单片机的电导率测量仪设计
目录
1. 绪论 1
1.1 课题的背景和研究现状 1
1.2 本课题的主要工作内容 1
2. 电导率测量原理及影响因素 3
2.1 电导率测量原理 3
2.2 影响电导率测量的因素 4
3. 系统硬件电路设计 6
3.1 整体方案设计 6
3.2 主控模块的设计 6
3.3 电导率采集模块的设计 7
3.4 温度采集模块的设计 8
3.5 A/D转换模块的设计 10
3.6 时间模块的设计 10
3.7 显示模块的设计 11
3.8 按键模块的设计 12
4. 系统软件设计 13
4.1 系统的整体流程 13
4.2 电导率测量程序 14
4.3 温度测量程序 16
4.4 时间计时程序 17
4.5 LCD显示程序 18
4.6 温度补偿程序 20
5.系统的实验与调试 23
5.2 系统硬件调试 24
5.1 系统软件调试 23
5.3 调试中出现的主要问题和解决办法 25
6.系统的总结与展望 26
6.1 系统设计的总结 26
6.2 系统存在的不足和改进方向 26
参考文献 27
附录 28
附录一 系统电路图 28
附录二 仪器实物图 29
致谢 30
绪论
1.1 课题的背景和意义
生命的活动都离不开水，在水污染和水资源匮乏日趋加深的今天，水质问题已经变得不可忽视，尤为重要。电导率作为一个衡量水质好坏的重要指标，其价值被工、农业生产、科学研究和环境保护各各部门重视起来。随着科技发展，越来越多的化工业工厂被建造，水质污染愈发的严重，近三年就有九起大型水质污染事件，连人们平日所使用矿泉水，自来水的水质都一度受到质疑，在这样一个大环境下，电导率测量仪的重要性就体现了出来，近年来电导率测量仪已经被广泛的运用到水质检测，工业用水等方面中去。简便、可靠
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地实现测量方法已经成为水处理技术研究人员和电导率仪生产厂家关注和研究的重要课题。
自从集成电路研制以来，其迅猛发展，越来越多的应用在日常生活当中。测量仪器从原来的手动指针显示到现在的自动智能显示正向着智能化、模块化的方向发展，其强大的功能离不开微控制器(MCU)强大的处理、控制能力。高精度传感器的出现使得电导率测量准确度得到了大幅度的提高，计算机技术的发展使测量仪与电脑的数据连接成为可能，在这一背景下，智能化、简便化、网络化已经成为电导率测量仪的必然发展趋势。为此，本论文设计了一种单片机控制的电导率测量仪。
1.2 本课题的研究现状与主要工作内容
在国外，关于电导率测量仪已经被研究了很长时间，现今已经有精度达到±0.5％的电导率测量仪，比较有代表性的是美国Orion公司的162A专业型电导仪和。意大利Hanna公司研制的H198309型高精度笔式纯水电导测试仪，但其性价比比较低。并不适合普遍的推广。在国内也有一些出色的电导率测量仪比如DDG 5205型工业电导率仪和DDS 11型的电导率测量仪，但是两者体积都较大，并且价格昂贵。
针对国内外的电导率测量仪研究状况，本论文设计的测量仪旨在适于推广、易于携带、提高生活质量，为此本课题研究的电导率仪吸收了先进的电导率测量仪的设计方案，提高硬件简化度，减小体积，提高性价比，顺应了智能化测量仪的发展趋势，易于推广、简化了检测过程、方便数据处理。充分考虑了其经济实用型，其主要工作内容有以下几个方面：
根据设计要求，研究电导率概念，学习电导率测量、计算方法；
研究温度与电导率的关系，研究温度补偿方法；
根据文献资料制定设计方案，再根据其实用性，可行性等选择合适元器件；
分析设计方案，设计硬件电路并简化，提高性价比，实用性，提高其操作简便度，最后分别设置为电导率采集模块、温度模块、显示模块、时间模块和按键模块；
软件设计根据其具体功能要求，保持清晰思路，使程序简单易懂，适用性高，调试简单；
根据方案设计制作实物，并进行调试，解决遇到的问题，让电导率测量仪的功能得以实现；
电导率测量原理及影响因素
2.1 电导率测量原理
电导率，是一种物理学的概念，是物质传送电流的能力，电阻率的倒数，即(为电阻率)。在国际单位制中，电导率的单位是西门子/米。
对电导率的测量方法通常采用电极电导率测量法、电磁电导率测量法[11]和超声波电导率测量法。前两种相对来说用的多一点，电磁式电导测量方法就是利用电磁感应的方法来测量溶液电导, 因感应元件不直接与溶液接触, 因而不存在污损和极化现象, 故适合工业在线测量,但该方法的测量机理决定了它只能测量高电导率的溶液，不适用于高纯水测量，同时测量范围窄，造价昂贵。相较来说电极电导率测量法[12]根据电解导电原理采用电阻测量法间接测量电导率，有结构简单，造价低廉，测量范围广等特点。所以本论文采用的就是电极电导率测量法，但与此同时这个方法受三个因素[12]的影响较大：极化效应，电容效应和温度效应。
本论文采用的是电极电导率测量法即电阻测量间接测量电导率的方法，了解电阻的定义必不可少：当电流通过任何一种导体时，都会受到阻力的作用，其被称为电阻。通常用符号R表示。电阻的大小由式(2.1)确定。
(2.1)
式中代表导体的有效长度，单位为米（m），A代表导体的有效横截面积，单位为平方米（），代表电阻率，单位是欧*米（）。
上式适用于所有导体，因为水溶液可以导电，所以适用于这个公式。而且由上式根据电导率和电阻率是倒数的关系还可以推出[13]，设为电导为电导率。
(2.2)
式中代表的是电导池常数，一般也称为电极常数。由上式可以推断出只要测出了溶液的电阻R又知道电极常数的话就可以推导出电阻率进而得出电导。
2.2 影响电导率测量的因素
（1）电容效应
电容效应即在电极之间施加一个交变激励源产生电压，这时电极电导会产生一个比较复杂的电化学系统。此时电极和溶液之间会形成两层电荷，形成双电层电容，其大小常达几十到几百，因为采用了交变极激励电源，电极之间会往复吸收正负离子，形成电解质电容，电极引线分布电容可以并入电解质电容，一起考虑。正是因为这些电容的存在，电极之间的电阻产生变化，造成相移，引起误差。
1. 绪论 1
1.1 课题的背景和研究现状 1
1.2 本课题的主要工作内容 1
2. 电导率测量原理及影响因素 3
2.1 电导率测量原理 3
2.2 影响电导率测量的因素 4
3. 系统硬件电路设计 6
3.1 整体方案设计 6
3.2 主控模块的设计 6
3.3 电导率采集模块的设计 7
3.4 温度采集模块的设计 8
3.5 A/D转换模块的设计 10
3.6 时间模块的设计 10
3.7 显示模块的设计 11
3.8 按键模块的设计 12
4. 系统软件设计 13
4.1 系统的整体流程 13
4.2 电导率测量程序 14
4.3 温度测量程序 16
4.4 时间计时程序 17
4.5 LCD显示程序 18
4.6 温度补偿程序 20
5.系统的实验与调试 23
5.2 系统硬件调试 24
5.1 系统软件调试 23
5.3 调试中出现的主要问题和解决办法 25
6.系统的总结与展望 26
6.1 系统设计的总结 26
6.2 系统存在的不足和改进方向 26
参考文献 27
附录 28
附录一 系统电路图 28
附录二 仪器实物图 29
致谢 30
绪论
1.1 课题的背景和意义
生命的活动都离不开水，在水污染和水资源匮乏日趋加深的今天，水质问题已经变得不可忽视，尤为重要。电导率作为一个衡量水质好坏的重要指标，其价值被工、农业生产、科学研究和环境保护各各部门重视起来。随着科技发展，越来越多的化工业工厂被建造，水质污染愈发的严重，近三年就有九起大型水质污染事件，连人们平日所使用矿泉水，自来水的水质都一度受到质疑，在这样一个大环境下，电导率测量仪的重要性就体现了出来，近年来电导率测量仪已经被广泛的运用到水质检测，工业用水等方面中去。简便、可靠
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
地实现测量方法已经成为水处理技术研究人员和电导率仪生产厂家关注和研究的重要课题。
自从集成电路研制以来，其迅猛发展，越来越多的应用在日常生活当中。测量仪器从原来的手动指针显示到现在的自动智能显示正向着智能化、模块化的方向发展，其强大的功能离不开微控制器(MCU)强大的处理、控制能力。高精度传感器的出现使得电导率测量准确度得到了大幅度的提高，计算机技术的发展使测量仪与电脑的数据连接成为可能，在这一背景下，智能化、简便化、网络化已经成为电导率测量仪的必然发展趋势。为此，本论文设计了一种单片机控制的电导率测量仪。
1.2 本课题的研究现状与主要工作内容
在国外，关于电导率测量仪已经被研究了很长时间，现今已经有精度达到±0.5％的电导率测量仪，比较有代表性的是美国Orion公司的162A专业型电导仪和。意大利Hanna公司研制的H198309型高精度笔式纯水电导测试仪，但其性价比比较低。并不适合普遍的推广。在国内也有一些出色的电导率测量仪比如DDG 5205型工业电导率仪和DDS 11型的电导率测量仪，但是两者体积都较大，并且价格昂贵。
针对国内外的电导率测量仪研究状况，本论文设计的测量仪旨在适于推广、易于携带、提高生活质量，为此本课题研究的电导率仪吸收了先进的电导率测量仪的设计方案，提高硬件简化度，减小体积，提高性价比，顺应了智能化测量仪的发展趋势，易于推广、简化了检测过程、方便数据处理。充分考虑了其经济实用型，其主要工作内容有以下几个方面：
根据设计要求，研究电导率概念，学习电导率测量、计算方法；
研究温度与电导率的关系，研究温度补偿方法；
根据文献资料制定设计方案，再根据其实用性，可行性等选择合适元器件；
分析设计方案，设计硬件电路并简化，提高性价比，实用性，提高其操作简便度，最后分别设置为电导率采集模块、温度模块、显示模块、时间模块和按键模块；
软件设计根据其具体功能要求，保持清晰思路，使程序简单易懂，适用性高，调试简单；
根据方案设计制作实物，并进行调试，解决遇到的问题，让电导率测量仪的功能得以实现；
电导率测量原理及影响因素
2.1 电导率测量原理
电导率，是一种物理学的概念，是物质传送电流的能力，电阻率的倒数，即(为电阻率)。在国际单位制中，电导率的单位是西门子/米。
对电导率的测量方法通常采用电极电导率测量法、电磁电导率测量法[11]和超声波电导率测量法。前两种相对来说用的多一点，电磁式电导测量方法就是利用电磁感应的方法来测量溶液电导, 因感应元件不直接与溶液接触, 因而不存在污损和极化现象, 故适合工业在线测量,但该方法的测量机理决定了它只能测量高电导率的溶液，不适用于高纯水测量，同时测量范围窄，造价昂贵。相较来说电极电导率测量法[12]根据电解导电原理采用电阻测量法间接测量电导率，有结构简单，造价低廉，测量范围广等特点。所以本论文采用的就是电极电导率测量法，但与此同时这个方法受三个因素[12]的影响较大：极化效应，电容效应和温度效应。
本论文采用的是电极电导率测量法即电阻测量间接测量电导率的方法，了解电阻的定义必不可少：当电流通过任何一种导体时，都会受到阻力的作用，其被称为电阻。通常用符号R表示。电阻的大小由式(2.1)确定。
(2.1)
式中代表导体的有效长度，单位为米（m），A代表导体的有效横截面积，单位为平方米（），代表电阻率，单位是欧*米（）。
上式适用于所有导体，因为水溶液可以导电，所以适用于这个公式。而且由上式根据电导率和电阻率是倒数的关系还可以推出[13]，设为电导为电导率。
(2.2)
式中代表的是电导池常数，一般也称为电极常数。由上式可以推断出只要测出了溶液的电阻R又知道电极常数的话就可以推导出电阻率进而得出电导。
2.2 影响电导率测量的因素
（1）电容效应
电容效应即在电极之间施加一个交变激励源产生电压，这时电极电导会产生一个比较复杂的电化学系统。此时电极和溶液之间会形成两层电荷，形成双电层电容，其大小常达几十到几百，因为采用了交变极激励电源，电极之间会往复吸收正负离子，形成电解质电容，电极引线分布电容可以并入电解质电容，一起考虑。正是因为这些电容的存在，电极之间的电阻产生变化，造成相移，引起误差。
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