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摘 要 电导率的测量广泛应用于电厂、制药、纯水处理和工业污水处理中.本文以51单片机为控制核心,对系统的硬件设计进行了分析,并重点对电导率测试部分的软件进行设计,编程采用C语言.所设计的电导率测试仪具有测量精度高、方便携带、成本低等优点.
关 键 词 电导率；测试仪；设计
中图分类号TM6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）78-0122-02
近年来,随着电力、石油化工等行业的工业生产过程自动化与智能化程度的不断提高,水质分析和水质监督工作与设备的安全经济运行、技术进步和环境保护等方面的联系愈加密切,电导率的测量得到了广泛的应用.本文结合实际工业应用特点,以51单片机为控制核心,设计了一款具有测量精度高、方便携带、成本低等优点的电导率测试仪.
1测量原理和系统设计
电导率是以数字表示溶液传导电流的能力.溶液的电导率与其所含无机酸、碱、盐的量有一定的关系,当它们的浓度较低时电导率也较低,电导率随着浓度的增大而增加.电导（G）是电阻（R）的倒数,两个电极插入溶液中,可以测出电极间的电阻R,从而测出电导.电解质溶液的电导率（K）指相距1cm的两平行线电极间充以1cm3溶液时所具有的电导,根据公式G等于1/R等于K*（1/J）以及电极常数（J）就可以测出电导率.
设计中我们采用51系列AT89C51单片机作为控制核心,人机对话部分包括显示、按键、声光报警三部分,采用单片机串口通信.数据采集包括方波发生、电流电压转换和模数转换三部分.在基本功能实现的基础上,还可以加入温度采集模块.
2.硬件设计
我们重点对电导率数据采集部分的电路进行设计,主要分为方波发生、电流电压转换和模数转换三部分.
2.1 方波发生电路
由于直流电压供电会产生介质极化现象,溶液电导率的测量必须采用交流激励进行供电.我们采用双极性脉冲为电导池提供激励（电源信号）,采用高频率的双极化脉冲作为激励源,由于在激励信号的前半个周期和后半个周期,激励电流同值反向,被测系统的介质极化现象就得以削弱.
方波发生电路如图1所示,MC1403为2.5V精密电压基准源,误差范围为25mV,因为输出单一,所以接法简单.2.5V经过射极跟随器到+2.5V电压,另一路2.5V经反向比例,得到-2.5V电压,反向比例增益为1.正负2.5V电压分别接到模拟开关两个通道,模拟开关选用八选一CD4051型.
2.2 电流—电压转换部分
电流-电压转换电路如图2所示,在理想运放条件下,输入电阻Ri等于0,输出电压为-Is*Rf.Rs比Ri大的愈多,转换精度愈高.我们选用OP07实现电流-电压转换,电阻Rf由CD4501根据溶液的电导率选择不同的值.电流信号经过电流电压转换电路,把溶液的电流值转换为电压值.
2.3 模数转换部分
数据采集要用到模数转换,如图3所示,在一些情况下可以V/F考虑利用幅频变换进行AD转换,这种方法也可以得到模拟信号的数字量.TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器.参考电压的低端接地,参考电压高端接VCC即DC5V,分辨率为10位,最小分辨电压为4.8mV,输入信号为0V～5V电压信号,数字量范围0-1023,供单片机处理.
3.软件设计
硬件部分完成后,电导率测试仪功能的实现关键是软件的设计,我们重点对电导率测量部分的程序进行分析,具体程序如下：
4.测量精度测试
为验证设计效果,采用实验板焊接电导率测试硬件电路,用KeiluVision3编译程序,然后把调试通过生成的.hex文件烧写到单片机中.用电导率测试实验电路和赛科品牌的CM-230型电导率仪测量含不同物质水溶液的电导率作对比,如表1所示,测试数据的相对测量精度都在0.38%以下,测量精度较高.
表1 不同溶液电导率测量数据