基于MCU纯水电导率检测装置设计(doc 28页)

基于MCU纯水电导率检测装置设计
(doc 28页)
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2012届毕业生毕业设计说明书
题目: 基于MCU纯水电导率检测装置设计
院系名称：电气工程学院专业班级：自动F0802 学生姓名：万黎明学号： 200848280222 指导教师：王威教师职称：教授
2012年 5 月 17 日
目次
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)
3.5MCU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 (27)
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。

1.1 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。

1.2 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。

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。

1.3 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
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 溶液的电导率
2.1 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：
A
L R ρ= (2.1) 其中R 是电阻，ρ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：
L A k L A R G ===ρ1 (2.2)。