs t a n d a r ds o l u t i o nw eh a v en o tu s e d ，t e s tt h er e p e a t a b i li t y , a c c u r a c ya n dr e s o l u t i o n ，a n da n a l y z et h ef a c t o r sw h i c hh a v ea f f e c t d et h em e a s u r i n g r e s u l t s 6 t h ep r o b l e m sw h i c ha r es t i l le x i s ta n dw h a tw es h o u l dd on e x t k e yw o r d s ： f r e e z i n gp o i n t ，r a o u l t sf r e e z i n gp o i n tl a w , d r o p i n gv a l u eo f f r e e z i n gp o i n t ，o s m o t i c p r e s s u r em o l a rc o n c e n t r a t i o n ，m s ci210 ，p r e c i s i o n a n a l o g - - t o - d i g i t a lc o n v e r s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名毒格 签字吼加。8 年岁月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名乒嚣专鑫 导师签名：雅寺 一， 签字日期：m 年岁月坫日 签字同期：劬孑年j 月巧日 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍研制冰点仪在医药领域的重要应用、国内外冰点仪的现状、课题前 期的研究基础、存在问题以及本课题的研究意义、目的及主要内容。 1 1 引言 溶剂通过半透膜由低浓度溶液向高浓度溶液扩散的现象称为渗透，阻止渗 透所需施加的压力，即渗透压。人体的细胞壁或毛细血管壁，一般具有半透膜的 性质。在医药领域，渗透压摩尔浓度的概念应用非常广泛，溶液的渗透压摩尔浓 度高低反映该溶液通过半透膜向低浓度溶液扩散的能力，渗透压摩尔浓度分质量 渗透压摩尔浓和体积渗透压摩尔浓度，渗透压摩尔浓度反映溶液中的离子浓度。 在制作注射剂等药物制剂时，必须考虑其渗透压摩尔浓度，过高或过低的渗透压 摩尔浓度会导致人体细胞干死或细胞壁破裂等严重后果。对静脉补液、营养液、 电解质或渗透利尿药( 如甘露醇注射液) ，应在标签上注明溶液的渗透压摩尔浓 度，以提供临床医生参考。为了更好地指导医生临床用药，美国药典收录渗透压 测定法1 1 | ，对相关药品的摩尔浓度进行检测。中国药典2 0 0 0 版也收录渗透压摩 尔浓度的检测方法1 2 j ，为规范我国药厂生产注射液、滴眼液提供检测依据。综上 所述，研制开发渗透压摩尔浓度测定仪即冰点仪在药物研发、生产及临床用药等 方面有重大意义。 目前，常用的渗透压摩尔浓度的测定方法有：冰点下降法、沸点升高法【3 1 、 半透膜法、蒸汽压降压法，其中最常用的是冰点下降法，即通过测量溶液冰点温 度从而得到溶液的渗透压摩尔浓度。该方法具有精确度高、重复性好、操作简便、 样品量少等优点。本课题中采用冰点下降法研制的冰点仪较以前的同类仪器有较 大的改进，其具有体积小、精度高和检测速度快等优点。另外，仪器设有数据传 输接口，可直接连接打印机打印测试报告。 1 2 国内外冰点仪的现状 目前，国外的基于冰点下降原理测量溶液摩尔浓度的仪器主要有意大利 a s t o r i 公司的c r y o b a s i c 系列、德国g o n o t e c 公司的o s m o m a t 系列和美国 a d v a n c e d 公司的f i s k e 系列，而处于技术领先和主导地位的是美国的a d v a n c e d 第一章绪论 仪器公司。该公司的代表产品f i s k e2 1 0 渗透压仪的一些技术参数如下： 功率：6 0 w 样品取样量：1 5 1 a l 测量范围：0 - 2 0 0 0m o s m k g h 2 0 测量分辨力：lm o s m k g h 2 0 测量重复性：r s d o 5 测量误差：士l 测量时间：9 0 s 环境相对湿度：5 - 8 0 ，非冷凝 净重：6 2 k g 国内大多数公司都是代理国外的产品，生产该类型仪器的厂家不是很多，而 且在仪器技术含量和水平上也存在着一定的差距。在国内的几家生产冰点仪的厂 家中，比较出名的有天津天河医疗仪器有限公司生产的s m c3 0 b 型渗透压摩尔 浓度测定仪。其主要技术参数如下： 样品取样量：5 0 k t l ( 5 0 i _ t | 一7 0 a i ) 测量范围：0 - - 3 0 0 0m o s m k g h 2 0 测量重复性( r s d ) ：1 测量误差：1 预冷时间：3 分钟 测试时间：2 分钟 1 3 课题的前期研究基础和存在问题 本仪器前期曾采用a r m 作为核心处理器 4 1 。a r m 是a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s 的缩写，是一种g l s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 精简指令集 计算机) 处理器，其控制功能强大，可移植操作系统，内部的f l a s h 、e e p r o m 、 s r a m 容量较大，全部支持在线编程烧写，功耗低、驱动能力强、内部资源丰富， 广泛应用于多媒体和嵌入式设备。 但是针对冰点仪而言，a r m 并不合适。a r m 控制功能强大，但其控制资源 使用率很低，大部分控制功能处于闲置状态，5 1 系列单片机完全可以满足冰点 仪的控制要求。操作系统使软件的移植和应用更加方便，但其对本仪器来说意义 不大：操作系统反而会占用大量系统资源，有时a r m 本身自带的大容量存储器 也很难满足要求，这就不得不使系统扩容，增加了系统的复杂性，而且编写操作 系统难度相对较高。一般的a r m 都带有j t a g 接口，程序可以很容易地在线下 载和调试，j t a g 也需要外围电路，这无疑也会增加仪器的体积。a r m 的片内 资源丰富，但与之相对的是每种功能的性能指标都很普通，当某种需求较高时还 第一章绪论 必须外接相关设备。 以曾经使用的l p c 2 2 1 4 为例，其内置8 路l o 位a d 转换器，转换精度远远 达不到本仪器的设计要求，而其它众多片内资源又与冰点仪需求无关。除此之外， a r m 的c p u 操作电压范围与i o 操作电压范围通常不一致，且都不是5 v 1 5 j ，加 之数字电路电源与模拟电路电源要求分离，因此电压转换的数量就要成倍地增 加，这就使所需元器件大量增多，电路更加复杂，a r m 原有的低功耗优点也被 完全抵消，而且电源元器件占用了大量的空间，在越来越注重仪器节能化与小型 化的今天，这是很难让人接受的。 1 4 本课题的研究意义、目的和主要内容 针对上述的一些问题，本课题研制了一种以5 1 系列微处理器m s c l 2 1 0 为核 心的新型冰点仪。 m s c l 2 1 0 具有速度快、处理能力强、可靠性高、功耗低、功能很多等优点， 尤其是m s c l 2 1 0 内置2 4 位低功耗a d 转换器，可以容易地实现单片机低噪声 高精度数据采集。其片内资源丰富，具有很高的集成度和很大的灵活性，开发方 便【6 1 。通过使用m s c l 2 1 0 ，本课题研制的冰点仪具有分辨力高、测量速度快、 体积小、能耗低、操作简便等特点。 本仪器通过对溶液冰点的测量，最终得到溶液的渗透压摩尔浓度，测量分辨 力达n o 5m o s m o l k g h 2 0 ，测量重复性不大于1 ，测量误差在士1 之内。 本论文的主要内容包括该仪器的测量原理、仪器的机械结构、电路设计与调 试、程序设计、仪器标定及测试，具体工作有以下几个方面： l 、第一章绪论，介绍国内外冰点仪发展的现状，分析目前现有研究基础不 足，提出了本课题的研究意义、目的和本论文的主要内容。 2 、第二章冰点仪的测量原理，阐述了基于m s c l 2 1 0 的冰点仪的理论基础， 说明渗透压摩尔浓度和冰点之间的关系。 3 、第三章冰点仪的总体设计，阐述了冰点仪的外形结构、各个组成部分及 其功能。介绍了所采用的核心器件m s c l 2 1 0 的主要特点和功能，论述了 电源单元、通讯单元、输入输出单元和程序下载调试单元的设计。 4 、第四章测控模块设计，主要论述了冰点仪测控模块的设计，包括样品温 度测量模块、制冷模块的温度控制、温度制冷监视模块以及传动单元控 制模块。 5 、第五章实验及结果分析，主要论述了仪器各部分的检测步骤，仪器的标 定方法和对仪器性能指标的检测，并对检测结果进行讨论分析 第一章绪论 6 、第六章总结与展望，对以上内容进行了总结，指出了工作的突出之处和 有待改进的地方，并对今后的工作进行了展望。 第二章冰点仪的测量原理 第二章冰点仪的测量原理 冰点是仪根据拉乌尔冰点理论，以溶液冰点下降值与溶液的摩尔浓度成比 例关系为基础，采用高灵敏的感温元件测量不同溶液的冰点，进而得出所测溶液 的渗透压摩尔浓度【刀。本章主要介绍了这些冰点仪所涉及到的相关原理和理论知 识。 2 1 渗透压摩尔浓度 2 1 1 渗透现象和渗透压 根据热力学原理，系统中物质的总能量可分为束缚能和自由能，束缚能是 不能转化为用于做功的能量，而自由能是在温度恒定的条件下用于做功的能量。 一种物质每摩尔的自由能就是该物质的化学势，衡量水分反应或转移能量的高 低，用水势表示。而水势是指水溶液的化学势与同温同压同一系统中的纯水的化 学势之差除以水的偏摩尔体积所得的蒯8 1 。 纯水的自由能最大，水势也最高。溶液中的溶质颗粒降低了水的自由能， 所以溶液中水的自由能要比纯水低。溶液越浓，水势越低。在一个渗透系统中， 水移动方向取决于半透膜两边溶液的水势高低。水势高的溶液的水，流向水势低 的溶液。水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象，称为渗透 现象【9 1 。 压力 i b 图2 1 渗透现象示意图 5 第二章冰点仪的测量原理 如图2 1 所示，将溶液和水分别置于玻璃管和烧杯中，玻璃管底安置一个半 透膜，以隔开水和溶液，可以见到水通过半透膜往溶液一端跑，若于溶液端施加 压力，而此压力可刚好阻止水的渗透，则称此压力为渗透压【1 0 】。实际上溶液的渗 透压就等于溶质的压力( 这与水势正相反) 。渗透压可以用v a n th o f f 提出的公式 计算： ： - - r t ：c r t 矿 ( 2 1 ) 式中n 代表渗透压，单位是k p a ；f 是溶质的物质量，单位m o l ；y 是溶液 的体积，单位l ；r 是气体常数，其值为8 3 1 4 k p a l m o l - i k ；c 是溶质的物质的 量的浓度，单位m o l l ；丁是热力学绝对温度，单位是k 】。 2 1 2 渗透压摩尔浓度 渗透压摩尔浓度可分为质量摩尔渗透压浓度和体积摩尔渗透压浓度。质量 渗透压摩尔浓度( o s m o l k g ) 指溶液中某溶质的物质的量除以溶剂的质量，称为该 溶质的质量摩尔浓度；体积渗透压摩尔浓度( o s m o l i ) 指在l 升溶液中所含不能电 离的物质的量。 渗透压摩尔浓度反映溶液中的离子浓度，它的高低反映出该溶液通过半透膜 向低浓度溶液扩散的能力。冰点仪所用的渗透压摩尔浓度是指质量渗透压摩尔浓 度。 渗透压摩尔浓度的概念在医药领域应用的非常广泛，通常称渗透压摩尔浓度 高于生理等渗的溶液称为高渗溶液( h y p e r - o s m o t i c ) ，渗透压摩尔浓度低于生理等 渗的溶液称为低渗溶液( h y p o o s m o t i c ) 1 1 3 。在临床用药时，对静脉注射用药的渗 透压摩尔浓度要严格控制，对病人输人高渗药液，严重的会产生细胞干死，而输 人低渗药液，严重的会产生细胞壁破裂，造成溶血。 2 2 拉乌尔冰点理论 2 2 1 冰点下降性 在挥发性溶剂中加入非挥发性溶质，就能使溶剂的蒸气压降低，沸点升高， 冰点下降，并呈现渗透压力。稀溶液的这四种性质只取决于溶液中溶质分子的含 量而与溶质的种类无关 j 4 1 。 当温度降低时，液体分子的活动就会减慢并互相靠拢。最后，运动会慢到使 分子间聚合的力量超过运动所产生的能量。这种现象会在冰点时出现，液体因此 第二章冰点仪的测量原理 变成固体。以盐融解冰为例，冰的结晶结构外包着薄薄的一层水，盐则在这层水 中溶解。任何物质溶解于水中时，都会降低水的冰点。所以溶液浓度增大，冰点 也必然会随之降低。 2 2 2 过冷现象 以纯水为例，纯水的冰点是o c ，但实际上水在o c 甚至低于o c 时并不开 始结冰，这种现象称为过冷现象，此时水处于过冷状态。处于过冷状态的水在诱 导剂如晶核或搅拌的条件下才会开始结冰的。 过冷现象解释是，水要结冰需要先在水中任意一个区域内形成至少一个小冰 ”核”( n u c l e u s ) ，在这个核的基础上才能开始正式结晶( 水分子包围着这个核开 始结晶成冰) 。在纯水中每个分子周围都是对称的，每个水分子都是平等的。由 于没有一些特殊分子的存在，这个微观的核就暂时不能出现，导致宏观的结晶过 程不能被触发( 如果是纯水，会在- 4 2 才结冰，此时结冰的原理与这里所介绍 的不同) 。可是一般水不可能很纯，就是说有”杂质”( 这个杂质是广义意义上的 杂质，比如二氧化碳分子就算杂质) 。由于杂质的存在，造成了本来对称的环境 中出现了不对称因素，于是这些杂质就可以充当核的作用。有了这些核的存在， 水分子会围绕在核周围开始结晶。 纯水之所以很难结晶就是因为一个核的形成需要一些产生核的表面能量，当 核太小时，由形成这个核所占体积所释放出来的能量不足形成那个特定的核的表 面，导致结晶过程不能被触发。而当一个核的半径达到临界半径时，形成一定体 积的核所释放出来的能量就足以造成一个越来越大的表面，从而使得核变的足够 大，触发结晶。而水的对流运动这种扰动，可以为核的形成提供其所需的表面能 量。 通常水在零下几度时达到过冷，再在诱导剂如晶核或搅拌存在的条件下才开 始结冰。一旦结晶出现，体系的温度会突然从过冷升至0 ，这是结晶时放出相 变热的结果。即使环境温度远远低于0 ，只要液态水仍然在向结晶水转化，冰 水共存体系的温度就仍然会在o c 。只有当所有的水全部结冰时，体系的温度才 会离开平衡温度( 0 ) 继续下降，并迅速到达环境温度。 对于水溶液，也存在类似的现象，溶液温度虽已达到结冰点甚至低于结冰温 度，但并不结冰。这时溶液受到一定的扰动可触发其立刻结晶而变为固态，由于 结晶放热，温度迅速回升现象并保持一段的时间，即冰点温度稳定时间出现。这 段平稳的温度称之为测量冰点。只有当所有的溶液全部结冰时，温度才会离开平 衡温度继续下降，并迅速到达环境温度。上述过程可用“结冰曲线”( 下图) 予以 描述【1 5 1 。 第二章冰点仪的测量原理 图2 - 2 反映溶液温度变化的“结冰曲线1 示意图 图2 - 2 中的温度一时问曲线，a b 段为降温阶段，b c 段为过冷阶段，c d 段 为所述的温度回升阶段，d e 段相对稳定的曲线即为所测溶液的冰点温度。因此， 只要通过仪器中的高灵敏度温度传感器测得这段平稳曲线的温度值，最终就能得 出所测溶液的渗透压庠尔浓度。 2 2 t 3 基于拉乌尔冰点理论的测量原理 所谓的拉乌尔冰点原理就是任何溶液如果其单位体积所溶解的颗粒总教相 同，则引起溶液冰点下降的值也相同i l q 。 如果将i m o l 的不可离性溶质溶于i k g 水中所得到的溶液，那么该溶液浓度为 1 个渗透压摩尔浓度( 1 0 s m o 他g h 2 0 ) 的溶液，其结冰点对应的温度为- 1 8 5 9 。 对于可离性溶质，如将l m o ln a c i 完全溶解于l k g 水中得到的溶液中，舍有i m o l 的n a 离于和l m o l 的c i 离子，该溶液的渗透压摩尔浓度为2 0 s m o l k g h 2 0 对 应的结冰点温度为- 37 1 6 。可见溶液的；参透压摩尔浓度与溶液中的离子浓度有 关，由于分子之间的作用力降低组成分子离子的离解能力，称这个因素为渗透压 系数溶液的渗透压摩尔浓度可以用下式表示： 其中：仉表示溶液的港透压摩尔浓度； 巾表示 皇透压系数、反映分子的离解度 第二章冰点仪的测量原理 表示个分子能分解的离子数目； c 表示溶液的摩尔浓度。 o s m o l k g h 2 0 是表示溶质溶解于水溶液中渗透压摩尔浓度的一个常用单 位，通常表示为毫渗透压摩尔浓度( m o s m o l k g h 2 0 ) ，相当于1 0 。渗透压摩尔浓 度( o s m o l k g h 2 0 ) 。由于水溶液的渗透压摩尔浓度与其对应的冰点值有一一对 应关系，其渗透压摩尔浓度与冰点温度下降值为线性关系，其关系为： 伉= 厶f i 8 5 8( 2 3 ) 其中q 表示水溶液的渗透压摩尔浓度；么表示水溶液的冰点温度值相对于 水的冰点温度值的下降值。可见，通过测量被测水溶液的冰点温度下降值可以算 出对应水溶液的渗透压摩尔浓度i l7 1 。 第三章基于m s c l 2 1 0 的冰点仪的总体设计 第三章基于m s c l 2 1 0 的冰点仪的总体设计 本章将详细介绍冰点仪的总体设计方案以及51 系列微处理器m s c1 210 的接 口技术和硬件的模块化设计，其中包括存储器、芯片电源、外部时钟等最小单元 以及液晶模块、微型打印机接口、通讯接口和程序的在线调试等。 3 1 仪器总体设计 冰点仪设计的冰点仪的总体要求如下： 电源电压：交流2 2 0 v 5 0 h z 样品取样量：7 5 i - t l 测量分辨力：0 5m o s m o l k g h 2 0 测量重复性：r s d o ；m 一) t e m p 2 w m ： 第三章基于m s c l 2 1 0 的冰点仪的总体设计 t e m p & = o x o1 ； i f ( t e m p o ) s _ d a t a = h i g h ；) e l s e s _ d a t a 2 l o w ； d e l a y ( 10 ) ； ss c l k = h l g h ； d e l a y ( 1 0 ) ； s _ s c l k = l o w ； ) d e l a y ( 1 0 ) ； i f f ( w & o x o1 ) o ) s _ d a t a = h i g h ； e l s e s _ d a t a = l o w ； s _ s c l k = h i g h ； d e l a y ( 1o ) ； ss c l k = l o w ； ) v o i ds c r e e n s e n d s i n g l e _ c h a r a ( c h a rc c ) 传输一个字符 c h a rh i g h _ 4 b i t ，i o 土b i t ； h i g h _ 4 b i t = c c & 0 x f 0 ； c c l u v 。所以，选用这款2 4 位的a d 转换完全能够满足本设计的分辨力要求。此外，此a d 转换器由m s c l 2 1 0 内部 集成，这不仅省去了许多外围电路，简化了设计，而且大大提高了系统的可靠性。 m s c l 2 1 0 所集成的a d c 包括多路复用输入( m u x ) 、可选择缓冲器、程控增益 放大器( p g a ) 和一个数字滤波器口0 1 。a d c 的结构如图4 4 所示。 v r r f o u rv pv r e f , v r e f - 图4 4 m s c l 2 1 0 的a d c 结构图 m s c l 2 1 0 多路复用输入比一般的a d c 灵活。一般的a d c 中每个输入引 脚在指定的测量中设置为正或负输入，或定义成对的输入引脚，m s c l 2 1 0 可以 任意定义一个引脚的为正输入端，另一个引脚为负输入端。此外引脚正负可以任 意组合，没有限定预定义输入对。多路复用输入器允许任意差动复合输入，允许 选择任意输入通道，如图4 5 所示。正负输入通道可以在a d c 多路复用寄存器 中设定，缺省情况下，a i n 0 为正输入，a i n i 为负输入。 第四章测控模块设计 图4 5 多路复用输入设置 为减少a d c 测量偏差的可能性，可使用输入缓冲功能。m s c l 2 10 不带输 入缓冲器时的输入阻抗为5 m d p g a 。如果输入缓冲允许，输入阻抗为1 0 g q ， 输入电压范围减小( 模拟输入电压必须是正电压，且最大电压不能超过1 5 v ) ， 模拟功耗变高。在冰点仪的设计中，当溶液温度下降到一定程度时，热敏电阻阻 值将超过6 l ，即输入电压将超过1 5 v ，所以应禁用输入缓冲。输入缓冲器由 a d c 控制寄存器中的b u f 位( a d c o n 0 3 ) 控制，清零b u f 位即禁止输入缓 冲。在不选择输入缓冲器时，6 模拟输入的输入阻抗随时钟频率和程控增益放大 器而改变，它们之间的关系如下： 彳， ，输入阻抗= 1 1 0 6 竺监 ( 4 7 ) p g a 第四章测控模块设计 图4 - 6 为m s c l 2 1 0 的级别输入结构。 a l n 图4 - 6 模拟输入结构图 为提高a d c 的分辨率，可使用程控增益放大器( p g a ) ，p g a 增益可设置 为l 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 或1 2 8 。比如电压量程是5 v ，p g a 增益为1 ，a d c 可以分辨到1 u v ；电压量程是4 0 m v ，p g a 增益为1 2 8 ，则a d c 可分辨到7 5 n v 。 另外一种获得增益的方法是降低参考电压，但这种方法受到噪声的限制。大约在 1 v 时，噪声本身将成为电压采样中的很大的一个组成部分，因此用降低参考电 压的方法提高分辨率得不偿失。 a d c 的采样速率可以通过调制器控制。调制器是单环二阶的一( 总和增 量调制编码) 系统。调制器的时钟与晶振频率及a c l k 寄存器有关，其公式为： 模拟采样速率：堡苎墨塑主丛丝丝茎1 2 ( 4 - 8 ) 6 4 因此，给定的晶振频率是1 1 0 5 9 2 m h z ，如果a c l k = 8 ，模拟信号采样率为 1 9 2 0 0 h z 。用a d c o n 2 ( 存放低字节) 和a d c o n 3 ( 存放高字节) 寄存器中的 抽取数值去除模拟采样速率来得到数据输出率。如果a d c o n 2 和a d c o n 3 一起 存放的数值是1 9 2 0 ，模拟采样速率是1 9 2 0 0 h z ，数据的输出率是1 0 h z 。抽取数 值比越高，噪声性能越好。 m s c l 2 1 0 中的a d c 中集成了数字滤波器。数字滤波器可以使用三种使用 方式：快速设定( f a s ts e t t i n g ) 、s i n c 2 和s i n c 3 ，如图4 7 所示。 a d j u s t a b l ed i g i t a lf i l t e r m o d u l a t o r 图4 7 数字滤波器 d a t a0 u t 第四章测控模块设计 三种滤波器的稳定时间见表4 1 ， 表4 1 三种滤波器稳定时间 滤波器稳定时间( 转换周期) 快速 1( 1 ) s i n c 2 2 ( 1 ) s i n c 33 ( 1 ) 三种滤波器的响应如图4 - 8 所示，图中f d 为数据输出率。 0 锄 一4 0 兽 詈埘 d 埘 一伯o 一1 2 0 f a s t $ e t t l i n gf i l t e rr e s p o n s e ( - 3 d 8 = 0 4 6 9 f d ， ) 、厂一。、 1f 1 、 l 厂 i介 | 0 2 0 吣 i 瑚 8 - 一阳o 一1 2 0 s i n c af i l t e rr e s p o n s e ( - - 3 d b202 g 2 f d t j 、 j ?八 八八 ， 、 i f d砘3 七4 f d0 f d2 t d 3 f 。 4 i d f r e q u e n c y ( 峨f r e q u e n c ye h 鼢 钭n c 2f i t t e rr e s p o n s e - 3 0 b = 0 3 1 8 f d ” ) 0 出 4 0 焉 ；枷 。 枷 - 1 - 1 2 0 、 |八! | j八八 j f f v 0 i d3 乇4 f o f t e q u e f c yf h z ) 图4 8 滤波器的响应 m s c l 2 1 0 的参考电压可以选择内部或外部，默认是内部2 5 v 。参考电压由 寄存器a d c o n 0 控制，置位a d c o n 0 5 ( 专用寄存器e v r e f ) 即使用内部参考 电压。当选用内部参考电压时，可以根据a d c o n 0 4 决定电压值是1 2 5 v 或2 5 v 。 当使用外部参考电压时，电压值为差动输入，并由v r e f + 和v r e f 一引脚的电压表 示。v r e f + 和v r e f 一引脚的绝对电压从a g n d 到a v d d ，差动电压不能超过5 v 。 差动参考电压为比例法测量提供了方便。使用内部参考电压时，r e f o u t 引脚 第四章测控模块设计 必须连接到v r e f + ，v l 噼一必须连到a g n d ，r e f o u t 引脚与a g n d 之间应连0 1 u f 的去偶电容，如图4 - 9 所示。 * 叫 - i i h i 向bb口 a g n d a 珊0 心1 鼎m s c l 2 1 0 a 玳3 垂瞄4 a 磷s a d 鹿曩丁d 臌蕊久 a i n c o m a g n d a v d d r e f - 脚酣 r e fo u t n c ( t ) 螽。一 图4 - 9a 仍转换电路图 为更准确地得到a d 转换结果和更方便地对测量数据进行处理，提高工作 效率，m s c l 2 1 0 的a d c 中集成了求和移位寄存器。它将3 2 位值分解到四个8 位专用寄存器( s u m r 0 、s u m r l 、s u m r 2 、s u m r 3 ) 中。求和移位寄存器有 四中工作模式： ( 1 ) 软件求和模式：软件写到求和移位寄存器的值与当前总和相加。此模 式可以快速对3 2 位值求和，程序只需把需要累加的数写到专用寄存器s u m r 0 、 s u m r l 、s u m r 2 和s u m r 3 中。当给s u m r 0 写入值时，s u m r o s u m r 3 的 当前值自动加到求和移位寄存器中。 ( 2 ) 硬件求和模式：由a d c 返回的指定数量的数值自动加到当前总和。 硬件求和模式与软件求和模式相似，它是由a d c 向s u r x 寄存器中写入数据， 而不是用程序写入。在此模式下，专用寄存器s s c o n 的d n t 位表示加到求和 移位寄存器中的a d c 采样数是多少。a d c 将结果传送给求和移位寄存器并触 发中断。 ( 3 ) 软件移位模式：求和移位寄存器当前3 2 位数值除以指定数值。软件 移位模式能够快速地用s s o n 中s h f 位的值去除求和移位寄存器中的值。它是 3 2 位循环右移，舍弃最低位。 一埔一矽一一n一砣一幻一抖一一拍一”一勰一凹一如一n一配 第四章测控模块设计 ( 4 ) 硬件求和移位模式：由a d c 返回指定数量的值自动加到当前总和， 然后除以指定数值。硬件求和移位模式是硬件求和模式和软件移位模式的组合， 这种模式对s s c o n 的c n t 位代表的a d c 采样求和，然后按照s h f 位只能够 数字表示的位数将最后结果右移。当计算a d c 采样平均值时，这种方法十分有 效。 按冰点仪的设计，a d 转换模拟输入通道选择a i n 0 为正差动输入，接滤波 电路输出。a 1 n i 为负差动输入，接a g n d 。关闭输入缓冲，a c l k 为1 m h z ， 模拟输入阻抗为5 m q ，程控增益放大器增益设置为i ，取消偏置和校准，模拟采 样速率为1 0 h z ，数字滤波器选择s i n c 3 ，参考电压选用内部2 5 v ，求和移位寄 存器选择硬件求和移位模式。程序片段如下： # d e f i n eb a u d r a t e9 6 0 0 9 6 0 0 b p s 通讯波特率 # d e f i n ea c l k ( ( ( x t a l + 5 0 0 0 0 0 ) 10 0 0 0 0 0 ) - 1 ) 约1m h z 模拟时钟 # d e f i n ea n a c l k ( x t a l ( a _ c l k + i ) ) 精确模拟时钟 # d e f i n ed e c i m a t i o nv a l ( a n ac l k 6 4 10 ) 10h z 模拟采样率 # d e f i n ec o n v - f r e q ( a n a _ c l 6 4 d e c i 盯i o n )转换频率 p d c o n = 0 x 1 4 ；允许，d c ，s p i ；禁用p w m ，看门狗 e a = l ；允许全局中断 a d m u x = 0 x 0 1 ；a n 、j + = a i n 0 ，a i n 一= a i n i a c l k = ac l k ； 设置a c l k 大约为1 m h z a d c o n 0 = 0 x 3 0 ；砸用内部参考电压，关闭缓冲放大器，p g a = 1 a d c o n l = 0 x 3 0 ； 双极性，无偏置和增益误差校准，s i n c 3 数字滤波 s s c o n = 0 x 0 0 ； 清空求和寄存器，软件求和 s s c o n = 0 x d b ；硬件求和移位，1 6 个a d c 采样，用16 整除 w h i l e ( ! ( a i s t a t & 0 x 4 0 ) ) ；等待l5 个采样求和 s u m = ( s u m r 3 2 4 ) + ( s u m r 2 i6 ) + ( s u m r i - i no 6 具