顧 涵，龐 盼，張俊龍，方衛(wèi)娟，李春燕

常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇常熟 215500

近年來(lái)，隨著電力、石油化工等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化與智能化程度的不斷提高，水質(zhì)分析和水質(zhì)監(jiān)督工作與設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、技術(shù)進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)等方面的聯(lián)系愈加密切，電導(dǎo)率的測(cè)量得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)際工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，以51單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一款具有測(cè)量精度高、方便攜帶、成本低等優(yōu)點(diǎn)的電導(dǎo)率測(cè)試儀。

1 測(cè)量原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率是以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力。溶液的電導(dǎo)率與其所含無(wú)機(jī)酸、堿、鹽的量有一定的關(guān)系，當(dāng)它們的濃度較低時(shí)電導(dǎo)率也較低，電導(dǎo)率隨著濃度的增大而增加。電導(dǎo)（G）是電阻（R）的倒數(shù)，兩個(gè)電極插入溶液中，可以測(cè)出電極間的電阻R，從而測(cè)出電導(dǎo)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率（K）指相距1cm的兩平行線電極間充以1cm3溶液時(shí)所具有的電導(dǎo)，根據(jù)公式G=1/R=K*(1/J)以及電極常數(shù)（J）就可以測(cè)出電導(dǎo)率。

設(shè)計(jì)中我們采用51系列AT89C51單片機(jī)作為控制核心，人機(jī)對(duì)話部分包括顯示、按鍵、聲光報(bào)警三部分，采用單片機(jī)串口通信。數(shù)據(jù)采集包括方波發(fā)生、電流電壓轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換三部分。在基本功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，還可以加入溫度采集模塊。

2 硬件設(shè)計(jì)

我們重點(diǎn)對(duì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集部分的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要分為方波發(fā)生、電流電壓轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換三部分。

2.1 方波發(fā)生電路

圖1 方波發(fā)生電路

由于直流電壓供電會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)極化現(xiàn)象，溶液電導(dǎo)率的測(cè)量必須采用交流激勵(lì)進(jìn)行供電。我們采用雙極性脈沖為電導(dǎo)池提供激勵(lì)（電源信號(hào)），采用高頻率的雙極化脈沖作為激勵(lì)源，由于在激勵(lì)信號(hào)的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期，激勵(lì)電流同值反向，被測(cè)系統(tǒng)的介質(zhì)極化現(xiàn)象就得以削弱。

方波發(fā)生電路如圖1所示，MC1403為2.5V精密電壓基準(zhǔn)源，誤差范圍為25mV，因?yàn)檩敵鰡我唬越臃ê?jiǎn)單。2.5V經(jīng)過(guò)射極跟隨器到+2.5V電壓，另一路2.5V經(jīng)反向比例，得到-2.5V電壓，反向比例增益為1。正負(fù)2.5V電壓分別接到模擬開關(guān)兩個(gè)通道，模擬開關(guān)選用八選一CD4051型。

2.2 電流—電壓轉(zhuǎn)換部分

圖2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻Ri=0，輸出電壓為-Is*Rf。Rs比Ri大的愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。我們選用OP07實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，電阻Rf由CD4501根據(jù)溶液的電導(dǎo)率選擇不同的值。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，把溶液的電流值轉(zhuǎn)換為電壓值。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

圖3 AD-TCL549模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)采集要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換，如圖3所示，在一些情況下可以V/F考慮利用幅頻變換進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，這種方法也可以得到模擬信號(hào)的數(shù)字量。TLC1549系列是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。參考電壓的低端接地，參考電壓高端接VCC即DC5V，分辨率為10位，最小分辨電壓為4.8mV，輸入信號(hào)為0V～5V電壓信號(hào)，數(shù)字量范圍0-1023，供單片機(jī)處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分完成后，電導(dǎo)率測(cè)試儀功能的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是軟件的設(shè)計(jì)，我們重點(diǎn)對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量部分的程序進(jìn)行分析，具體程序如下：

4 測(cè)量精度測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，采用實(shí)驗(yàn)板焊接電導(dǎo)率測(cè)試硬件電路，用KeiluVision3編譯程序，然后把調(diào)試通過(guò)生成的.hex文件燒寫到單片機(jī)中。用電導(dǎo)率測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路和賽科品牌的CM-230型電導(dǎo)率儀測(cè)量含不同物質(zhì)水溶液的電導(dǎo)率作對(duì)比，如表1所示，測(cè)試數(shù)據(jù)的相對(duì)測(cè)量精度都在0.38%以下，測(cè)量精度較高。

表1 不同溶液電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)

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