基于MCU纯水电导率检测装置设计(doc 28页).doc

20122012 届毕业生届毕业生 毕业设计说明书毕业设计说明书 题题 目目 基于基于 MCU 纯水电导率检测装置设计纯水电导率检测装置设计 院系名称 院系名称 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动自动 F0802 学生姓名 学生姓名 万黎明万黎明 学学 号 号 200848280222 指导教师 指导教师 王威王威 教师职称 教师职称 教授教授 2012 年 5 月 17 日 I 目目 次次 1 概述 1 1 1 毕业设计课题应用背景和意义 1 1 2 电导率测量在国内外的发展情况 1 1 3 课题的设计工作 2 2 溶液的电导率 3 2 1 溶液的电导和电导率 3 2 2 影响检测的因素 4 3 电导率检测装置硬件设计 6 3 1 检测装置整体结构 6 3 2 电导率检测原理 7 3 3 检测装置的硬件元件选择 8 3 4 激励脉冲发生电路 10 3 5 MCU 控制器电路 11 3 6 温度测量电路 12 3 7 显示电路 12 4 电导率检测装置软件设计 13 4 1 软件开发环境及开发工具 13 4 2 电导率检测装置程序设计 14 结 论 23 致 谢 24 参 考 文 献 25 附录 A 系统总电路图 26 1 1 概述 电导率仪是溶液电导率检测的主要测量仪器 本章主要介绍了纯水电导率检测 的背景 意义 发展的状况 以及本设计要研究的内容 1 11 1 毕业设计课题应用背景和意义毕业设计课题应用背景和意义 随着我国人口和经济的增长 日益严重的环境问题逐渐被我们所关注 其中 水是生命的源泉 是我们赖以生存和发展不可缺少的重要资源 水是维持生命存在 的最主要物质之一 而在现代工业中 没有一个工业部门是不用水的 也没有一项 工业不和水直接或间接存在关系 近些年 饮用水 药用蒸馏水 工业用水需求量 的急剧攀升 许多产品和先进技术已经对介质的导电性能提出了更加准确评价 并 且对实时性 准确度等多方面提出了更高的要求 因此 国内外的一些知名公司针 对这些高要求开发了许多产品 但是这些产品多多少少都存在着一些缺点 比如国 外的电导率仪过高的价格 会大大提高厂家的生产成本 致使这些产品的市场竞争 力大大降低 同时还导致了大量资金的外流 但国内的电导率仪对温度只能进行分 段象征性的补偿 在实际效果 准确性和稳定性上比之国外的仪表存在较大的差距 而且国内仪表在不同条件下也需要人工多次调整 浪费了大量的劳动力和时间 而 研制准确 高性能的电导率检测仪表不仅有利于水质监测部门对用水质量进行监管 也有利于生产制水设备的单位保证产品质量 还有利于水质仪表生产单位提高经济 效益 扩大我国分析仪表在国内外的市场份额 目前工业生产中水质检测的主要方 法就是电导率检测法 因为这种方法工艺完善 简便易行等优点 占据了水质检测 的重要地位 本设计应在调研分析国内外相关技术的基础上 拟采用电极法 集成运算电路 和微控制器设计高纯水电导率检测装置 重点在高纯水的电导率检测前端数据调理 电路设计和 MCU 数据处理软件 包括检测电极 模拟数字变换 微控制器显示等 部分 1 21 2 电导率测量在国内外的发展情况电导率测量在国内外的发展情况 目前 国内外电极电导率测量方法有多种 从激励源划分 主要有交流测量法 和直流测量法 并且多数以前者为主 主要目的是为了减少极化效应引起的误差 而交流激励源一般采用正弦波和脉冲方波 电导率测量所使用的传感器主要分为有 两电极和四电极两种 四电极即为两对电极 一对是电流电极 另一对是电压电极 2 目前国内的电导率测量方法还是以使用两电极为主 按电导率测量的原理可以大致 可以分为四种形式 1 3 1 平衡电桥法 使用惠斯登电桥设计思路 将电导池作为电桥其中的一个桥 臂 然后调整另一个桥臂上的可变电阻使电桥重新达到平衡状态 从而计算出电导 池的电导率 2 电阻分压法 通过测量与电导池串联的分压电阻上的分压 并且分压电阻 使用可调分档 后面接放大 整流 滤波电路 这是比较成熟且应用广泛的测量方 法 3 比值法 将电导池与运算放大器的反相输入端相接 通过反馈电阻在运算 放大器的输出端就可以得到和输入信号成正比的输出电压信号 4 频率法 将电导率转换成和它成正比的频率信号 采用电阻频率变换电路 或采用多谐振荡电路将电导率信号转化为频率信号 电极作为振荡电路的一部分 这种方法提供高精度远距离传输方式 并且结构简单 成本较低 适合做便携式电 导率仪 影响溶液电导率变化最大的外部因素是温度 因此电导检测仪需要采取温度补 偿措施来减小温度对电导率检测的影响 目前电导率的温度补偿方法主要是以下三 种 4 5 1 恒温法 将待测溶液放到恒温箱中 等温度达到设定的基准温度下再进行 测量 这种方法需要非常的昂贵的精密恒温箱 而且也并不适用于工业现场 2 手动温度补偿法 在电导率仪上设置手动的温度补偿装置 以测量纯水为 例 要先测出被测对象的温度 而电解质溶液电导率的温度系数是2 然后对电 导率进行补偿 存在较大误差是补偿的缺点 3 自动温度补偿法 该方法包括热敏电阻温度补偿法 参比法和逐点逼近温 度补偿法 利用电导率和温度的拟合经验公式 是目前较为先进的温度补偿方法 该方法采用微处理器的计算和存储功能 通过查表或拟合经验公式进行直接计算从 而实现温度补偿 1 31 3 课题的设计工作课题的设计工作 本设计在参研各种常用电导率测量的基础上 比较每个部分的不足和优点 又 结合实际的发展 考虑到经济和使用性能上 利用微控制器 减少外围电路以简化 3 整体电路 设计了基于 MUC 纯水电导率检测装置 本设计着重解决问题 1 激励源采用等幅脉冲方波 运用运放 I V 变换 把通过电极的电流转化 成对应电压 再对电压进行采样分析 最大程度上解决分布电容对电导率检测的影 响 提高了检测的精度 2 本文对影响电导率检测的温度补偿进行了一定的研究 着重使用微控制 器自动的进行温度补偿 拟合公式 本设计文成以下工作 考虑到装置的灵敏度 结合纯水电导率的电导率范围变化 制定了一个适合的 方案 使用高性能 低功耗的 S08 系列 MCU 精度较高的 A D 转换 热敏电阻传 感电路 合理地简化了装置 2 2 溶液的电导率溶液的电导率 2 12 1 溶液的电导和电导率溶液的电导和电导率 物质在电场作用下导电情况可分为导体 半导体和绝缘体 导体又可分为两种 一种是在电场作用下自由电子作定向运动使导体导电 这种叫做电子型导体 另一 种是离子定向移动使导体导电 这种叫做离子型导体 通常来说 衡量电子型导体 的导电能力使用的是电阻 欧 而衡量离子型导体的导电能力使用的是电导 西 门子 本设计研究的纯水即为常见的离子型导体 导体电阻表示 2 1 A L R 其中 R 是电阻 是导体的电阻率 L 是导体的有效长度 A 是导体的有效横 截面积 由于电子型导体电阻温度系数是正的 离子型导体电阻温度系数是负的 为了 方便表达和应用 相对于电子型导体的电阻 用电导来表示离子型导体的 电阻 因为电阻的倒数即为电导 所以电导表示为 2 2 L A k L A R G 1 4 其中 G 是电导 单位西门子 A 是导体的横截面积 k 是电导率 电导率 k 是衡量溶液导电能力的指标 由 k 是的倒数可推出 2 3 RA L R k 111 其中 k 是电导率 单位 s cm 1 是电极常数 综上即可得出 通过检测溶液电阻就可得出溶液电导率 2 22 2 影响检测的因素影响检测的因素 电导率是衡量水质的重要标准之一 它反映了水溶液不同浓度的不同导电程度 通过检测溶液的导电程度来分析得出电解质的溶解度 由于不断发展的科学技术 对纯水的浓度也提出了更高的要求 溶液的电导检测是在两个极板上加上电压 测出两极板之间的电阻 但由于电 压是交流的 整个系统在实际中是一个复杂的电阻 电容串并联结构 结构图如图 2 1 所示 Cdl1Cdl2 Cp Rl1 Z1Z2RxRl2 图 2 1 等效电路图 图中 Cdl1 和 Cdl2 是电极表面和溶液形成的双电层 Cp 是电解质电容 Rx 是 溶液的电阻 Rl1 和 Rl2 是极板的引线电阻 Z1 和 Z2 是极化作用下的法拉第阻抗 影响检测的主要因素 1 极化效应 电极加直流电压时 存在严重的极化现象 溶液的电阻增大 引起较大误差 所以使用交流电压源 但在检测高浓度溶液 电压有直流分量的情 况下 仍然会产生极化现象 极化造成的误差 2 4 2 X Rf U 其中是测量偏差 Rx 是溶液电阻 U 是极化反电势 是激励源频率 f 由式 3 可知 减小极化反电势 并提高激励源频率和溶液电阻可以减小偏差 5 但被测溶液电阻是不允许改变的 所以有效的方法是提高频率 但由于存在电容效 应 频率也不可以无限制提高 一般 1000 4000Hz 并且要求不高时 也可采用 50Hz 的交流电 2 电容效应 图 2 2 中 测量溶液电阻较低时 双电层电容和溶液电阻相 当 有明显分压作用 测量溶液电阻较高时 电解质电容和溶液电阻相当 有严重 分流现象 为了提高检测的灵敏度 第一种方法是加大溶液电阻 但不容易实现 第二种 是为了减小电容容抗而去提高频率 容抗 Cdl1 和 Cdl2 减小 同时减小了电阻的 分压 又有利于减小极化效应的影响 而容抗 Cp 也在减小 所以一般在高阻时采 用低频 反之则使用高频 在交流激励时 可认为极化效应被消除 而引线电阻和电解质电容本就小 可 以忽略不计 最后可以简化等效电路 如图 2 2 所示 Rx Cp Cx 图 2 2 简化等效电路图 而本设计检测纯水 高阻 低电导 双层电容 Cx 影响小 所以可以忽略 Cx 所以 Cp 是引起误差的主要因素 误差随激励源频率增大而增大 3 温度影响 温度直接影响着电离度 离子迁移速度 对电导率相当大的 影响 一般公认的电导率标准温度是 25 所以当温度高于或低于 25 时 就需 要对温度进行补偿 电导率 温度曲线 6 如图 2 3 所示 6 图 2 3 电导率 温度曲线 并且将实际运用中与图 3 拟合的最佳表达式是 2 5 25 25 GptGptGtKG 其中 G 25 是 25 纯水的电导率 K t 是温度的校正系数 G t 是 t 时溶液的电导率 Gp t 是理论上 t 时纯水的电导率 Gp 25 是理论上 25 纯水的电导率 大小为 0 05482 cms 以单片机的计算 准确的测量 G t 和温度 t 之后 便可以进行准确的温度补 偿 3 3 电导率检测装置硬件设计电导率检测装置硬件设计 系统的硬件设计的合理与否在很大程度上影响着系统的使用性能 对整个系统设 计很关键 本章主要介绍了方案的整体结构和硬件各个模块的选择 3 13 1 检测装置整体结构检测装置整体结构 首先 由 MCU 产生的占空比 50 的正负方波电压加到电导池的两个电极上 流过的电流经过运算放大器放大后变成电压模拟信号 接着保持器采样保持后得到 7 了电压模拟信号 与被测纯水电导率成正比的 经过 A D 转换送入单片机 然后 进行温度采样 最后送入单片机得出被测纯水在基准温度 25 时的电导率 并由 LCD 显示出来 如图 3 1 MCU A D 转 换 电 导 池 放 大 器 发 生 器 温度测量 LCD 键盘 图 3 1 整体设计框图 3 23 2 电导率检测原理电导率检测原理 采用双极性脉冲方波作为激励源 7 是为了有效的减小极化效应 因为在电极 上所加电压作用时间短 极化效应就可以忽略 而纯水电阻很大 所以 Cx 容抗可 以忽略 所以系统测量示意图如图 3 2 所示 图 3 2 测量示意图 通过模拟开关 S 对 E1 和 E2 进行切换形成为双极性脉冲电压 因为检测运放 阻抗大 流过电导池的电流和 Rf 上的电流相等 所以 3 1 Rf dt dVi C Rx Vi Vo 由于为消除 Cp 影响 只取平坦波形 所以0 dt dVi 最后电导池电阻 8 3 2 Rf Vo Vi Rx 将 Rx 当作 R 带入式 3 中 得电阻率 k 3 3 RfVi Vo k 由上式可知 Vo 与电导率 k 成正比 3 33 3 检测装置的硬件元件选择检测装置的硬件元件选择 本设计中集成电路包括 微控制器外围电路 电导率检测电路 温度检测电路 显示电路 3 3 1 微控制器的选择 AT89C52 是一个高性能的 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可擦写的 Flash 只读 程序存储器和 256 bytes 的随机存取的存储器 器件采用高密度 非易失性存储技 术生产 兼容 MCS 51 指令系统 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 共 8 个中断源 2 个读写中断口 线 3 级加密位 内部未设有 A D 转换模块 需要在外部扩展 S08AW60 有用 2K 片上 RAM 和 62K 片上可编程 FLASH 存储器 支持 2 7 5 5V 电源 20MHz 的最高片内时钟 内部集成高性能 ADC 即 A D 转换和串 行通信模块 工作温度 40 125 适应各种环境 S08AW60 还能通过自制 BDM 在线变成和后台调试 对比之后 本设计选择 MC9S08AW60 44 管脚 LQFP 封装 作为 MCU 自 带模 数转换器减少了它的外部电路 有利于减小系统的体积 3 3 2 电导电极的选择 DJS 1 C 电导率电极 尺寸 12 145mm 电极常数 1 敏感元件 5 5mm 铂片 镀铂黑 应用范围 实验室常规使用 用以测定液体的电导率使用 9 图 3 1 DJS 1 C 电导电极 ARE 113 10 玻壳电导电极 尺寸 12x120mm 电极常数 10 玻壳电导电极 ARE 113 10 主要应用于测量水溶液的电导率 广泛应用于环保监测 纯水水质等 分析的测试 图 3 2 ARE 113 10 玻壳电导电极 电极常数为 1 的电导电极测量范围为 1 0 3000 s cm 而普通纯水一般在 1 10 s cm 而且 DJS 1 C 电导率电极镀有铂黑 能大大降低极化效应 所以选择 DJS 1 C 电导电极 3 3 3 温度传感器的选择 作为温度补偿的重要数据 存在一定的精度要求 而且要考虑到稳定性 成本 和实际的情况 DS18B20 数字温度传感器 采用的是单总线技术 它能直接把测量的温度转 化为串行数字信号 传输和处理简单 集成电路大大简化总硬件电路 热敏电阻具有较高灵敏度 温度范围大 55 315 体积较小 使用方 便 阻值在 0 1 100K 稳定性强的特点 对比后 本设计采用 NTC 热敏电阻 这种热敏电阻随温度上升电阻呈指数关 系减小 测量范围一般在 10 至 300 之间 3 3 4 A D 转换 10 由于传感器得到的是模拟信号 而 MCU 处理的则是数字信号 所以需要进行 模数转换 在 S08AW60 中已集成一个 8 位 10 位的逐次逼近 ADC 模块 所以不需 要扩展片外的 A D 转换器 3 3 5 放大器的选择 信号变换电路使用 OP07 和 TL082 OP07 具有仅仅 25 V 的输入失调电压和 2nA 的输入偏置电流 不需要额外给予调零 适用于本设计的测量部分 TL082 是 MOS 器件 输入级具有较高的输入阻抗 由于电路中用到较多的放大电路 所 以用 TL082 起到缓冲级的作用 3 3 6 显示模块 LED 数码管显示分为静态显示和动态显示 在静态显示时 使用多片七段译 码器驱动 增加成本又占据较多的 I O 口 动态显示时 所有位并联 轮流在字位 上显示 一个时刻只能显示一位 所以是显示的稳定性较差 并增加了外围电路 LCD 显示由单片机驱动 它能显示大量数据 显示的位数也比较多 相对 LED 的古板 LCD 显示字体清晰美观 而且 LCD 液晶显示器编写程序简单 价格 低廉 结合设计选择 LCD 来做显示器 选择 LCD1602 液晶屏 有以下特点 1 有字符发生器 ROM 可显示 192 种字符 2 有 80 字节的 RAM 3 结构轻巧 装配比较容易 4 单电源供电 功耗低 使用寿命长 3 43 4 激励脉冲发生电路激励脉冲发生电路 由于存在极化效应 所以利用正负的等幅脉冲来进行一定的消除 所以占空比 一定要求为50 为了MCU能从更好地提取有用信号 电压源的幅值要加大 但电 压幅值也不能无限制的提高 应控制在10V以下 所以本设计采用幅度适中为 4V 的脉冲信号 利用信号频率2KHz的方波信号来控制模拟开关对 4V的电压源切换 产生 示意图如图3 3 这个恒定的电压源是由较高精度的低压基准芯片 MC1403 产生 2V 基准电压 经过 TL082 缓冲后 然后通过 OP07 对 2V 基准电压进行正反相放大产生的 4V 恒 定电压 将 4V 和 4V 电压接进模拟开关 CD4051 的 X0 和 X1 11 控制模拟开关跳跃的方波信号由 AC9S08AW60 的 PTE2 产生 通过该管脚的 方波信号和 50 的占空比可由编程实现 OA1 1 IN 2 IN 3 V 4 OA2 8 V 7 OUT 6 NC 5 U OP07 Vcc 4 NI 1 3 INT 1 2 OUT 1 NI 2 5 INT 2 6 OUT 2 7 Vcc 8 U TL082 OA1 1 IN 2 IN 3 V 4 OA2 8 V 7 OUT 6 NC 5 U OP07 Vin 1 Vout 2 GND 3 NC 4 NC 8 NC 7 NC 6 NC 5 U MC1403 8V GND R6 20K C10 0 1uF 8V 8V R9 20K R820K R12 10K 8V 8V R7 10K GND 8V 8V GND 4V 4V 图 3 3 激励脉冲发生电路 3 53 5 MCUMCU 控制器电路控制器电路 Vddad 和 Vssad 给 MCU 内部模数转换器供电 Vrefh 和 Vrefl 是模数转换的参 考电压 Vdd 和 Vss 是 MCU 的主要电源管脚 工作电压在 2 7V 5 5V 本设计中 使用 5V 电压供电 Vdd 和 Vss 接 10uF 的钽电容和 0 1uF 的陶瓷旁路电容 分别给 系统存储大容量电荷和抑制高频噪音 MCU 中 G0 G2 分别与 LCD1602 的 RS R W E 相接 C0 C3 与 LCD1602 的 DB0 DB3 相接 D0 D3 与 LCD1602 的 DB4 DB7 相接 B0 和 B1 分别是电导池电压和热敏电阻电压模拟量 的输入端 工作电路原理图如图 3 4 所示 12 PTC4 IRQ RESET PTF0 PTF1 PTF4 PTE0 PTF5 PTE1 PTE2 PTE3 PTE4 PTE5 PTE6 PTE7 Vss Vdd PTG1 PTG0 PTG2 PTB0 PTA0 PTA1 PTB1 PTB2 PTB3 PTD0 PTD1 Vddad Vssad PTD2 PTD3 PTG3 PTC5 PTC3 PTC2 PTC1 Vss PTC0 Vrefl PTG6 PTG5 BKGD Vrefh U S08AW60 S1 4M R2 1M C2 27pF C3 27pF R1 4 7K C1 0 1uF 5 C4 0 1uF C5 10uF 5 GND GND GND GNDGND 图 3 4 工作电路原理图 3 63 6 温度测量电路温度测量电路 该电路根据热敏电阻随温度变化电阻随之发生变化的特性 利用串联分压 将 热敏电阻的电压送到 MCU 的模拟输入端 原理图如图 3 5 所示 R4 G ND 5 R520K PTB1 图 3 5 温度测量电路 3 73 7 显示电路显示电路 该电路是使用 LCD1602 液晶屏来显示测量数据 VL 是液晶显示器的对比度调 整端 为了是对比度适中 使用时接一个 10K 电位器来调整对比度 Vss 是电源地 BLK 是 LCD 背光电源的负极 直接接地 Vcc 是电源 BLA 是 LCD 背光电源的 正极 使用 5V 电源 LCD1602 的 RS R W E 管脚与 MCU 的 G0 G1 G2 分 别连接 DB0 DB3 与 MCU 的 C0 C3 相接 DB4 DB7 与 MCU 的 D0 D3 相 接 原理图如图 3 6 13 Vss Vcc VL RS R W DB0 E DB1 DB2 DB3 DB5 DB6 DB7 BLA BLK DB4 U LCD1602 R3 10K 5 GND 5 GND PTG0 PTD3 PTG1 PTG2 PTC0 PTC1 PTC2 PTC3 PTD0 PTD1 PTD2 图 3 6 显示电路 4 4 电导率检测装置软件设计电导率检测装置软件设计 4 14 1 软件开发环境及开发工具软件开发环境及开发工具 本设计采用 Metrowerk 公司开发的 CodeWarrior IDE 进行软件开发 这是飞思 卡尔微控制器的专用开发环境 而且 CodeWarrior IDE 能在不同的操作系统下使用 在编程时 可以用汇编或者 C 语言对 MCU 进行编程 CodeWarrior IDE 支持 多种语言的编辑 作为国内外广泛使用的一种计算机语言 C 语言功能丰富 灵活 方便 效率较高 CodeWarrior IDE 界面如图 4 1 14 图 4 1 CodeWarrior IDE 界面 4 1 1 软件开发工具 本设计采用 BDM 来进行程序的下载和调试 BDM 采用了 Freescale 公司的一 款具有 USB 借口的 8 位机 MC68HC908JB16 自制 一端通过 6 针插口接 AW60 核 心板 另一端通过 USB 接 PC 机 5V 电源接到 S08MCU 核心板的电源插口 10 如 图 4 2 S08AW60 MCU PC 机 USB 接口 6插孔BDM头 USB 线 BKGD GND NC NC VDD RESET 1 脚 图 4 2 BDM 与核心板及 PC 的连接框图 4 24 2 电导率检测装置程序设计电导率检测装置程序设计 本设计程序主要包括 A D 转换程序 热敏电阻与温度对比程序 数据处理程 序 显示程序 主程序流程图如图 4 3 所示 15 MCU LCD 初始化 开始 模拟量输入 计算电导率 值 查表得温度值 温度 电导率 处理 读寄存器 结束 存入寄存器 A D转换 是否为25 是 LCD显示 否 图 4 3 总程序流程图 4 2 1 A D 转换原理与程序 逐次逼近式 ADC 是一个具有反馈回路的循环系统 主要部件有电压比较器 逐次逼近寄存器 SAR 结果寄存器 数字 模拟转换器 DAC 和控制电路 如图 4 4 所示 16 图 4 4 逐次逼近式 ADC 原理图 逐次逼近式 ADC 用 DAC 的输出电压来驱动比较器的反相端 转换时 将数 字量存放在一个逐次逼近寄存器中 转换结束后 将数字量送到结果寄存器 逐次逼近 ADC 原理是 首先设置 SAR 中的最高位为 1 其余位为 0 经 D A 转换器转换成模拟电压 Vo 然后将 Vo 与输入电压在电压比较器中进行比较 如 果 Vi Vo 则置 1 保留 并使下一位置 1 如果 Vi Vo 则这一位予以清除 然后是下一位置 1 按上述方法对次高位进 行转换 比较 判断 决定次高位应取 1 还是 0 重复上述过程 直到确定 SAR 的最低位为止 这是控制电路送出一个转换结束标致信号 这个信号将 SAR 中的 数字量送入结果寄存器供 CPU 使用 10 A D 转换的节选程序如下 函数名称 adc init 作用 A D 模块初始化 Void adc init void APCTL1 0X01 ADCP01 引脚 I O 无效 即 B 口 0 位 APCTL2 0X01 ADCP02 引脚 I O 无效 即 B 口 1 位 ADC1CFG 0X00 高速模式 8 位精度 ADCK 总线频率 ADC1SC2 0X00 软件触发 比较功能禁止 17 ADC1SC1 0X00 禁止转换完成中断 单次转换 函数名称 convert begin 作用 启动 A D 转换 Usigned int convert begin void unsigned int Vtemp ADC1SC1 0X00 ADC1SC2 0X00 while ADC1SC1 COCO while ADC1SC2 ADACT Vo ADC1RL Vtemp ADC2RL return Vtemp return Vo 4 2 2 电导率检测程序 由式 3 3 可看出 其中 Vi 是由双极性激励脉冲发生电路产生的 4V 电压 是 电极常数 根据所选电极可知电极常数为 1 Rf 是放大器的反馈电阻在选择时使用 变阻箱 选择好阻值后通过键入阻值大小供 MCU 计算 所以电导率 k 通过对 Vo 的测量即可确定 首先对定时器管脚 PTE2 编写 50 的占空比 程序如下 include include derivative h unsigened int Duty 50 unsigened int Period 2000 18 void main void TPM1MOD Period TPM1C0V 0 x32 TPM1C0SC 0 x24 RESET WATCHDOG 电导率检测的节选程序如下 函数名称 GetVo 作用 电导率测定 signed int GetVo int Vo float a k Rf a 1 Vo Vi Rf k fabs a 4 2 3 热敏电阻阻值与温度的对应关系及程序 热敏电阻的阻值与温度呈现一条非线性的指数曲线 所以在使用前 要先进行 线性处理 采用最简便的查表法可直接查出相应的温度 如表 5 1 所示 表 4 1 转换结果与温度值 A D 转换结果A D 转换电压 V温度 00 160 3179 320 6356 19 480 9443 641 2634 801 5727 961 8821 1122 2015 1282 5110 1442 825 1603 14 1 1763 45 6 1923 77 11 2084 08 18 2244 39 26 2404 71 40 2555 0 首先将表中的对应数据存放到微控制器的存储器中 之后就可以通过微控制器 自动查表得出测量是的温度值 当表中没有对应的电压值时 可以找到电压值在表 中的区域 然后在区间的相邻两点经线性插值得出对应温度值 10 插值算法如下 5 1 112121 xValueADxxyyyT 其中 T 为当前温度 AD Value 为当前温度的 A D 转化值 x2 x1为相邻点 的温度值 y2 y1为相邻点的 A D 转换值 温度值的节选程序如下 函数名称 Gettemperrature 作用 查表与插值计算得温度值 signed int GetTemperature int Value sign int T 20 int I if Value V T table 0 15 T V T table 1 15 else for i 1 iV T table 0 i T V T table 1 i T 100 break return T 4 2 4 温度补偿设计 利用 MCU 的强大处理能力 能更快速准确的对不同温度下的溶液进行补偿 效果优于大部分传统的方法 浓度较低的电解质溶液 电导率和温度的关系可近似表示为 12 21 5 2 25 22 0 1 25 tkk t 4 2 5 显示模块设计 经过热敏电阻和电导池的模拟电压信号通过 A D 转换后分别由 MCU 得出温度 值和电导率值再在 MCU 中进行数据处理 对电导率值进行补偿得到标准温度 25 时的电导率值 最后将最终数据送入 LCD1602 中进行显示 流程图如图 5 5 所示 LCD1602初 始化 向LCD1602写 地址 向LCD1602写 数据 LCD忙 延时 LCD忙 N Y N Y 开始 延时 图 5 5 显示流程图 电导率显示的节选程序如下 函数名称 LCD1602 init 作用 LCD1602 初始化 void LCD1602 init void 22 LCD1602 DB 0 x08 0 x03 RS RW E init LCD1602 DB 0 x04 0 x01 RS RW E init LCD1602 DB 0 x0C 0 x00 RS RW E init LCD1602 DB 0 x06 0 x00 RS RW E init LCD1602 DB 0 x01 0 x00 RS RW E init 23 结结 论论 本设计较为详细的介绍了纯水电导率检测装置的检测原理 硬件和软件设计 也分析了一些会对检测带来误差和影响的因素 如极化效应和电容效应 在检测原 理中 引入了激励脉冲方波电压源对消除极化效应和电容效应起到积极的作用 设 计出了比较实用的检测电路 在理论上为以后的改进铺平了道路 继而本设计还讨 论温度对纯水电导率检测的影响 为提高精确性和实用性 对不同温度下不同的电 导率也使用了 MCU 的自动补偿 硬件设计上 比较了多种器件的可靠性 实用性和精确性 选择出比较适合本 设计的器件 设计出了激励脉冲方波电压源 温度自动补偿 LCD 液晶显示等功 能 在软件设计上 合理的使用语言对 MCU 进行编程 辅助了硬件电路 保证了 系统的可靠性和稳定性 当然 本课题仍有问题等待解决 降低极化效应和电容效应的影响 Rf 的自 动转换和检测 改进温度的拟合公式 更精确的得出标准温度下的电导率 24 致致 谢谢 大学生活转眼就要结束了 四年的大学生活回首看来有快乐 有困惑 也有很多 不舍 大学里的前两年一直学校学习大学的基础知识 参加了社团和学生会 寻找适 合自己的位置 大学的第三年着重于学习专业课的知识 参加学校的各种实习和活动 也算是锻炼了自己 提高了自己的动手能力 没几天就要离开了 心里有许多感谢的 话想说 首先 我在这里衷心感谢指导我毕业设计的老师王威教授 他对我的悉心指导和 谆谆教诲将会令我终身受益匪浅 在他的指导下 我在各方面的能力都得到了明显的 提高 他治学态度严谨 拥有广博的知识和丰富的实践经验 印象最深刻的还是王老 师那敬业的精神 即使离开了校园来到社会上拼搏 我也会能受用一生 然后 我要感谢在大学期间授课给我的老师 他们传授了我各方面的知识 这些 知识是是我以后工作中不可缺少的基础 最后 还要感谢身边的同学们 谢谢他们陪伴了我四年的大学生活 他们的理 解和关怀 给予了我帮助 鼓励和支持 使我在四年中更好的成长了起来 25 参参 考考 文文 献献 1 胡宗定 王一平 工程电导测试技术 M 天津大学出版社 1990 2 杨孙楷 张潞群 曹澄等 电化学式分析仪器 M 机械工业出版社 1993 3 于洋 许会 白静杰 电导变送器的研究与应用 仪表技术与传感器 2000 6 41 43 4 王二福 温度对超纯水电导率测量的影响及其对策 华北电力技术 1994 5 5 7 5 吴永昌 电导率测量中温度的影响及补偿方法 分析仪器 1990 3 62 65 6 北京大学化学学院物理化学实验教学组 物理化学实验 M 北京 北京大学 出版社 2003 7 许海彬 双向电流法测量溶液电导 J 自动化与仪表 1995 5 15 17 8 林波 自动换档水电导率仪控制系统的设计 D 硕士学位论文 河北工业大学 2006 9 刘新月 林波 基于软件温度补偿的水电导率仪控制系统设计 J 天津工程 师范学院学报 2010 20 2 23 25 10 王威 嵌入式微控制器S08AW原理与实现 M 北京 北京航天航空大学出 版社 2009 11 蒋兴东 曾水平 基于MSP430单片机的电导率检测装置的设计 J 信息技 术 2009 4 40 43 12 苏永慧 刘光明 电导率温度矫正计算方法的改进 重庆环境科学 1997 6 13 李智灵 微机化纯水电导率仪的研制 J 分析仪器 1997 1 26 29 14 Randall EW Wikinson AJ Cilliers JJ et al Current Pulse Technique for