基于Modbus的电导率测量系统设计
基于Modbus的电导率测量系统设计[20191215172014]
摘 要
随着社会经济的发展，电导率的测量被广泛应用于各个领域。电导率作为一种重要的电化学参数，它已经影响到了人们生活的方方面面，所以对电导率的测量精度提出了更高的要求。
本课题主要研究了对于电解质溶液的电导率测量，针对目前电导率测量普遍精度偏低，无法很好解决交流测量时极板极化等问题，提出了采用双频正弦激励的测量方法，设计了一套基于Modbus的电导率测量系统。系统包括以下几个模块：正弦信号产生模块，A/D采集模块，DGUS触摸屏提供的显示模块，基于Modbus协议数据通信等模块。系统的软件部分包括了单片机的初始化程序、电导率精确测量程序以及Modbus通信协议等部分。经过测试，该系统实现了对电导率的精确测量，并且能够通过串口屏配置电导率测量的电极常数，报警上下限等参数，实现了通过Modbus协议与上位机的通信。
本课题综合运用了自动控制、计算机和通信等技术，实现了对电解质溶液电导率的精确测量，系统达到了自动报警和基于Modbus的智能控制效果。本课题对其他同类课题有着一定的借鉴作用。
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关键字:电导率；双频法；Modbus协议
目录
第一章 绪论 1
1.1 论文选题的来源及意义 1
1.2 国内外相关研究和现状分析 2
1.2.1 电导率测量仪 2
1.2.2 Modbus通信协议 2
1.3 课题的主要任务 3
第二章 电导率测量仪原理及总体设计 4
2.1 电导率基本概述 4
2.1.1电导率和影响电导率的因素 4
2.1.2 电导率测量方法分析 5
2.2 电导率交流测量法研究 6
2.2.1 正弦激励测量方法的研究 6
2.2.2 电导率的温度补偿研究 8
2.2.3 电导率测量仪的总体设计 9
第三章 电导率测量仪硬件设计 10
3.1 单片机最小系统设计 10
3.2 正弦信号产生电路设计 11
3.3 信号放大电路设计 13
3.4 信号采集电路设计 15
3.5 串口通信电路设计 17
第四章 电导率测量仪软件设计 19
4.1 单片机初始化程序设计 19
4.2 正弦信号产生程序设计 21
4.3 信号采集程序设计 24
4.4 触摸屏设计 26
4.4.1 触摸屏界面设计 26
4.4.2 触摸屏通信设计 28
4.5 Modbus协议实现 30
4.5.1 Modbus 数据传输 30
4.5.2 Modbus ASCII报文帧 31
4.5.3 Modbus LRC校验 32
4.5.4 Modbus功能码实现 34
第五章 上位机通信系统设计 36
5.1 人机界面模块设计 36
5.2 用户管理模块设计 37
5.2.1 用户登录模块设计 38
5.2.2 用户信息修改模块设计 40
5.3 串口通信模块设计 41
第六章 系统调试 43
6.1 硬件电路调试过程 43
6.2 软件程序调试过程 44
6.3 Modbus协议的调试 45
第七章 总结与展望 48
7.1 总结 48
7.2 展望 48
参考文献 50
致谢 53
附录一：电导率测量仪电路原理图 54
附录二：电导率测量仪实物图 56
附录三：触摸屏显示的效果图 57
附录四：电导率测量仪部分源程序 59
附录五：英文文献翻译 63
第一章 绪论
1.1 论文选题的来源及意义
电导率测量技术是一块十分重要的工程技术研究领域。电导率的测量广泛应用于工业、农业和医疗事业。《中国药典》2010版对溶液的电导率测量有了新的要求，在原有的用电导率测定替代化学物质等几项检测的基础上又增订了对纯化水、注射用水和灭菌注射用水的电导率的测量，由此可以看出电导率测量的重要性。
通过分析电解质溶液的成份与电导率的关系分析电解质溶液的成分，电导率分析仪表可用于测量酸、碱溶液的浓度，也可以用于测量锅炉和大型发电厂中机组补给水中的含盐成分，同时也是制药过程与饮用水不可或缺的分析仪表[1]。电导率分析仪表同样是化工厂、发电厂、地下探矿、地震预警等方面不可或缺的测量仪，关系到整个生产过程的安全、产品质量的可靠性。
现在的在线电导率仪，电导池大部分都是新的，并且由厂家进行安装调试，问题一般不大，它的准确性比较可靠。原水在经过一系列处理后，进入反渗透主机。反渗透膜组件是主机的水系统反渗透的主要组成部分，水资源的利用率应达到75%左右，剩余的反渗透基准水的温度为25℃左右[1][2]。在安装调试时，厂家工程师会设定一个电导率的检测测量点和测量的量程，通过在线电导率仪测量，在前面一连串的简单的水处理之后，在这个部分进行电导率第二次检测[3]。一般来说，电导率仪工作时间久了，特别是长期浸泡在电导池中，特别容易发生老化。因此出现电导率测量误差，水资源的浪费就会十分明显。目前，世界各国对于水资源都十分重视，所以改进目前的现状显得尤为重要。
在工业方面的控制发展从简单的控制向集中监控和控制发展。Modbus协议是电子控制器上应用的通信语言[3]。通过这个协议，控制器之间通过网络设备和其它各个设备通信。如今已进入网络时代，在线的工业控制器也方便了网络管理。将电导率测量与Modbus有机结合在一起开发出新的产品，将实现实时的电导率测量，并且由Modbus协议进行远程监控，不仅可以提高工农业生产效率，还可以对我国用到类似测量方法的仪器仪表研究提供可参考之处。
1.2 国内外相关研究和现状分析
1.2.1 电导率测量仪
随着计算机、微处理器等一系列高新科学技术得到广泛的应用，电导率测量仪的发展非常之快，国外著名的生产电导率测量仪的制造商有瑞士的梅特勒-托利多公司、美国的哈希公司、日本横河公司等。日本横河yokogawa电导率仪产品系列主要有SC450G型号的电导率测量仪。这个型号的电导率仪有很多特点，比如拥有良好的人机交互界面，并且有较多的功能，而且该款产品的性能可靠。该电导率测量仪能广泛适用于各个种类的水的质量的检测。并且在半导体领域、食品加工业以及工业制造过程的水质监测、制药工程、发电厂等行业的纯水及超纯水的电阻率测量中得到应用中[2]。SC450G拥有的人机界面可以显示日志数据过程，分析数据趋势，并且内置了8中人机交互语言。用户友好的阶段式可以使系统正确运行，提高测量的质量。除此之外，电流信号的HART通信也能在这款电导率测量仪上实现。SC450G可以实现符合USP<645>标准的纯水监视。瑞士梅特勒-托利多公司生产的型号为S40K的电导率测量仪的优点有很多，比如双通道同时测量及显示，自动及手动两种温度补偿方式，补偿温度范围是比较大，在该款电导率测量仪的测量模块中，已经提前配置了符合美国标准的超纯水电导率要求的三种电导率标准溶液，用户可以自己设定电极常数和使用标准液校准。
国内生产电导率测量仪的厂商主要有上海高致精密仪器有限公司、上海益伦环境科技有限公司、成都瑞驰分析控制仪器有限公司等等，相比于国外的高精仪器设备公司，国内的技术还是相对落后的。主要是进口国外的制造技术，生产电导率测量仪，弥补国内在这一领域的空缺。在发展的初始阶段，与国外产品相比，国内产品的精度大大低于国外产品；国内产品不具备在线的通信功能，无法完成实时的监测功能；对环境的适应性较差；温度补偿能力相对较弱，在相对恶劣的环境中无法正常运行。时至今日，国内的制造技术已经接近国外同类仪表的先进水平，但任有一定差距。
1.2.2 Modbus通信协议
Modbus是由莫迪康公司[3]在1979年开发，在工业领域，是世界真正意义上的第一个总线协议。通过Modbus协议，控制器可以经由网络（例如以太网）和其他的设备之间进行通信。它已经成为了一种通用的工业标准。控制设备制造商通过Modbus协议将其生产的产品连接到网络，集中监控[3]。
Modbus目前较多的应用于以下一些领域：程序自动化、工业控制系统、智能建筑、输配电通讯协议和智能仪表等[4]。其中智能仪表的通信协议主要采用的是RTU通讯模式。到目前为止，世界各国已经安装了接近八百万套Modbus串行通信设备和八十万套Modbus的TCP/IP设备。任何一项技术的发展都离不开在工业中的广泛应用，Modbus通信协议也不例外。工业网络的发展从传统的控制网络发展到现场总线技术，然后在发展至今的以以太网为热点的工业网络到未来无限网络的控制。虽然网络在不断的发展与改进，但是未来的工业网络发展任然要考虑通信的实时性，安全性和可靠性，Modbus协议的使用将仍然是一项重点。
1.3 课题的主要任务
结合国内外现在的情况，在电导率测量技术领域还是有一定的提高空间。目前的电导率测量仪确实存在一些共性的问题，比如测量精度较低，因为电导率的测量方法的不同，误差产生的原因也不同，当各种误差集中在一起时，就显的难以处理，无法给出准确电导率测量值。在控制方面，一般的电导率测量仪还是局限于单独的测量仪表，还没有做到与大型的工业网络相连接，无法实现在线实时的网络监控。所以针对以上的各种问题，本课题主要设计了以下几个主要任务：
1．根据实际的需要，在研究现有电导率测量方法的基础上设计出更加合理的测量方法。
2．研究并规划电导率测量仪的各个模块，主要包括信号发生电路、信号收集电路、测量电路，显示电路，串口通信电路。
3．设计仪表所需要的各种软件程序，采用更好的算法，提高电导率测量的精度。
4．系统需要具备网络通信功能，Modbus协议的实现，上位机对下位机的实时监控。
本课题将综合运用信号处理技术、计算机技术和其他各类技术，可以较好地培养分析、解决实际问题的能力，和电路设计、程序设计、系统调试的能力。
第二章 电导率测量仪原理及总体设计
2.1 电导率基本概述
2.1.1电导率和影响电导率的因素
物质根据导电性可以归为三类：导体、半导体和绝缘体。导体按照导电方式可以再次分成两类。第一类为电子型导体，物质内部的自由电子由于外加电场的作用而进行定向的运动从而导电，这类导体的导电能力用电阻来衡量；第二类是导体是离子型导体，物质的导电是依靠离子的定向的移动，这类导体的导电能力用电导来衡量[5]。
电子型导体和离子型导体在施加交流电时是十分相似的，所以溶液的的导电问题同样也可以使用欧姆定律进行处理。电阻使用符号R表示：
(2.1)
其中：ρ表示电阻率（Ω·㎝），与物质本身的性质有关的常数；l表示导体的长度（㎝）；A表示导体的横截面积（ ）。
上述公式是通用公式，但是对于离子型导体（电解质溶液）来说，通常使用电导来表示这个阻力的大小。因为电子导体和离子导体相反的温度系数，所以使用电导——电阻分之一，来代表电导，在实际的运用中也更加方便。电导使用符号G表示：
摘 要
随着社会经济的发展，电导率的测量被广泛应用于各个领域。电导率作为一种重要的电化学参数，它已经影响到了人们生活的方方面面，所以对电导率的测量精度提出了更高的要求。
本课题主要研究了对于电解质溶液的电导率测量，针对目前电导率测量普遍精度偏低，无法很好解决交流测量时极板极化等问题，提出了采用双频正弦激励的测量方法，设计了一套基于Modbus的电导率测量系统。系统包括以下几个模块：正弦信号产生模块，A/D采集模块，DGUS触摸屏提供的显示模块，基于Modbus协议数据通信等模块。系统的软件部分包括了单片机的初始化程序、电导率精确测量程序以及Modbus通信协议等部分。经过测试，该系统实现了对电导率的精确测量，并且能够通过串口屏配置电导率测量的电极常数，报警上下限等参数，实现了通过Modbus协议与上位机的通信。
本课题综合运用了自动控制、计算机和通信等技术，实现了对电解质溶液电导率的精确测量，系统达到了自动报警和基于Modbus的智能控制效果。本课题对其他同类课题有着一定的借鉴作用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电导率；双频法；Modbus协议
目录
第一章 绪论 1
1.1 论文选题的来源及意义 1
1.2 国内外相关研究和现状分析 2
1.2.1 电导率测量仪 2
1.2.2 Modbus通信协议 2
1.3 课题的主要任务 3
第二章 电导率测量仪原理及总体设计 4
2.1 电导率基本概述 4
2.1.1电导率和影响电导率的因素 4
2.1.2 电导率测量方法分析 5
2.2 电导率交流测量法研究 6
2.2.1 正弦激励测量方法的研究 6
2.2.2 电导率的温度补偿研究 8
2.2.3 电导率测量仪的总体设计 9
第三章 电导率测量仪硬件设计 10
3.1 单片机最小系统设计 10
3.2 正弦信号产生电路设计 11
3.3 信号放大电路设计 13
3.4 信号采集电路设计 15
3.5 串口通信电路设计 17
第四章 电导率测量仪软件设计 19
4.1 单片机初始化程序设计 19
4.2 正弦信号产生程序设计 21
4.3 信号采集程序设计 24
4.4 触摸屏设计 26
4.4.1 触摸屏界面设计 26
4.4.2 触摸屏通信设计 28
4.5 Modbus协议实现 30
4.5.1 Modbus 数据传输 30
4.5.2 Modbus ASCII报文帧 31
4.5.3 Modbus LRC校验 32
4.5.4 Modbus功能码实现 34
第五章 上位机通信系统设计 36
5.1 人机界面模块设计 36
5.2 用户管理模块设计 37
5.2.1 用户登录模块设计 38
5.2.2 用户信息修改模块设计 40
5.3 串口通信模块设计 41
第六章 系统调试 43
6.1 硬件电路调试过程 43
6.2 软件程序调试过程 44
6.3 Modbus协议的调试 45
第七章 总结与展望 48
7.1 总结 48
7.2 展望 48
参考文献 50
致谢 53
附录一：电导率测量仪电路原理图 54
附录二：电导率测量仪实物图 56
附录三：触摸屏显示的效果图 57
附录四：电导率测量仪部分源程序 59
附录五：英文文献翻译 63
第一章 绪论
1.1 论文选题的来源及意义
电导率测量技术是一块十分重要的工程技术研究领域。电导率的测量广泛应用于工业、农业和医疗事业。《中国药典》2010版对溶液的电导率测量有了新的要求，在原有的用电导率测定替代化学物质等几项检测的基础上又增订了对纯化水、注射用水和灭菌注射用水的电导率的测量，由此可以看出电导率测量的重要性。
通过分析电解质溶液的成份与电导率的关系分析电解质溶液的成分，电导率分析仪表可用于测量酸、碱溶液的浓度，也可以用于测量锅炉和大型发电厂中机组补给水中的含盐成分，同时也是制药过程与饮用水不可或缺的分析仪表[1]。电导率分析仪表同样是化工厂、发电厂、地下探矿、地震预警等方面不可或缺的测量仪，关系到整个生产过程的安全、产品质量的可靠性。
现在的在线电导率仪，电导池大部分都是新的，并且由厂家进行安装调试，问题一般不大，它的准确性比较可靠。原水在经过一系列处理后，进入反渗透主机。反渗透膜组件是主机的水系统反渗透的主要组成部分，水资源的利用率应达到75%左右，剩余的反渗透基准水的温度为25℃左右[1][2]。在安装调试时，厂家工程师会设定一个电导率的检测测量点和测量的量程，通过在线电导率仪测量，在前面一连串的简单的水处理之后，在这个部分进行电导率第二次检测[3]。一般来说，电导率仪工作时间久了，特别是长期浸泡在电导池中，特别容易发生老化。因此出现电导率测量误差，水资源的浪费就会十分明显。目前，世界各国对于水资源都十分重视，所以改进目前的现状显得尤为重要。
在工业方面的控制发展从简单的控制向集中监控和控制发展。Modbus协议是电子控制器上应用的通信语言[3]。通过这个协议，控制器之间通过网络设备和其它各个设备通信。如今已进入网络时代，在线的工业控制器也方便了网络管理。将电导率测量与Modbus有机结合在一起开发出新的产品，将实现实时的电导率测量，并且由Modbus协议进行远程监控，不仅可以提高工农业生产效率，还可以对我国用到类似测量方法的仪器仪表研究提供可参考之处。
1.2 国内外相关研究和现状分析
1.2.1 电导率测量仪
随着计算机、微处理器等一系列高新科学技术得到广泛的应用，电导率测量仪的发展非常之快，国外著名的生产电导率测量仪的制造商有瑞士的梅特勒-托利多公司、美国的哈希公司、日本横河公司等。日本横河yokogawa电导率仪产品系列主要有SC450G型号的电导率测量仪。这个型号的电导率仪有很多特点，比如拥有良好的人机交互界面，并且有较多的功能，而且该款产品的性能可靠。该电导率测量仪能广泛适用于各个种类的水的质量的检测。并且在半导体领域、食品加工业以及工业制造过程的水质监测、制药工程、发电厂等行业的纯水及超纯水的电阻率测量中得到应用中[2]。SC450G拥有的人机界面可以显示日志数据过程，分析数据趋势，并且内置了8中人机交互语言。用户友好的阶段式可以使系统正确运行，提高测量的质量。除此之外，电流信号的HART通信也能在这款电导率测量仪上实现。SC450G可以实现符合USP<645>标准的纯水监视。瑞士梅特勒-托利多公司生产的型号为S40K的电导率测量仪的优点有很多，比如双通道同时测量及显示，自动及手动两种温度补偿方式，补偿温度范围是比较大，在该款电导率测量仪的测量模块中，已经提前配置了符合美国标准的超纯水电导率要求的三种电导率标准溶液，用户可以自己设定电极常数和使用标准液校准。
国内生产电导率测量仪的厂商主要有上海高致精密仪器有限公司、上海益伦环境科技有限公司、成都瑞驰分析控制仪器有限公司等等，相比于国外的高精仪器设备公司，国内的技术还是相对落后的。主要是进口国外的制造技术，生产电导率测量仪，弥补国内在这一领域的空缺。在发展的初始阶段，与国外产品相比，国内产品的精度大大低于国外产品；国内产品不具备在线的通信功能，无法完成实时的监测功能；对环境的适应性较差；温度补偿能力相对较弱，在相对恶劣的环境中无法正常运行。时至今日，国内的制造技术已经接近国外同类仪表的先进水平，但任有一定差距。
1.2.2 Modbus通信协议
Modbus是由莫迪康公司[3]在1979年开发，在工业领域，是世界真正意义上的第一个总线协议。通过Modbus协议，控制器可以经由网络（例如以太网）和其他的设备之间进行通信。它已经成为了一种通用的工业标准。控制设备制造商通过Modbus协议将其生产的产品连接到网络，集中监控[3]。
Modbus目前较多的应用于以下一些领域：程序自动化、工业控制系统、智能建筑、输配电通讯协议和智能仪表等[4]。其中智能仪表的通信协议主要采用的是RTU通讯模式。到目前为止，世界各国已经安装了接近八百万套Modbus串行通信设备和八十万套Modbus的TCP/IP设备。任何一项技术的发展都离不开在工业中的广泛应用，Modbus通信协议也不例外。工业网络的发展从传统的控制网络发展到现场总线技术，然后在发展至今的以以太网为热点的工业网络到未来无限网络的控制。虽然网络在不断的发展与改进，但是未来的工业网络发展任然要考虑通信的实时性，安全性和可靠性，Modbus协议的使用将仍然是一项重点。
1.3 课题的主要任务
结合国内外现在的情况，在电导率测量技术领域还是有一定的提高空间。目前的电导率测量仪确实存在一些共性的问题，比如测量精度较低，因为电导率的测量方法的不同，误差产生的原因也不同，当各种误差集中在一起时，就显的难以处理，无法给出准确电导率测量值。在控制方面，一般的电导率测量仪还是局限于单独的测量仪表，还没有做到与大型的工业网络相连接，无法实现在线实时的网络监控。所以针对以上的各种问题，本课题主要设计了以下几个主要任务：
1．根据实际的需要，在研究现有电导率测量方法的基础上设计出更加合理的测量方法。
2．研究并规划电导率测量仪的各个模块，主要包括信号发生电路、信号收集电路、测量电路，显示电路，串口通信电路。
3．设计仪表所需要的各种软件程序，采用更好的算法，提高电导率测量的精度。
4．系统需要具备网络通信功能，Modbus协议的实现，上位机对下位机的实时监控。
本课题将综合运用信号处理技术、计算机技术和其他各类技术，可以较好地培养分析、解决实际问题的能力，和电路设计、程序设计、系统调试的能力。
第二章 电导率测量仪原理及总体设计
2.1 电导率基本概述
2.1.1电导率和影响电导率的因素
物质根据导电性可以归为三类：导体、半导体和绝缘体。导体按照导电方式可以再次分成两类。第一类为电子型导体，物质内部的自由电子由于外加电场的作用而进行定向的运动从而导电，这类导体的导电能力用电阻来衡量；第二类是导体是离子型导体，物质的导电是依靠离子的定向的移动，这类导体的导电能力用电导来衡量[5]。
电子型导体和离子型导体在施加交流电时是十分相似的，所以溶液的的导电问题同样也可以使用欧姆定律进行处理。电阻使用符号R表示：
(2.1)
其中：ρ表示电阻率（Ω·㎝），与物质本身的性质有关的常数；l表示导体的长度（㎝）；A表示导体的横截面积（ ）。
上述公式是通用公式，但是对于离子型导体（电解质溶液）来说，通常使用电导来表示这个阻力的大小。因为电子导体和离子导体相反的温度系数，所以使用电导——电阻分之一，来代表电导，在实际的运用中也更加方便。电导使用符号G表示：
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