基于MCU的电导率测量系统设计
基于MCU的电导率测量系统设计[20191215171532]
摘 要
随着行业的不断发展，越来越多的技术、产品开始对介质的成分、导电性能要求给出一个准确的分析和评估，而且在准确性、实时性等方面提出更高的要求。
本文在参阅国内外大量参考文献的基础上，根据溶液导电原理和溶液在电极作用下的数学模型，分析了影响电极式电导率测量法精度的问题，研制出了一种智能电导率测量仪。本文所做工作主要有以下几个方面：(1)设计了一种基于双频法的液体电导率测量仪，其量程范围是10μS/cm～50μS/cm，满足相对误差小于2%。该仪表可通过RS-485实时传输数据；自动温度补偿；可设置电导率超限报警等功能。(2)通过对标准电阻多次测量，并借助软件Matlab的数据拟合功能，在不同频率值的测量范围内进行系统标定，并获得较为准确的标定模型。(3)通过对现有的阻抗-最佳频率数据构造拉格朗日二次插值函数来代替阻抗-最佳频率数据表，从而解决了不易选取最佳频率的难题。(4)使用北京迪文科技有限公司的串口屏实现了友好的人机交互界面，并可在串口屏上完成电极常数、报警上下限、时间和标定等参数的设置。
实验数据表明，该仪表可以很好地完成电导率的精确测量，能够实现自动选取最佳激励频率、电导率超标报警、温度自动补偿，具备友好的人机交互界面以及上位机实时监控功能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电导率；双频法；RS-485；串口屏
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题的背景 1
1.2 电导率测量的研究现状 1
1.3 电导率测量的发展方向 3
1.4 课题的主要任务 3
第二章 电导率测量原理 4
2.1 电导率基本概述 4
2.1.1 溶液的电导与电导率 4
2.1.2 影响电导率测量精度的因素 5
2.2 电导率测量的几种常见方法 6
2.3 电导率仪表测量总体设计 8
2.3.1 电导率交流测量原理 8
2.3.2 电导率仪总体结构设计 11
第三章 电导率仪硬件设计 12
3.1 整体方案设计 12
3.2 微控制器选型 13
3.3 电导率测量电路设计 14
3.3.1 双频正弦信号发生电路 14
3.3.2 有效值转换电路 16
3.4 温度测量电路设计 18
3.5 通信接口电路设计 19
3.6 辅助电路设计 21
3.6.1 显示电路 21
3.6.2 电源电路 21
3.7 信号输出电路设计 22
第四章 电导率仪软件设计 23
4.1 微控制器MSP430F4783初始化程序设计 24
4.2 双频正弦信号源控制 29
4.2.1 串行外设SPI接口 29
4.2.2 正弦激励信号产生 30
4.3 测量与控制 31
4.3.1 AD采样 31
4.3.2 拉格朗日插值法实现 32
4.4 温度补偿模块 33
4.4.1 温度补偿技术 33
4.4.2 自动温补的软件实现 34
4.5 人机交互界面设计 35
4.6 方波输出控制 37
第五章 电导率仪运行测试 39
5.1 测量结果分析 39
5.2 联机功能测试 39
第六章 总结与展望 41
参考文献 42
致谢 44
附录一：电导率仪电路原理图 45
附录二：电导率仪实物图 46
附录三：触摸屏显示效果图 47
附录四：电导率仪调试现场 48
附录五：电导率仪部分源程序 49
附录六：英文资料翻译 56
第一章 绪论
1.1 本课题的背景
电导率作为一个重要的电化学参数，在水质监测电厂、化工、冶金、医药、水处理等部门方面有着广泛应用。随着纯净水、蒸馏水、医药、生物制品、自来水，工业用水需求急剧增加，人们对对水质的准确性，实时性的要求越来越高。所以国内外许多著名公司开发了许多相应的电导率测量仪，但是这些产品或多或少都存在一些不足。如国外的产品市场价格偏高，在使用时要求成本较高，从而降低了市场核心竞争力，并且普及程度会大大的下降。而国内的产品精度较低，稳定性差，并且在不同条件测量需要人工进行多次调整才能使用。对电导率检测仪器及其精度的研究有利于水质监测部监测用水质量，保证人们用水安全；有利于制水单位保证产品质量；还有利于提高生产效率和经济效益。此外对我国的仪器仪表走上一个新的台阶有重要意义。
电导率测量方法主要是采用电磁式测电导率法[1]、电极式测电导率法和超声波测电导率法[2,3]，但是电磁式测量法测量范围小，适用于大电导率的溶液，超声波法测电导率[4]使用的少，测量电导率主要以电极式测量法为主。电极式测量法根据溶液电导原理采用电阻分压间接测量电导率，电导池在测量过程中表现为一个复杂的化学反应，主要影响测量结果的有三个因素[5,6]：温度、极化效应、电容效应。
随着我国国民经济的发展，水质的检测已经是一个刻不容缓的时代使命，能否准确并且稳定的测量溶液的电导率直接影响到工业、农业、医疗、人民群众的身体健康。
1.2 电导率测量的研究现状
近年来，随着人们对精确测量电导率的需求越来越迫切，国内外著名的公司都在电导率测量领域做了很大的投入，发展到今天，产生多种测量电导率的方法，电磁式电导率测量法和超声波电导率测量法由于在机理上受到限制，很少使用。目前使用最广泛的是电极式电导率测量法。
电极式电导率测量法按照不同的划分法有不同的形式。
（1）按照不同的激励源形式可分为两种：直流法和交流法。直流源作为激励最主要的缺陷是存在非常严重的“极化效应”，测量结果将会产生较大的偏差，基本上不使用直流法。交流测量法[7]经常采用的是脉冲方波激励和正弦波激励做为激励源，主要是为了消除电极极化和电容效应对电导率测量结果的干扰。
（2）按照电极在电路中的分布位置分为4种形式[6,8,9]：a、电桥法。包括平衡和不平衡电桥法，在电桥法中电极作为电桥中的一臂，只要调节电桥的另一臂的就可以使电桥达到新的平衡，这样可直接计算出溶液的电导率。已使用此方法的产品型号有国外的D5906型等。b、电流法。把电极放在运算放大器输入端，这样电极中就会产生正比于电导率的电流，该电流再经过转换后产生正比于电流的电压，再经过运算放大器、整流、滤波电路产生稳定的直流电压。电流测量法电路简单，容易温度补偿，应用较为广泛。c、分压法。电极与分压电阻串联，从电极两侧或电阻两侧取电压。分压电阻分档可调，后接放大、整流、滤波电路，这是一种相当成熟的且广泛应用的测量方法。分压法测量电导率的优点是：温度补偿效果好，电路简单；缺点是分压信号较小，但可采用高精度低漂移的精密运算法大器对其进行方法以便处理。d、频率法。这种方法将电导率转化成与之成正比的频率信号，可以用电阻-频率变换电路，或采用时基电路与电导电极传感器构成谐振电路，将电导率转化为频率信号，电极作为振荡电路的一部分，这种方式可实现高精度远距离传输，结构简单。
温度对溶液电导率的精确测量有很大的影响，所以国内外学者的还有一个重要的研究领域就是温度补偿。目前国内外已经市场化的电导率测量仪产品主要使用的温度补偿方法有三种[10,11]：a、样品恒温法。将被测量的溶液恒温到25℃，得到基准温度下的电导率。恒温法原理简单，但所需实验设备昂贵。b、手动温度补偿法。在电导率测量仪器上安装手动温度补偿装置。已使用此方法的产品型号有日本的CM-58型和国产的DDS-304型。c、自动温度补偿。通过温度测量元件使用算法自动计算出一个补偿值，该方法电路简单，但算法比较复杂。已使用此方法的产品型号有英国的KENT52型和国产的DDG-302型。
目前最先进的方法是自动温度补偿法[12]，精确的测量电导率和温度后，拟合出经验公式，充分利用微处理器强大的运算功能实现软件温度补偿。
1.3 电导率测量的发展方向
近年来，随着集成电路的高速发展，出现了ARM、DSP等高速数字信号微处理器。一方面，高速微控制器优秀的存储和计算能力，使得人们可以采用软件的方案，建立起电导率和某些参数的数学关系，基于最优估计和神经网络等自适应方法，通过算法计算代替一部分直接测量节点，不但可以消除各个环节的误差和干扰，提高仪表测量的精度，又节约了生产成本。另一方面，高速控制器的强大数据处理能力和丰富的片上资源引导着测量仪器向小型化、模块化、网络化、智能化发展。随着计算机和网络技术的飞速发展使得嵌入式测量仪器结合Internet技术成了一种必然趋势。嵌入式web服务器[13]正是应用嵌入式Internet技术实现远程监控的一种高性能、低成本的网络设备。
1.4 课题的主要任务
国内外对电导率测量仪器的研究做出了很大的贡献，效果显著。但是以目前来看，电导率的测量仍然还存在着一下的不足：a、测量精度低。主要是因为电极在测量的过程中是一个很复杂的化学反应，要完全消除极化效应和电容效应的影响还比较难；b、测量电路要求较高。采样电路最为明显，复杂的采样电路很容易引入外界误差；c、功能单一。显示单一，难以存储大量数据；d、网络化程度低。网络化是未来的大势所趋，传统的仪器仪表不具备网络传输数据功能。
本文总结了电导率仪的现状，顺应电导率测量仪器发展潮流，根据目前的技术状态，并且充分考虑实用性和经济性的基础上提出。利用德州仪器MSP430微控制器的丰富内部资源，综合各个方面影响测量精度的因素，设计了一款基于双频法的电导率测量仪，主要完成内容包括：
（1）研究电导率测量的众多方法和双频测定法的优点；
（2）设计测量电导率硬件电路；
（3）设计仪表的软件，优化算法，提高程序运行效率，提高精度；
（4）参照技术指标对研制的仪器进行性能分析；
（5）总结课题成果，分析不足，展望未来的改进。
第二章 电导率测量原理
2.1 电导率基本概述
2.1.1 溶液的电导与电导率
溶液[14]的准确定义，是一种或多种物质以分子，原子或离子的分散状态与另一种物质构成均匀、稳定的系统。显然，这种系统必须满足以下条件：1、系统必须具有至少两种物质，即溶质和溶剂，水是最容易得到的无机溶剂之一；2、该系统必须是均匀的（单相）。溶质颗粒要小，只能是分子或微粒比分子更小；3、外部条件不变时，溶液是稳定的。
水是最常用的溶剂。下面分析水的物理和化学特性，这样可以帮助我们对水溶液性质的认识。纯水是一种无色、无味、无臭的液体。水的电容率是与溶液电导成比例的。我们知道在国际单位制（SI）中，电容率 等于真空电容率 同相对电容率 的乘积，即 。真空中两离子间库仑力F的大小，与离子电荷 、 的乘积成正比，与离子间的距离r的平方成反比，因此真空电容率可以通过下式求得：
(2.1)
在SI中， 。如果把相同的两离子溶于水，那么两离子的库仑力F为：
(2.2)
令 ，则把 称为电解质的电容率[15]。水的电容率是所有溶液中最大的。水的电容率是一个与温度有关的量，当温度升高电容率降低。
水的电容率非常高，因此使得水变成重要的溶剂。溶质放入水中会使水发生离解，并且使水的导电能力发生明显的变化。随着电解质不同，溶液的导电能力相差的也比较大。导电能力强的，称为强电解质，比如说强碱、强酸和大多数盐类都属于强电解质；反之导电能力弱的，称为弱电解质。
摘 要
随着行业的不断发展，越来越多的技术、产品开始对介质的成分、导电性能要求给出一个准确的分析和评估，而且在准确性、实时性等方面提出更高的要求。
本文在参阅国内外大量参考文献的基础上，根据溶液导电原理和溶液在电极作用下的数学模型，分析了影响电极式电导率测量法精度的问题，研制出了一种智能电导率测量仪。本文所做工作主要有以下几个方面：(1)设计了一种基于双频法的液体电导率测量仪，其量程范围是10μS/cm～50μS/cm，满足相对误差小于2%。该仪表可通过RS-485实时传输数据；自动温度补偿；可设置电导率超限报警等功能。(2)通过对标准电阻多次测量，并借助软件Matlab的数据拟合功能，在不同频率值的测量范围内进行系统标定，并获得较为准确的标定模型。(3)通过对现有的阻抗-最佳频率数据构造拉格朗日二次插值函数来代替阻抗-最佳频率数据表，从而解决了不易选取最佳频率的难题。(4)使用北京迪文科技有限公司的串口屏实现了友好的人机交互界面，并可在串口屏上完成电极常数、报警上下限、时间和标定等参数的设置。
实验数据表明，该仪表可以很好地完成电导率的精确测量，能够实现自动选取最佳激励频率、电导率超标报警、温度自动补偿，具备友好的人机交互界面以及上位机实时监控功能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电导率；双频法；RS-485；串口屏
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题的背景 1
1.2 电导率测量的研究现状 1
1.3 电导率测量的发展方向 3
1.4 课题的主要任务 3
第二章 电导率测量原理 4
2.1 电导率基本概述 4
2.1.1 溶液的电导与电导率 4
2.1.2 影响电导率测量精度的因素 5
2.2 电导率测量的几种常见方法 6
2.3 电导率仪表测量总体设计 8
2.3.1 电导率交流测量原理 8
2.3.2 电导率仪总体结构设计 11
第三章 电导率仪硬件设计 12
3.1 整体方案设计 12
3.2 微控制器选型 13
3.3 电导率测量电路设计 14
3.3.1 双频正弦信号发生电路 14
3.3.2 有效值转换电路 16
3.4 温度测量电路设计 18
3.5 通信接口电路设计 19
3.6 辅助电路设计 21
3.6.1 显示电路 21
3.6.2 电源电路 21
3.7 信号输出电路设计 22
第四章 电导率仪软件设计 23
4.1 微控制器MSP430F4783初始化程序设计 24
4.2 双频正弦信号源控制 29
4.2.1 串行外设SPI接口 29
4.2.2 正弦激励信号产生 30
4.3 测量与控制 31
4.3.1 AD采样 31
4.3.2 拉格朗日插值法实现 32
4.4 温度补偿模块 33
4.4.1 温度补偿技术 33
4.4.2 自动温补的软件实现 34
4.5 人机交互界面设计 35
4.6 方波输出控制 37
第五章 电导率仪运行测试 39
5.1 测量结果分析 39
5.2 联机功能测试 39
第六章 总结与展望 41
参考文献 42
致谢 44
附录一：电导率仪电路原理图 45
附录二：电导率仪实物图 46
附录三：触摸屏显示效果图 47
附录四：电导率仪调试现场 48
附录五：电导率仪部分源程序 49
附录六：英文资料翻译 56
第一章 绪论
1.1 本课题的背景
电导率作为一个重要的电化学参数，在水质监测电厂、化工、冶金、医药、水处理等部门方面有着广泛应用。随着纯净水、蒸馏水、医药、生物制品、自来水，工业用水需求急剧增加，人们对对水质的准确性，实时性的要求越来越高。所以国内外许多著名公司开发了许多相应的电导率测量仪，但是这些产品或多或少都存在一些不足。如国外的产品市场价格偏高，在使用时要求成本较高，从而降低了市场核心竞争力，并且普及程度会大大的下降。而国内的产品精度较低，稳定性差，并且在不同条件测量需要人工进行多次调整才能使用。对电导率检测仪器及其精度的研究有利于水质监测部监测用水质量，保证人们用水安全；有利于制水单位保证产品质量；还有利于提高生产效率和经济效益。此外对我国的仪器仪表走上一个新的台阶有重要意义。
电导率测量方法主要是采用电磁式测电导率法[1]、电极式测电导率法和超声波测电导率法[2,3]，但是电磁式测量法测量范围小，适用于大电导率的溶液，超声波法测电导率[4]使用的少，测量电导率主要以电极式测量法为主。电极式测量法根据溶液电导原理采用电阻分压间接测量电导率，电导池在测量过程中表现为一个复杂的化学反应，主要影响测量结果的有三个因素[5,6]：温度、极化效应、电容效应。
随着我国国民经济的发展，水质的检测已经是一个刻不容缓的时代使命，能否准确并且稳定的测量溶液的电导率直接影响到工业、农业、医疗、人民群众的身体健康。
1.2 电导率测量的研究现状
近年来，随着人们对精确测量电导率的需求越来越迫切，国内外著名的公司都在电导率测量领域做了很大的投入，发展到今天，产生多种测量电导率的方法，电磁式电导率测量法和超声波电导率测量法由于在机理上受到限制，很少使用。目前使用最广泛的是电极式电导率测量法。
电极式电导率测量法按照不同的划分法有不同的形式。
（1）按照不同的激励源形式可分为两种：直流法和交流法。直流源作为激励最主要的缺陷是存在非常严重的“极化效应”，测量结果将会产生较大的偏差，基本上不使用直流法。交流测量法[7]经常采用的是脉冲方波激励和正弦波激励做为激励源，主要是为了消除电极极化和电容效应对电导率测量结果的干扰。
（2）按照电极在电路中的分布位置分为4种形式[6,8,9]：a、电桥法。包括平衡和不平衡电桥法，在电桥法中电极作为电桥中的一臂，只要调节电桥的另一臂的就可以使电桥达到新的平衡，这样可直接计算出溶液的电导率。已使用此方法的产品型号有国外的D5906型等。b、电流法。把电极放在运算放大器输入端，这样电极中就会产生正比于电导率的电流，该电流再经过转换后产生正比于电流的电压，再经过运算放大器、整流、滤波电路产生稳定的直流电压。电流测量法电路简单，容易温度补偿，应用较为广泛。c、分压法。电极与分压电阻串联，从电极两侧或电阻两侧取电压。分压电阻分档可调，后接放大、整流、滤波电路，这是一种相当成熟的且广泛应用的测量方法。分压法测量电导率的优点是：温度补偿效果好，电路简单；缺点是分压信号较小，但可采用高精度低漂移的精密运算法大器对其进行方法以便处理。d、频率法。这种方法将电导率转化成与之成正比的频率信号，可以用电阻-频率变换电路，或采用时基电路与电导电极传感器构成谐振电路，将电导率转化为频率信号，电极作为振荡电路的一部分，这种方式可实现高精度远距离传输，结构简单。
温度对溶液电导率的精确测量有很大的影响，所以国内外学者的还有一个重要的研究领域就是温度补偿。目前国内外已经市场化的电导率测量仪产品主要使用的温度补偿方法有三种[10,11]：a、样品恒温法。将被测量的溶液恒温到25℃，得到基准温度下的电导率。恒温法原理简单，但所需实验设备昂贵。b、手动温度补偿法。在电导率测量仪器上安装手动温度补偿装置。已使用此方法的产品型号有日本的CM-58型和国产的DDS-304型。c、自动温度补偿。通过温度测量元件使用算法自动计算出一个补偿值，该方法电路简单，但算法比较复杂。已使用此方法的产品型号有英国的KENT52型和国产的DDG-302型。
目前最先进的方法是自动温度补偿法[12]，精确的测量电导率和温度后，拟合出经验公式，充分利用微处理器强大的运算功能实现软件温度补偿。
1.3 电导率测量的发展方向
近年来，随着集成电路的高速发展，出现了ARM、DSP等高速数字信号微处理器。一方面，高速微控制器优秀的存储和计算能力，使得人们可以采用软件的方案，建立起电导率和某些参数的数学关系，基于最优估计和神经网络等自适应方法，通过算法计算代替一部分直接测量节点，不但可以消除各个环节的误差和干扰，提高仪表测量的精度，又节约了生产成本。另一方面，高速控制器的强大数据处理能力和丰富的片上资源引导着测量仪器向小型化、模块化、网络化、智能化发展。随着计算机和网络技术的飞速发展使得嵌入式测量仪器结合Internet技术成了一种必然趋势。嵌入式web服务器[13]正是应用嵌入式Internet技术实现远程监控的一种高性能、低成本的网络设备。
1.4 课题的主要任务
国内外对电导率测量仪器的研究做出了很大的贡献，效果显著。但是以目前来看，电导率的测量仍然还存在着一下的不足：a、测量精度低。主要是因为电极在测量的过程中是一个很复杂的化学反应，要完全消除极化效应和电容效应的影响还比较难；b、测量电路要求较高。采样电路最为明显，复杂的采样电路很容易引入外界误差；c、功能单一。显示单一，难以存储大量数据；d、网络化程度低。网络化是未来的大势所趋，传统的仪器仪表不具备网络传输数据功能。
本文总结了电导率仪的现状，顺应电导率测量仪器发展潮流，根据目前的技术状态，并且充分考虑实用性和经济性的基础上提出。利用德州仪器MSP430微控制器的丰富内部资源，综合各个方面影响测量精度的因素，设计了一款基于双频法的电导率测量仪，主要完成内容包括：
（1）研究电导率测量的众多方法和双频测定法的优点；
（2）设计测量电导率硬件电路；
（3）设计仪表的软件，优化算法，提高程序运行效率，提高精度；
（4）参照技术指标对研制的仪器进行性能分析；
（5）总结课题成果，分析不足，展望未来的改进。
第二章 电导率测量原理
2.1 电导率基本概述
2.1.1 溶液的电导与电导率
溶液[14]的准确定义，是一种或多种物质以分子，原子或离子的分散状态与另一种物质构成均匀、稳定的系统。显然，这种系统必须满足以下条件：1、系统必须具有至少两种物质，即溶质和溶剂，水是最容易得到的无机溶剂之一；2、该系统必须是均匀的（单相）。溶质颗粒要小，只能是分子或微粒比分子更小；3、外部条件不变时，溶液是稳定的。
水是最常用的溶剂。下面分析水的物理和化学特性，这样可以帮助我们对水溶液性质的认识。纯水是一种无色、无味、无臭的液体。水的电容率是与溶液电导成比例的。我们知道在国际单位制（SI）中，电容率 等于真空电容率 同相对电容率 的乘积，即 。真空中两离子间库仑力F的大小，与离子电荷 、 的乘积成正比，与离子间的距离r的平方成反比，因此真空电容率可以通过下式求得：
(2.1)
在SI中， 。如果把相同的两离子溶于水，那么两离子的库仑力F为：
(2.2)
令 ，则把 称为电解质的电容率[15]。水的电容率是所有溶液中最大的。水的电容率是一个与温度有关的量，当温度升高电容率降低。
水的电容率非常高，因此使得水变成重要的溶剂。溶质放入水中会使水发生离解，并且使水的导电能力发生明显的变化。随着电解质不同，溶液的导电能力相差的也比较大。导电能力强的，称为强电解质，比如说强碱、强酸和大多数盐类都属于强电解质；反之导电能力弱的，称为弱电解质。
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