張媛媛，羅益民，邵 鈴

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

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基于C8051F單片機(jī)的智能電導(dǎo)率分析儀的研制

張媛媛，羅益民，邵 鈴

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

介紹了基于C8051F021單片機(jī)電導(dǎo)率表的測(cè)量原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和通訊方式。儀表采用脈寬可調(diào)的雙極性脈沖電壓作為電導(dǎo)率測(cè)量的激勵(lì)源，消除了介極化現(xiàn)象，減小了電容效應(yīng)帶來(lái)的誤差。此方法可以提高測(cè)量精度，簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)部分對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，完成了數(shù)據(jù)的軟件補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度。

電導(dǎo)率;C8051F021;脈寬可調(diào)的雙極性脈沖電壓;最小二乘原理

1 測(cè)量原理及方法

電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力可以用電導(dǎo)和電導(dǎo)率來(lái)表示(電導(dǎo)和電阻為倒數(shù)關(guān)系)。其公式如下：

G=1/R=A/(ρL)=σ/K

(1)

σ=Κ/R=KI/U=KG

(2)

式中：G為溶液的電導(dǎo)，S；K為電導(dǎo)池常數(shù)，m-1，K是兩電極間的距離L與導(dǎo)體的有效橫截面積A的比值；σ為電導(dǎo)率，S·m-1。

影響水溶液電導(dǎo)率測(cè)量的因素有：溫度、極化效應(yīng)和電容效應(yīng)。通過(guò)提高激勵(lì)源頻率及采用交流激勵(lì)源等方法，可以近似認(rèn)為消除極化效應(yīng)的影響。而電容效應(yīng)研究如下：通過(guò)分析并進(jìn)行簡(jiǎn)化得到電導(dǎo)池的等效電路，如圖1(a)所示。CX為極化效應(yīng)產(chǎn)生的電容，CP為連接電纜的分布電容和極間電容，RX為介質(zhì)電阻，通常情況下CX(μF級(jí))≥CP(pF級(jí))[1]。在高電導(dǎo)率(低阻)溶液測(cè)量時(shí)，CX影響明顯，提高測(cè)量頻率可減小誤差。在低電導(dǎo)率(高阻)溶液測(cè)量時(shí)，CP為誤差的主要原因，測(cè)量頻率高反而增大誤差。因此，為了降低測(cè)量誤差，應(yīng)根據(jù)情況選擇合適的激勵(lì)源頻率。在測(cè)量高阻溶液時(shí)，可以簡(jiǎn)化電路模型，如圖1(b)所示。

(a)電導(dǎo)池

(b)高阻溶液電導(dǎo)池

通過(guò)上述分析，本文提出了新的測(cè)量方法：設(shè)計(jì)激勵(lì)源為雙極性脈沖電壓，其頻率可調(diào)。通過(guò)單片機(jī)控制采樣時(shí)間，在輸出的電壓信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行采樣。對(duì)正負(fù)半周期的相同時(shí)間點(diǎn)分別采樣，得到的平均值作為一次測(cè)量值，可以消除系統(tǒng)誤差。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度和采樣點(diǎn)，作多次測(cè)量，當(dāng)測(cè)量值穩(wěn)定時(shí)可以認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)，測(cè)量誤差最小。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率表主要由C8051F021單片機(jī)、雙極性脈沖激勵(lì)源發(fā)生電路、電導(dǎo)和溫度測(cè)量電路、信號(hào)調(diào)理和采集電路、RS485通訊接口、人機(jī)界面等部分組成。系統(tǒng)工作原理是：激勵(lì)源電路產(chǎn)生脈寬可調(diào)的雙極性脈沖方波電壓加到電極兩端，流經(jīng)電導(dǎo)池的電流經(jīng)過(guò)后續(xù)運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓信號(hào)送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到電導(dǎo)率值。溫度測(cè)量電路輸出信號(hào)經(jīng)放大濾波處理后，送入單片機(jī)，通過(guò)軟件完成溫度補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，顯示溫度值。最后將數(shù)值輸出到液晶屏幕顯示。通訊模塊通過(guò)RS485接口與上位機(jī)通訊。硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 微處理器

為了滿足儀表的設(shè)計(jì)功能，選擇了C8051F021單片機(jī)，其性能遠(yuǎn)高于51單片機(jī)，集成度高，功能強(qiáng)大，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片。其采用流水線處理技術(shù)，指令執(zhí)行速度快；芯片內(nèi)置的8路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以滿足信號(hào)采集的精度要求；內(nèi)置的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器可以滿足激勵(lì)源電路的控制方波的編程要求。同時(shí)芯片具備多種總線接口以及控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)。芯片具有運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)空間大、調(diào)試方便、工作溫度范圍廣等多種優(yōu)點(diǎn)。因此，C8051F021單片機(jī)可以簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，縮小儀表體積，提高儀表的智能度，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[2]。

3.2 雙極性脈沖激勵(lì)源電路

為了減少極化現(xiàn)象對(duì)測(cè)量的影響，傳統(tǒng)的交流激勵(lì)源方式需要復(fù)雜的后續(xù)調(diào)理電路。本文采用的脈寬可變的雙極性脈沖方波簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。激勵(lì)源的設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格，要求雙極性脈沖方波的占空比為50%，正負(fù)脈沖幅值要相同。因此采用了2個(gè)三端集成穩(wěn)壓器(78L05為正電壓輸出穩(wěn)壓電源，79L05為負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓電源)組成信號(hào)發(fā)生器。三端集成穩(wěn)壓器帶內(nèi)部熱過(guò)載保護(hù)電路，無(wú)需外接元件、性能良好、性價(jià)比高。正負(fù)電源的切換選用模擬開(kāi)關(guān)MAX305，由單片機(jī)C8051F021產(chǎn)生頻率控制信號(hào)，控制模擬電子開(kāi)關(guān)MAX305按時(shí)對(duì)正負(fù)電壓源切換，這樣，就可以產(chǎn)生雙極性脈沖激勵(lì)源。脈沖寬度的調(diào)節(jié)可以通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器T0編程控制。

3.3 溫度測(cè)量電路

測(cè)溫電路選擇的溫度傳感器為鉑熱電阻Pt100(測(cè)量范圍為0～100 ℃，分辨率為±0.1 ℃),其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好，在工業(yè)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。測(cè)溫電路主要設(shè)計(jì)方案選擇的是三線制不平衡電橋電路，Pt100用3根導(dǎo)線引致測(cè)溫電路。電橋電路由Pt100，R1、R2、R3構(gòu)成，其中R1=R2，R3=100 Ω。為了消除Pt100的引線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，將其2根等長(zhǎng)度導(dǎo)線的內(nèi)阻分別串入電橋兩側(cè)的橋臂R1、R2上。 電橋電路輸出電壓差信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。溫度測(cè)量電路如圖3所示。

圖3 測(cè)溫電路

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)儀器測(cè)量的精確性和實(shí)時(shí)性有著直接的影響，這主要是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的精度和轉(zhuǎn)換速率來(lái)體現(xiàn)的。本儀表中單片機(jī)選用了C8051F021，該芯片內(nèi)置了一個(gè)8通道12位逐次逼近式ADC，它包括一個(gè)9通道輸入的多路選擇開(kāi)關(guān)和可編程的增益放大器。其最大采樣速率為100 KSPS，積分非線性度為±1 LSB。理論上可使溫度的測(cè)量精度達(dá)到0.029 3 ℃，電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)換精度達(dá)到2.441 μS/cm，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。ADC的編程設(shè)置主要有：參考電壓設(shè)置、使能ADC、設(shè)置啟動(dòng)方式、設(shè)定數(shù)據(jù)對(duì)齊、配置并選擇通道、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的設(shè)定、增益設(shè)定、檢測(cè)上下限設(shè)定、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3.5 通訊模塊

為了實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率表與上位機(jī)通訊，本系統(tǒng)配置了異步串行數(shù)據(jù)總線RS485通訊接口。RS485為半雙工接口，通訊距離長(zhǎng)，符合工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)。其通訊使用Modbus協(xié)議，通訊方式為主從式，允許1臺(tái)主設(shè)備和多臺(tái)從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。Modbus有ASCII和RTU兩種通訊模式，為了傳送更多數(shù)據(jù)，提高通訊速度，本設(shè)計(jì)中選用了RTU(遠(yuǎn)程終端單元)模式。每個(gè)RTU信息幀數(shù)據(jù)包含從機(jī)地址、命令字、數(shù)據(jù)字、校驗(yàn)碼等十六進(jìn)制信息。

電導(dǎo)率表與上位機(jī)通過(guò)RS485接口進(jìn)行Modbus通信時(shí)，電導(dǎo)率表通過(guò)UART中斷接收數(shù)據(jù)，再送入收幀處理程序進(jìn)行地址信息判斷，若地址相符，則進(jìn)行CRC校驗(yàn)(校驗(yàn)碼為循環(huán)冗余法)，否則忽略。若CRC校驗(yàn)正確，則讀取命令字，并根據(jù)不同功能代碼進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)等數(shù)據(jù)處理，然后生成返回幀發(fā)回給上位機(jī)；若CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則生成報(bào)錯(cuò)幀。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編制，將編程模塊化，主要程序包括初始化程序、電導(dǎo)和溫度測(cè)量子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、液晶顯示子程序以及通信處理子程序等。

4.1 采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波

(3)

4.2 最小二乘法原理

(4)

殘差的平方和為

(5)

(6)

由式(4)和式(5)可得

(7)

則可知:

(8)

殘差vi的平方和為最小值可以推出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差都為最小值，由此說(shuō)明測(cè)量數(shù)據(jù)的離散度也是最小值，保證了測(cè)量精度。基于最小二乘原理的數(shù)據(jù)處理方法在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，也是解決最佳擬合與回歸問(wèn)題的有效方法[3]。

4.3 溫度補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)

由于Pt100鉑熱電阻通過(guò)測(cè)量電阻變化得到溫度，兩者不能構(gòu)成線性函數(shù)關(guān)系，單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到數(shù)值后需進(jìn)行大量計(jì)算，進(jìn)行復(fù)雜的軟件編程，消耗很多資源，減慢了運(yùn)行速度。因此建立溫度-電阻的數(shù)學(xué)模型可以提高儀表的性能，本文采用的方法是通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性擬合。

在0～650 ℃范圍內(nèi)，Pt100阻值-溫度的關(guān)系式為

R=R0(1+At+Bt2)

(9)

式中：A、B為常數(shù)；R0=100 Ω (即0 ℃時(shí)的阻值);R為溫度t時(shí)的阻值。

利用直線擬合法可以分階段近似表達(dá)上述的二階多項(xiàng)式。常用溫度范圍0～100 ℃。因此將0～100 ℃劃分為0～50 ℃ 、50～70 ℃ 、70～100 ℃3段,分別對(duì)各溫度段進(jìn)行直線擬合 ,得到溫度-電阻的數(shù)學(xué)關(guān)系模型：

(10)

3個(gè)模型精度都高于±0.1 ℃，滿足儀表的測(cè)量要求[4]。

4.4 電導(dǎo)測(cè)量的軟件補(bǔ)償

電導(dǎo)率表作為測(cè)量?jī)x器，必然受系統(tǒng)誤差、元件參數(shù)誤差、環(huán)境誤差等各因素的影響，因此導(dǎo)致測(cè)量值與真值偏離，可以對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件校正提高精度。通過(guò)測(cè)量1組標(biāo)準(zhǔn)電阻(范圍為100 Ω～10 MΩ)，得到測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘原理用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到了4個(gè)檔位的標(biāo)定模型[5]：

Y=1.025X-0.529 1

(11)

Y=0.989 7X-2.553

(12)

Y=0.989X-3.573

(13)

Y=0.558 3X+1 109

(14)

式中：X為測(cè)量電阻值；Y為經(jīng)擬合模型處理后的最終電阻值。

該驗(yàn)表明經(jīng)過(guò)軟件補(bǔ)償后測(cè)量精度提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型電導(dǎo)率表，激勵(lì)源為頻率可調(diào)的雙極性電壓脈沖。根據(jù)具體的溶液選擇合適的激勵(lì)源頻率，最大限度地減小了極化效應(yīng)和電容效應(yīng)引起的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。同時(shí)軟件部分利用最小二乘原理進(jìn)行了電導(dǎo)和溫度測(cè)量的軟件補(bǔ)償。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、通訊方便、精度可達(dá)1%，可以用于各類(lèi)電導(dǎo)率的測(cè)量場(chǎng)合，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 賈科進(jìn)，張效瑋，林波，等．基于單片機(jī) M SC1210的智能電導(dǎo)率在線測(cè)量?jī)x．自動(dòng)化儀表，2007，28(5)：43- 46．

[2] 徐品政，羅益民．新型污垢熱阻在線監(jiān)測(cè)儀的研制．自動(dòng)化儀表，2011，32(8)：81- 84．

[3] 常健生．檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：25-29．

[4] 張修太,胡雪惠,翟亞芳,等.基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010,23(6)：812-815.

[5] 陳志永．自動(dòng)換檔水電導(dǎo)率儀的研制：[學(xué)位論文]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2004.

Development of Intelligent Electrical Conductivity Analyzer Based on C8051F MCU

ZHANG Yuan-yuan,LUO Yi-min,SHAO Ling

(School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology ,Nanjing 211816,China)

The new conductivity instrument based on C8051F021 single-chip was introduced.Its measuring principle,hardware structure,software design,and communication method were discussed.Instrument adopted width adjustable bipolar pulse voltage as its exciting source,eliminated the dielectric polarization phenomenon and reduced the error brought about by the capacitance effect.This method can improve the measurement accuracy,and simplify the design of hardware circuit.Software design part introduced the linear fitting of measurement data and completed software compensation of the data,which can improve the accuracy of measurement.

conductivity;C8051F021;width adjustable bipolar pulse voltage;principle of least square

2014-04-13 收修改稿日期：2014-12-28

TP216

A

1002-1841(2015)04-0033-03

張媛媛(1984—)，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄芄I(yè)儀表的研制,工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)冷卻水相關(guān)檢測(cè)。 E-mail：fengye_511@163.com 羅益民(1958—)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)儀器的研發(fā)及應(yīng)用，水處理專(zhuān)用設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用。 E-mail:luoyimin1234@126.com