基于MCU纯水电导率检测装置设计

2012届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于MCU纯水电导率检测装置设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动F0802 学生姓名： 万黎明 学 号： 200848280222 指导教师： 王威 教师职称： 教授 2012年 5 月 17 日目 次1 概述11.1 毕业设计课题应用背景和意义11.2 电导率测量在国内外的发展情况11.3 课题的设计工作22 溶液的电导率32.1 溶液的电导和电导率32.2 影响检测的因素43 电导率检测装置硬件设计63.1 检测装置整体结构63.2 电导率检测原理73.3 检测装置的硬件元件选择83.4 激励脉冲发生电路103.5 MCU控制器电路113.6 温度测量电路123.7 显示电路124 电导率检测装置软件设计134.1 软件开发环境及开发工具134.2 电导率检测装置程序设计14结 论23致 谢24参 考 文 献25附录A 系统总电路图261 概述电导率仪是溶液电导率检测的主要测量仪器，本章主要介绍了纯水电导率检测的背景、意义、发展的状况，以及本设计要研究的内容。1.1 毕业设计课题应用背景和意义随着我国人口和经济的增长，日益严重的环境问题逐渐被我们所关注，其中，水是生命的源泉，是我们赖以生存和发展不可缺少的重要资源，水是维持生命存在的最主要物质之一。而在现代工业中，没有一个工业部门是不用水的。也没有一项工业不和水直接或间接存在关系。近些年，饮用水、药用蒸馏水、工业用水需求量的急剧攀升，许多产品和先进技术已经对介质的导电性能提出了更加准确评价，并且对实时性、准确度等多方面提出了更高的要求。因此，国内外的一些知名公司针对这些高要求开发了许多产品。但是这些产品多多少少都存在着一些缺点。比如国外的电导率仪过高的价格，会大大提高厂家的生产成本，致使这些产品的市场竞争力大大降低，同时还导致了大量资金的外流。但国内的电导率仪对温度只能进行分段象征性的补偿，在实际效果、准确性和稳定性上比之国外的仪表存在较大的差距。而且国内仪表在不同条件下也需要人工多次调整，浪费了大量的劳动力和时间。而研制准确、高性能的电导率检测仪表不仅有利于水质监测部门对用水质量进行监管；也有利于生产制水设备的单位保证产品质量；还有利于水质仪表生产单位提高经济效益，扩大我国分析仪表在国内外的市场份额。目前工业生产中水质检测的主要方法就是电导率检测法，因为这种方法工艺完善、简便易行等优点，占据了水质检测的重要地位。本设计应在调研分析国内外相关技术的基础上，拟采用电极法、集成运算电路和微控制器设计高纯水电导率检测装置，重点在高纯水的电导率检测前端数据调理电路设计和MCU数据处理软件，包括检测电极、模拟数字变换、微控制器显示等部分。1.2 电导率测量在国内外的发展情况目前，国内外电极电导率测量方法有多种。从激励源划分，主要有交流测量法和直流测量法，并且多数以前者为主，主要目的是为了减少极化效应引起的误差，而交流激励源一般采用正弦波和脉冲方波。电导率测量所使用的传感器主要分为有两电极和四电极两种。四电极即为两对电极，一对是电流电极，另一对是电压电极。目前国内的电导率测量方法还是以使用两电极为主。按电导率测量的原理可以大致可以分为四种形式1-3：1、平衡电桥法：使用惠斯登电桥设计思路，将电导池作为电桥其中的一个桥臂，然后调整另一个桥臂上的可变电阻使电桥重新达到平衡状态，从而计算出电导池的电导率。2、电阻分压法：通过测量与电导池串联的分压电阻上的分压，并且分压电阻使用可调分档，后面接放大、整流、滤波电路，这是比较成熟且应用广泛的测量方法。3、比值法：将电导池与运算放大器的反相输入端相接，通过反馈电阻在运算放大器的输出端就可以得到和输入信号成正比的输出电压信号。4、频率法：将电导率转换成和它成正比的频率信号，采用电阻频率变换电路；或采用多谐振荡电路将电导率信号转化为频率信号，电极作为振荡电路的一部分。这种方法提供高精度远距离传输方式，并且结构简单，成本较低，适合做便携式电导率仪。影响溶液电导率变化最大的外部因素是温度，因此电导检测仪需要采取温度补偿措施来减小温度对电导率检测的影响，目前电导率的温度补偿方法主要是以下三种4,5。1、恒温法：将待测溶液放到恒温箱中，等温度达到设定的基准温度下再进行测量。这种方法需要非常的昂贵的精密恒温箱，而且也并不适用于工业现场。2、手动温度补偿法：在电导率仪上设置手动的温度补偿装置。以测量纯水为例，要先测出被测对象的温度，而电解质溶液电导率的温度系数是2%，然后对电导率进行补偿，存在较大误差是补偿的缺点。3、自动温度补偿法：该方法包括热敏电阻温度补偿法、参比法和逐点逼近温度补偿法。利用电导率和温度的拟合经验公式，是目前较为先进的温度补偿方法。该方法采用微处理器的计算和存储功能，通过查表或拟合经验公式进行直接计算从而实现温度补偿。1.3 课题的设计工作本设计在参研各种常用电导率测量的基础上，比较每个部分的不足和优点，又结合实际的发展，考虑到经济和使用性能上，利用微控制器，减少外围电路以简化整体电路，设计了基于MUC纯水电导率检测装置。本设计着重解决问题：（1）激励源采用等幅脉冲方波，运用运放I-V变换，把通过电极的电流转化成对应电压。再对电压进行采样分析，最大程度上解决分布电容对电导率检测的影响，提高了检测的精度。（2）本文对影响电导率检测的温度补偿进行了一定的研究，着重使用微控制器自动的进行温度补偿，拟合公式。本设计文成以下工作：考虑到装置的灵敏度，结合纯水电导率的电导率范围变化，制定了一个适合的方案。使用高性能，低功耗的S08系列MCU；精度较高的A/D转换；热敏电阻传感电路，合理地简化了装置。2 溶液的电导率2.1 溶液的电导和电导率物质在电场作用下导电情况可分为导体、半导体和绝缘体。导体又可分为两种。一种是在电场作用下自由电子作定向运动使导体导电，这种叫做电子型导体；另一种是离子定向移动使导体导电，这种叫做离子型导体。通常来说，衡量电子型导体的导电能力使用的是电阻（欧），而衡量离子型导体的导电能力使用的是电导（西门子）。本设计研究的纯水即为常见的离子型导体。导体电阻表示： (2.1)其中R是电阻，是导体的电阻率，L是导体的有效长度，A是导体的有效横截面积。由于电子型导体电阻温度系数是正的，离子型导体电阻温度系数是负的。为了方便表达和应用，相对于电子型导体的电阻，用电导来表示离子型导体的“电阻”。因为电阻的倒数即为电导，所以电导表示为： (2.2)其中G是电导，单位西门子，A是导体的横截面积，k是电导率电导率k是衡量溶液导电能力的指标。由k是的倒数可推出： (2.3)其中k是电导率，单位s·cm-1，是电极常数。综上即可得出，通过检测溶液电阻就可得出溶液电导率。2.2 影响检测的因素电导率是衡量水质的重要标准之一。它反映了水溶液不同浓度的不同导电程度，通过检测溶液的导电程度来分析得出电解质的溶解度。由于不断发展的科学技术，对纯水的浓度也提出了更高的要求。溶液的电导检测是在两个极板上加上电压，测出两极板之间的电阻，但由于电压是交流的，整个系统在实际中是一个复杂的电阻、电容串并联结构。结构图如图2.1所示。图2.1 等效电路图图中Cdl1和Cdl2是电极表面和溶液形成的双电层，Cp是电解质电容，Rx是溶液的电阻，Rl1和Rl2是极板的引线电阻，Z1和Z2是极化作用下的法拉第阻抗。影响检测的主要因素：（1）极化效应：电极加直流电压时，存在严重的极化现象，溶液的电阻增大，引起较大误差，所以使用交流电压源。但在检测高浓度溶液，电压有直流分量的情况下，仍然会产生极化现象。极化造成的误差： (2.4)其中是测量偏差，Rx是溶液电阻，U是极化反电势，是激励源频率。由式3可知，减小极化反电势，并提高激励源频率和溶液电阻可以减小偏差。但被测溶液电阻是不允许改变的，所以有效的方法是提高频率，但由于存在电容效应，频率也不可以无限制提高，一般10004000Hz。并且要求不高时，也可采用50Hz的交流电。（2）电容效应：图2.2中，测量溶液电阻较低时，双电层电容和溶液电阻相当，有明显分压作用。测量溶液电阻较高时，电解质电容和溶液电阻相当，有严重分流现象。为了提高检测的灵敏度，第一种方法是加大溶液电阻，但不容易实现。第二种是为了减小电容容抗而去提高频率，。容抗Cdl1和Cdl2减小，同时减小了电阻的分压，又有利于减小极化效应的影响。而容抗Cp也在减小，所以一般在高阻时采用低频，反之则使用高频。在交流激励时，可认为极化效应被消除，而引线电阻和电解质电容本就小，可以忽略不计。最后可以简化等效电路。如图2.2所示：图2.2 简化等效电路图而本设计检测纯水（高阻、低电导），双层电容Cx影响小，所以可以忽略Cx，所以Cp是引起误差的主要因素，误差随激励源频率增大而增大。（3）温度影响：温度直接影响着电离度、离子迁移速度，对电导率相当大的影响，一般公认的电导率标准温度是25。所以当温度高于或低于25时，就需要对温度进行补偿。电导率温度曲线6如图2.3所示：图2.3 电导率温度曲线并且将实际运用中与图3拟合的最佳表达式是： (2.5)其中G（25）是25纯水的电导率，K（t）是温度的校正系数，G（t）是t时溶液的电导率，Gp（t）是理论上t时纯水的电导率，Gp（25）是理论上25纯水的电导率（大小为0.05482）。以单片机的计算，准确的测量G（t）和温度t之后，便可以进行准确的温度补偿。3 电导率检测装置硬件设计系统的硬件设计的合理与否在很大程度上影响着系统的使用性能，对整个系统设计很关键，本章主要介绍了方案的整体结构和硬件各个模块的选择。3.1 检测装置整体结构首先，由MCU产生的占空比50%的正负方波电压加到电导池的两个电极上，流过的电流经过运算放大器放大后变成电压模拟信号，接着保持器采样保持后得到了电压模拟信号（与被测纯水电导率成正比的），经过A/D转换送入单片机，然后进行温度采样，最后送入单片机得出被测纯水在基准温度25时的电导率，并由LCD显示出来。如图3.1图3.1 整体设计框图3.2 电导率检测原理采用双极性脉冲方波作为激励源7，是为了有效的减小极化效应，因为在电极上所加电压作用时间短，极化效应就可以忽略；而纯水电阻很大，所以Cx容抗可以忽略，所以系统测量示意图如图3.2所示。图3.2 测量示意图通过模拟开关S对E1和E2进行切换形成为双极性脉冲电压，因为检测运放阻抗大，流过电导池的电流和Rf上的电流相等，所以： (3.1)由于为消除Cp影响，只取平坦波形，所以最后电导池电阻： (3.2)将Rx当作R带入式3中，得电阻率k： (3.3)由上式可知Vo与电导率k成正比。3.3 检测装置的硬件元件选择本设计中集成电路包括：微控制