基于MSC1210的冰点温度测量系统

引言

冰点温度测量系统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正比关系为基础，采用高灵敏的感温元件——热敏电阻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[1]。同一溶液的冰点会随溶液摩尔浓度的变化而改变。一般情况下溶液浓度越高，其冰点越低。冰点温度测量系统在药物研发、生产及临床用药等方面具有重要应用[2]。

1、冰点测量原理

对于水溶液，在从液态向固态冷却变化过程中，温度虽已达到结冰点甚至超过结冰温度，而不发生结冰的现象称之为“过冷现象”。这时的液体是极不稳定的，受到一定的扰动可触发其立刻结晶而变为固态，由于分子能量突然由高能态变为低能态，多余的能量就会以热的形式释放出来，称为晶化热。由于晶化热的存在，使过冷的溶液在结冰形成过程产生温度回升现象，溶液在结冰后有一段温度平稳的时间，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。上述过程可用“结冰曲线”（图1）予以描述[3]。

图中的温度—时间曲线，AB段为降温阶段，BC段为过冷阶段，CD段为所述的温度回升阶段，DE段相对稳定的曲线即为所测溶液的冰点温度。因此，只要通过系统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摩尔浓度。

2、MSC1210特性简介

MSC1210是美国德州仪器（TI）公司推出的高精度ADC SoC（System on Chip）芯片，内置32位高精度∑-ADC转换器，8通道差动／单端模拟输入，增强的8052内核，32位累加器和32K的Flash存储器（MSC1210Y5），可自行分配数据和程序存储器的大小，兼容SPI串口等片外设备[4][5]。其速度快、处理能力强、可靠性高、功耗低，与目前常用的8位微控制器相比，其片内资源丰富，适应于各种控制场合，内部集成度高，硬件可靠性和稳定性强，应用范围广泛。

3、冰点温度测量系统的总体设计

本文的设计是应用于溶液的冰点温度测量。如图2所示，温度传感器1采用高灵敏度玻璃封装负温度系数的热敏电阻[6]，将其置于被测溶液中，把测量的模拟信号送入MSC1210，模拟信号经过MSC1210内部的PGA，放大后进AD转换器，单片机根据转换后的信号大小，通过数学运算将其转换成温度，并通过串口与PC机进行通讯。当温度传感器检测到溶液处于过冷状态即溶液温度处于图1中的C点时，MSC1210控制直流电机带动一根探针，用探针刺入溶液的方式对溶液制造扰动，使溶液迅速结晶。为避免探针温度对溶液结晶过程组成影响，MSC1210控制制冷系统对溶液和探针同时制冷[7]，并用温度传感器2粗略测量制探针所处的环境的温度。温度传感器2采用DS18B20一线总线数字式传感器[8]，其具有12位的分辨率，正确度（correctness）[9]为±0.5℃，可将测量温度以数字形式送入MSC1210。

4、系统电路

MSC1210只需要极少的外部元件便可以构成高精度的测量仪表，根据此系统的实际应用，可用恒流源法组成一个温度测量系统。组建恒流源电路的方法有很多[10]，本系统采用稳压管加运算放大器的方法。

如图3所示，运放LF356、稳压管LM335/5V和电阻R1、R2构成一个恒流源系统。R1两端电压 即为稳压管D1两端电压，流经R1的电流即为经过热敏电阻Rx的电流，Rx两端电压即为MSC1210的0通道AIN0输入电压。即

由式（2）可知，热敏电阻Rx阻值与AIN0输入电压 成正比。通过测量 即可换算出热敏电阻所处环境的温度值。

5、仪器标定

仪器的标定采用测量标准溶液冰点对应电压值的方式。取0.1mol/kgH2O、0.2mol/kgH2O、0.3mol/kgH2O、……1.7mol/kgH2O的NaCl溶液，它们对应的冰点分别为-0.345℃、-0.690℃、-1.035℃、……、-5.865℃。测量溶液冰点对应电压值，拟合的温度－电压曲线如图4所示。根据温度与电压的对应关系，就可测得未知浓度溶液的冰点温度值。

6、实验结果

实验参数：实验室温约22℃，气压约101千帕；VD3约为4.87V；R1采用低温漂电阻，阻值约为19.8K；热敏电阻Rx在20℃时阻值约为2.08K。

按照实验硬件设计，参考电压为2.5V，AD转换为24位，理论上电压分辨率可以达到0.1uV，但程序设计其分辨率取到1uV。在实验中，尽管电路自身及周围环境的对测量电压造成一定干扰，通过AD转换后，电压的有效分辨力仍可达到50uV即0.05mV，对应被测温度的分辨力为0.001℃。

蒸馏水冰点温度测量过程曲线如图5、图6所示，其冰点温度测量值为0.002℃。0.9%NaCl溶液冰点温度测量过程曲线如图7所示，其冰点温度测量值为-0.517℃。

结论

本文根据拉乌尔冰点理论与溶液的过冷现象，设计了基于MSC1210的溶液冰点温度测量系统，其测量精度高，速度快，体积小，功耗低，可扩展性强，具有在线编程和在线调试功能，系统升级方便。在医药、环保、生物和食品卫生等领域有广阔的应用前景。

参考文献

[1] SHEN Man，ZHAO Haishan，LUO Shijin，et a1.“The Research of STY-1 0smometer”ISTM/2003，5：4308

[2] 叶宏宇，沈满，刘锁，渗透压测量方法简析，药物分析杂志，2001（21）：94

[3] 胡英，陈学让，吴树森，物理化学（上册）[M]，北京：人民教育出版社，1979:244

[4] 李刚，林凌，何峰等，高性能SoC模拟信号处理单片机MSC1210原理与开发应用[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2005：1-2

[5] Texas Instruments, Inc. Precision Analog-to-Digital Converter （ADC） with 8051 Microcontroller and Flash Memory. www.ti.com，November 2004:15-16

[6] McGillicuddy，NTC Thermistor Basics and Principles of Operation，D. Sensors，December, 1993

[7] 徐德胜，半导体制冷与技术[M]，上悔：上海交通大学出版社，1992：45

[8] 张鹏，熊磊，姚东苹，分辨率可编程的一线总线数字温度计DS18B20及其应用，电子产品世界，2002（04）：23

[9] 费业泰，误差理论与数据处理[M]，北京：机械工业出版社，2000：5

[10] 卫永琴，高建峰，一种恒流源电路的巧妙设计，仪器仪表学报，2006（9）： 1170-1172

[11] Texas Instruments, Inc. MSC1210 debugging strategies for high-precision smart sensors. www.ti.com，2005:3-10

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