基于MCGS组态软件的电导率测量系统设计
基于MCGS组态软件的电导率测量系统设计[20191215183801]
摘 要
目前，电导率仪广泛运用于环境监测、工业流程医药卫生、科学研究和产品质量检验过程。随着监测仪器的广泛运用，特别是工控中大量运用到实时监测系统，实时监测仪表仪器的地位就更加突显。
本文课题是基于MCGS组态软件的电导率测量系统设计。本课题对如何在MCGS中实时显示溶液的电导率值做出了详细研究，提出了以单片机MSP430F4783为核心的下位机测量系统和以MCGS为核心的上位机显示系统方案。设计了一块围绕着单片机为核心的具有正弦激励、电导率测量、信号放大、有效值转换、温度补偿和通信功能的电路板。编写了正弦激励，AD采集，参数计算和Modbus通信协议程序。经过测试，使系统达到了实时通信，实时收集数据，并在MCGS触摸屏上能实时处理，存储和显示的效果。
本课题综合运用了传感器技术、自动控制技术、计算机技术和通信技术。经过下位机各个电路模块的处理并通过单片机的数据处理，然后将数据发送至MCGS屏做实时显示，实现了本课题基于MCGS组态软件实时测量电导率的目的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:MCGS组态软件电导率单片机
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题来源及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3电导率仪需求分析 2
1.4课题主要任务 3
第二章 电导率测量仪的原理及总体设计 4
2.1电导率仪测量研究 4
2.1.1电导率概念 4
2.1.2 主流电导率测量方法 4
2.2抑制分布电容双频法测量原理 7
2.3基于MCGS的电导率仪总体设计 10
2.4本章小结 10
第三章 电导率测量仪硬件设计 12
3.1硬件系统功能及总体设计 12
3.2信号产生模块 12
3.3信号处理模块设计 13
3.3.1信号放大模块设计 13
3.3.2有效值测量模块设计 14
3.3.3单片机最小系统设计 15
3.4温度补偿模块设计 16
3.5通信接口模块 16
3.6电源模块设计 17
3.7本章小结 17
第四章 电导率仪软件设计 18
4.1软件系统功能总体设计 18
4.2信号激励程序模块设计 18
4.3AD采集程序设计 24
4.4电导率参数计算程序设计 26
4.5Modbus通信协议程序设计 29
4.6本章小结 34
第五章 MCGS工业屏组态软件设计 35
5.1MCGS组态软件概述 35
5.2用户窗口设计 35
5.2.1人机交互界面设计 35
5.2.2界面跳转及各元素参数设定设计 38
5.3实时数据库设计 40
5.4 MCGS通信设计 41
5.5运行策略模块设计 43
5.6本章小结 44
第六章 系统调试 45
6.1电导率仪硬件调试 45
6.2.1频率产生调试 45
6.2.2串口通信调试 46
6.2系统软件调试 47
6.2.1MCGS TPC7602K工业触摸屏模拟测试 47
6.2.2Modbus数据传输测试 48
6.3整体调试 49
6.4本章小结 50
第七章 总结与展望 51
7.1总结 51
7.2展望 51
参考文献 52
致 谢 54
附图、附录 55
附录一：电导率仪电路整板原理图 55
附录二：电导率仪硬件实物图 56
附录三：MCGS触摸屏显示部分效果图 56
附录四：电导率仪程序： 57
附录五：英文文献翻译 66
英文原文： 66
中文翻译： 76
第一章 绪论
1.1课题来源及意义
近年来经济的发展和社会的进步导致人们对纯净水，药用蒸馏水等各种水体的需求的增加，人们开始关注水体介质的电导率，根据电导率来对水体进行分析和评估，而且在实时和准确度方面有更高的要求。许多国内厂家研究并生产了各种型号的电导率仪，但或多或少有缺点。国外研究有些电导仪器又价格昂贵，大大提高了生产成本，这在工业生产中是不允许的。出于对市场竞争力的考虑，需要研究出一个高性价比，具有相对高精度的实时测量和显示的电导率测量系统。电导仪的进步有利于我国对水体水质的监督和整治，保证人民的生命健康安全；有利于制水单位保证产品质量；有利于提高相关仪表产业的经济效益，扩大国内自主研发仪表在国际上的市场份额。对我国仪表仪器的理论基础有推进作用。现在全球的仪表仪器有着智能化、网络化、集成化、虚拟化的趋势，测量时实现对测量对象的实时监测，处理和记录。
电导率仪是选用溶液和电导之间的关系分析溶液成分，可用于测量酸碱度，也可测出生产溶液中的含盐量，同时也是生产制药和饮用水等水体分析中中必不可少的。在化工、冶金方面、矿产，电导率甚至关系到生产安全，相关生产前测量水体的电导率是至关重要的。电导率仪实时监控着水体质量，关系到生产生活安全和民众健康。
所以在电导率仪在对水体实时监测和测量方面，可以提高化工、火电、制药，制水方面的安全性，提高产品质量，有利于民众的身体健康。
在实时监测方面，采用比较易于上手的工业屏触摸屏MCGSTPC7602K，其内置的各种功能都比较适合电导率仪。触摸屏在人机交互设备中，有着直观，方便操作，耐用等优良的特性，被广泛用于生产生活中。
1.2国内外研究现状
目前，国内外测量电导率的方法有多种。按激励区分，有交流和直流测量之分，但由于直流有极化效应，故多选用交流测量法来测量电导率。交流测量法一般采用正弦或方波激励，通过交流正弦或者方波激励，有效抑制了极化反应。传感器方面多采用两电极或四电极两种方案。四电极有两对电极，一组是电流电极一组是电压电极。国内电导率仪的多采用两电极。国外电导率仪精度相对国内的要高，而国内有在相关领域有成本优势。由于温度影响电导率的测量，需要进行温度补偿。为了统一比较水体质量，25℃为测量电导率的基准值。水的温度不是基准温度时，需要转换为25℃时的电导率。有3种补偿方法：恒温法、手动补偿法和自动温度补偿法。现在最先进的方法是测量精确的电导率和温度，拟合经验公式，然后利用单片机进行温度补偿。
电导率测量方法和发展趋势有以下两点：为解决电极极化反应和电容效应等研究越来越深入；使用单片机，产生可调的信号，替代振荡电路，在单片机中进行数据处理，温度补偿。
随着微处理器的广泛运用，电导率仪发展迅速。国外电导率仪的著名厂家有恒和公司（日本），肯特公司（英国）。国内的厂家有上海雷磁仪表厂和南京分析仪器厂、江苏电分析仪器厂等。相比较，国内仪器在防暴型电导率仪有很大空白，同时也显示出，国内仪表的水平与国外80年代水平持平。
近几年来组态软件的广泛使用使得在仪表仪器也有了更长远的发展，组态软件自身有着操作简便、可视性好、便于维护、高性能等突出优点，便于管理人员的直观、清晰、准确的监测。概念简单，便于理解使用，且功能齐全，便于方案设计，是组态软件的特点。可建立实时数据库，便于用户查询数据，保证系统的稳定性。以下是国内外几个在组态软件[14]领域比较著名的公司。
1、InTouch：Wonderware（万维公司）是工业自动化软件的全球领先供应商。
2、Fix：GE Fanuc 自动化公司提供硬件和软件解决方案，协助用户降低成本，提高效率并增强其盈利能力。
3、世纪星：北京世纪长秋科技有限公司开发。
4、三维力控：北京三维力控科技有限公司开发，核心软件产品初创于1992年。
5、MCGS：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发。
1.3电导率仪需求分析
就目前国内市场来说，各行各业中都或多或少用到电导率仪，市场前景十分广阔。但由于国内产品精度不是很高，测量过于繁琐，无法做到实时显示和上传数据。而国外的仪器进口到国内成本过高，企业无法做到经济效益最大化。所以迫切需要一种能实时测量，实时显示和处理的相对高精度电导率仪。要求做到直观，便于操作，耐用。在国内制药、饮用水、冶金、矿产、火电等领域，它们各自需求又不太相同，在恶劣环境下，要求做到仪器能正常工作，便于技术人员维护和维修。
1.4课题主要任务
课题主要的任务就是研究实时测量并显示的电导率。在测量方面，要求做到实时监测水体质量，精度要有保证，测量将数据处理，上传；在实时显示方面，MCGS要求做到将该显示的电导率，温度，电极常数等实时显示，要求有相应的设置。误差尽量控制在1%左右。主要从激励源的选择、抑制分布电容和温度变化入手。采用交流双频法。通过算法来分析，处理测量数据时，抑制电极两端分布电容，降低对测量精度的影响，达到抑制分布电容的目的。
采用交流驱动电极，避免极化反应。然后，双频率的将电极间的分布电容做为未知量引入计算，防止传统交流计算中分布电容对电导率精度的影响。同时，采用迭代法将计算简化，便于在单片机中编程。
采用二次插值的方法进行温度补偿，编写相关单片机程序，提高仪器的实用性。
第二章 电导率测量仪的原理及总体设计
2.1电导率仪测量研究
2.1.1电导率概念
电导率即物质通电的能力，其值是电阻率的倒数[1]。液体中常用电阻的倒数——电导来反映通电能力的大小。电导率作为衡量水质的重要指标，能反映出水体中电解质的程度。水溶液中电解质浓度不同，溶液的导电能力也同。通过测定溶液电解质浓度分析水质，是目前电导率仪基本原理。
当电流通过导体，会受到阻力作用，即为电阻，用R表示，公式如下式2.1所示。
(式2.1）
式中 为导体有效长度，A位导体有效横截面积；ρ为电阻率（Ω*cm），是导体的电特性参数，当 为1cm，A=1cm2时，如式2.2所示：
(式2.2)
上式2.2适用于任意一种导体，但对于第二类导体电解质溶液，一般用电导和电导率来表示。原因：第一类导体的温度系数为正，即温度升高，电阻率增大，反之则减小；而第二类导体的温度系数是为负，温度升高，电阻率减少，反之增大。采用电导来表示，则第二类导体的温度系数为正。这样，方便计算。由此，电导的表达式如2.3所示：
(式2.3)
式2-3中，G为电导，单位（S）；A是导体有效横截面积；σ是电导率，单位为（Ω*cm）-1或者S/cm。K为点导池常数（cm-1）,它是电导电极两极之间距离 和极片面积A的比值。
2.1.2 主流电导率测量方法
目前国内外电机电导测量方法有很多种，按直流和交流来分可分为两种，直流一般适合一些小型便携式电导仪，它并不适合在工厂使用，因在电导池中，直流电机若长期接入会产生极化反应，改变了溶液原来的电导率；交流测量法在工业测量中经常使用，工作原理如图2.1所示，将稳定的交流源电压E加在电极上，则流过电导池的电流由电导池电阻决定，检测电导池的电流就可以来推算出电导池的电阻，在通过测好两极间的距离和两极的横截面积就可以推算溶液电导率。
摘 要
目前，电导率仪广泛运用于环境监测、工业流程医药卫生、科学研究和产品质量检验过程。随着监测仪器的广泛运用，特别是工控中大量运用到实时监测系统，实时监测仪表仪器的地位就更加突显。
本文课题是基于MCGS组态软件的电导率测量系统设计
本课题综合运用了传感器技术、自动控制技术、计算机技术和通信技术。经过下位机各个电路模块的处理并通过单片机的数据处理，然后将数据发送至MCGS屏做实时显示，实现了本课题基于MCGS组态软件实时测量电导率的目的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:MCGS组态软件电导率单片机
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题来源及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3电导率仪需求分析 2
1.4课题主要任务 3
第二章 电导率测量仪的原理及总体设计 4
2.1电导率仪测量研究 4
2.1.1电导率概念 4
2.1.2 主流电导率测量方法 4
2.2抑制分布电容双频法测量原理 7
2.3基于MCGS的电导率仪总体设计 10
2.4本章小结 10
第三章 电导率测量仪硬件设计 12
3.1硬件系统功能及总体设计 12
3.2信号产生模块 12
3.3信号处理模块设计 13
3.3.1信号放大模块设计 13
3.3.2有效值测量模块设计 14
3.3.3单片机最小系统设计 15
3.4温度补偿模块设计 16
3.5通信接口模块 16
3.6电源模块设计 17
3.7本章小结 17
第四章 电导率仪软件设计 18
4.1软件系统功能总体设计 18
4.2信号激励程序模块设计 18
4.3AD采集程序设计 24
4.4电导率参数计算程序设计 26
4.5Modbus通信协议程序设计 29
4.6本章小结 34
第五章 MCGS工业屏组态软件设计 35
5.1MCGS组态软件概述 35
5.2用户窗口设计 35
5.2.1人机交互界面设计 35
5.2.2界面跳转及各元素参数设定设计 38
5.3实时数据库设计 40
5.4 MCGS通信设计 41
5.5运行策略模块设计 43
5.6本章小结 44
第六章 系统调试 45
6.1电导率仪硬件调试 45
6.2.1频率产生调试 45
6.2.2串口通信调试 46
6.2系统软件调试 47
6.2.1MCGS TPC7602K工业触摸屏模拟测试 47
6.2.2Modbus数据传输测试 48
6.3整体调试 49
6.4本章小结 50
第七章 总结与展望 51
7.1总结 51
7.2展望 51
参考文献 52
致 谢 54
附图、附录 55
附录一：电导率仪电路整板原理图 55
附录二：电导率仪硬件实物图 56
附录三：MCGS触摸屏显示部分效果图 56
附录四：电导率仪程序： 57
附录五：英文文献翻译 66
英文原文： 66
中文翻译： 76
第一章 绪论
1.1课题来源及意义
近年来经济的发展和社会的进步导致人们对纯净水，药用蒸馏水等各种水体的需求的增加，人们开始关注水体介质的电导率，根据电导率来对水体进行分析和评估，而且在实时和准确度方面有更高的要求。许多国内厂家研究并生产了各种型号的电导率仪，但或多或少有缺点。国外研究有些电导仪器又价格昂贵，大大提高了生产成本，这在工业生产中是不允许的。出于对市场竞争力的考虑，需要研究出一个高性价比，具有相对高精度的实时测量和显示的电导率测量系统。电导仪的进步有利于我国对水体水质的监督和整治，保证人民的生命健康安全；有利于制水单位保证产品质量；有利于提高相关仪表产业的经济效益，扩大国内自主研发仪表在国际上的市场份额。对我国仪表仪器的理论基础有推进作用。现在全球的仪表仪器有着智能化、网络化、集成化、虚拟化的趋势，测量时实现对测量对象的实时监测，处理和记录。
电导率仪是选用溶液和电导之间的关系分析溶液成分，可用于测量酸碱度，也可测出生产溶液中的含盐量，同时也是生产制药和饮用水等水体分析中中必不可少的。在化工、冶金方面、矿产，电导率甚至关系到生产安全，相关生产前测量水体的电导率是至关重要的。电导率仪实时监控着水体质量，关系到生产生活安全和民众健康。
所以在电导率仪在对水体实时监测和测量方面，可以提高化工、火电、制药，制水方面的安全性，提高产品质量，有利于民众的身体健康。
在实时监测方面，采用比较易于上手的工业屏触摸屏MCGSTPC7602K，其内置的各种功能都比较适合电导率仪。触摸屏在人机交互设备中，有着直观，方便操作，耐用等优良的特性，被广泛用于生产生活中。
1.2国内外研究现状
目前，国内外测量电导率的方法有多种。按激励区分，有交流和直流测量之分，但由于直流有极化效应，故多选用交流测量法来测量电导率。交流测量法一般采用正弦或方波激励，通过交流正弦或者方波激励，有效抑制了极化反应。传感器方面多采用两电极或四电极两种方案。四电极有两对电极，一组是电流电极一组是电压电极。国内电导率仪的多采用两电极。国外电导率仪精度相对国内的要高，而国内有在相关领域有成本优势。由于温度影响电导率的测量，需要进行温度补偿。为了统一比较水体质量，25℃为测量电导率的基准值。水的温度不是基准温度时，需要转换为25℃时的电导率。有3种补偿方法：恒温法、手动补偿法和自动温度补偿法。现在最先进的方法是测量精确的电导率和温度，拟合经验公式，然后利用单片机进行温度补偿。
电导率测量方法和发展趋势有以下两点：为解决电极极化反应和电容效应等研究越来越深入；使用单片机，产生可调的信号，替代振荡电路，在单片机中进行数据处理，温度补偿。
随着微处理器的广泛运用，电导率仪发展迅速。国外电导率仪的著名厂家有恒和公司（日本），肯特公司（英国）。国内的厂家有上海雷磁仪表厂和南京分析仪器厂、江苏电分析仪器厂等。相比较，国内仪器在防暴型电导率仪有很大空白，同时也显示出，国内仪表的水平与国外80年代水平持平。
近几年来组态软件的广泛使用使得在仪表仪器也有了更长远的发展，组态软件自身有着操作简便、可视性好、便于维护、高性能等突出优点，便于管理人员的直观、清晰、准确的监测。概念简单，便于理解使用，且功能齐全，便于方案设计，是组态软件的特点。可建立实时数据库，便于用户查询数据，保证系统的稳定性。以下是国内外几个在组态软件[14]领域比较著名的公司。
1、InTouch：Wonderware（万维公司）是工业自动化软件的全球领先供应商。
2、Fix：GE Fanuc 自动化公司提供硬件和软件解决方案，协助用户降低成本，提高效率并增强其盈利能力。
3、世纪星：北京世纪长秋科技有限公司开发。
4、三维力控：北京三维力控科技有限公司开发，核心软件产品初创于1992年。
5、MCGS：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发。
1.3电导率仪需求分析
就目前国内市场来说，各行各业中都或多或少用到电导率仪，市场前景十分广阔。但由于国内产品精度不是很高，测量过于繁琐，无法做到实时显示和上传数据。而国外的仪器进口到国内成本过高，企业无法做到经济效益最大化。所以迫切需要一种能实时测量，实时显示和处理的相对高精度电导率仪。要求做到直观，便于操作，耐用。在国内制药、饮用水、冶金、矿产、火电等领域，它们各自需求又不太相同，在恶劣环境下，要求做到仪器能正常工作，便于技术人员维护和维修。
1.4课题主要任务
课题主要的任务就是研究实时测量并显示的电导率。在测量方面，要求做到实时监测水体质量，精度要有保证，测量将数据处理，上传；在实时显示方面，MCGS要求做到将该显示的电导率，温度，电极常数等实时显示，要求有相应的设置。误差尽量控制在1%左右。主要从激励源的选择、抑制分布电容和温度变化入手。采用交流双频法。通过算法来分析，处理测量数据时，抑制电极两端分布电容，降低对测量精度的影响，达到抑制分布电容的目的。
采用交流驱动电极，避免极化反应。然后，双频率的将电极间的分布电容做为未知量引入计算，防止传统交流计算中分布电容对电导率精度的影响。同时，采用迭代法将计算简化，便于在单片机中编程。
采用二次插值的方法进行温度补偿，编写相关单片机程序，提高仪器的实用性。
第二章 电导率测量仪的原理及总体设计
2.1电导率仪测量研究
2.1.1电导率概念
电导率即物质通电的能力，其值是电阻率的倒数[1]。液体中常用电阻的倒数——电导来反映通电能力的大小。电导率作为衡量水质的重要指标，能反映出水体中电解质的程度。水溶液中电解质浓度不同，溶液的导电能力也同。通过测定溶液电解质浓度分析水质，是目前电导率仪基本原理。
当电流通过导体，会受到阻力作用，即为电阻，用R表示，公式如下式2.1所示。
(式2.1）
式中 为导体有效长度，A位导体有效横截面积；ρ为电阻率（Ω*cm），是导体的电特性参数，当 为1cm，A=1cm2时，如式2.2所示：
(式2.2)
上式2.2适用于任意一种导体，但对于第二类导体电解质溶液，一般用电导和电导率来表示。原因：第一类导体的温度系数为正，即温度升高，电阻率增大，反之则减小；而第二类导体的温度系数是为负，温度升高，电阻率减少，反之增大。采用电导来表示，则第二类导体的温度系数为正。这样，方便计算。由此，电导的表达式如2.3所示：
(式2.3)
式2-3中，G为电导，单位（S）；A是导体有效横截面积；σ是电导率，单位为（Ω*cm）-1或者S/cm。K为点导池常数（cm-1）,它是电导电极两极之间距离 和极片面积A的比值。
2.1.2 主流电导率测量方法
目前国内外电机电导测量方法有很多种，按直流和交流来分可分为两种，直流一般适合一些小型便携式电导仪，它并不适合在工厂使用，因在电导池中，直流电机若长期接入会产生极化反应，改变了溶液原来的电导率；交流测量法在工业测量中经常使用，工作原理如图2.1所示，将稳定的交流源电压E加在电极上，则流过电导池的电流由电导池电阻决定，检测电导池的电流就可以来推算出电导池的电阻，在通过测好两极间的距离和两极的横截面积就可以推算溶液电导率。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4987.html
