MCS-51單片機為核心的智能電導(dǎo)率測試儀

PAGEPAGEII第1章緒論1.1本文研究的目的意義及研究背景隨著國家的日益發(fā)展，我國水資源的問題正在變得愈發(fā)日益嚴(yán)重，各行各業(yè)均受到不同程度的影響，尤其是農(nóng)業(yè)方面。我國人口眾多，農(nóng)業(yè)又是人類生存的根本，而水資源短缺和水資源污染問題給農(nóng)業(yè)領(lǐng)域帶來的是致命的影響，已經(jīng)逐漸危及到了人類及其子孫的日常生活。水資源的現(xiàn)狀提示我們必須大力著手于水資源問題的研究，如何緩解和解決水資源問題已經(jīng)成了我國急切需要解決的重要問題。電導(dǎo)率分析儀是一種使用溶液組成與導(dǎo)電的關(guān)系來分析溶液成分的智能型儀器。它可以用來測量酸和堿性溶液，鹽溶液等的濃度。由此可知溶液的電導(dǎo)率是溶液的質(zhì)量好壞和溶液的組成分析中的一項最為關(guān)鍵的指標(biāo)，與之相關(guān)的檢測設(shè)備可以用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)以及相關(guān)的各個領(lǐng)域。同時電導(dǎo)率可以用來衡量水溶液的純凈度，電導(dǎo)率儀在環(huán)境好壞的監(jiān)測，工業(yè)過程控制，醫(yī)療和健康，電力電子，水質(zhì)好壞的監(jiān)測和科學(xué)研究方面具有廣泛的應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，我們想要更準(zhǔn)確的測量出我們的溶液電導(dǎo)率。隨著我們測量方法的不斷進(jìn)步以及元器件的不斷完善。工業(yè)的發(fā)展的速度遠(yuǎn)超我們的想象，很多工業(yè)生產(chǎn)中對溶液的電導(dǎo)率處于一定的范圍內(nèi)，這樣才能保證工業(yè)的正常運作，本文所做的智能電導(dǎo)率測試儀就是為了完成這個目標(biāo)而設(shè)計的。由于不同溶液在不同濃度和溫度下會增大或減小電導(dǎo)率，所以我們在無溫度補償條件的測量條件下，需要在恒溫條件下進(jìn)行電導(dǎo)率的測量。這些方面的研究在不斷的進(jìn)行，在研究的過程中遇到了一些問題，這些問題對于行業(yè)的進(jìn)一步的發(fā)展有很大的危害，只有不斷的解決這些方面的問題，行業(yè)才能夠更好的向前發(fā)展在水質(zhì)檢測和分析的過程中,有關(guān)電導(dǎo)率測量方面的設(shè)備已經(jīng)成了必不可少的常規(guī)儀器。電導(dǎo)率在測量過程中會受到多種因素的影響,主要的影響因素有電極極化效應(yīng)、電容效應(yīng)和溫度效應(yīng)，所以我們需要設(shè)計一個電導(dǎo)率測試儀在保證精度的情況下來克服上述這些問題。1.2國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀就國內(nèi)而言，對大部分國產(chǎn)電導(dǎo)率儀來說，考慮到制造工藝的問題，所以國內(nèi)的廠商主要采用手動溫度補償來保證我們的電導(dǎo)率結(jié)果準(zhǔn)確，溫度系數(shù)一般默認(rèn)為2%/℃，無法直接進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整我們想要的溫度系數(shù)，該類電導(dǎo)率儀電導(dǎo)率測定相對簡單，取25℃無溫度補償狀態(tài)時獲得電導(dǎo)率值KMR，而其它溫度下電導(dǎo)率值則為溫度補償后的值KMV。再利用進(jìn)行溫度補償檢定。這方面工作的開展看著原理比較麻煩，但是實際的工作起來并不麻煩，操作很簡單輕便。國內(nèi)將智能電導(dǎo)率測試儀多應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的土壤檢測，且普遍研究了土壤電導(dǎo)率隨含水率和鹽分含量變化的規(guī)律。電極電導(dǎo)率法需要避免極化效應(yīng)，一般來說我們就采取交流激勵的方式就可以避免這個問題。交流分析方法就是給一個足夠高的信號頻率，讓每一半周延續(xù)的時間盡可能的縮短，這樣瞬間濃度的改變及表面變化的機率就會大大減小。從而保證電導(dǎo)率測試結(jié)果的誤差會非常小，可以忽略。而目前，在國外市場上電導(dǎo)率測試儀絕大多數(shù)會有自動溫度補償功能，主要應(yīng)用于溶液處于不同溫度下所測得的電導(dǎo)率進(jìn)行比對和分析。在電導(dǎo)測試儀自動溫度補償?shù)倪^程中，由于電導(dǎo)池常數(shù)不同，我們可以分為兩種檢定方法來測試電導(dǎo)率，一為確定電導(dǎo)率值KMR在溫度補償之前，另一種為確定電導(dǎo)率值KMV在溫度補償之后。這兩種檢定方法有著一樣的原理，在實際測定時，主要根據(jù)儀器設(shè)計要求來采用不同方法我們需要根據(jù)不同的要求來選擇不同的方法。另外我們需要額外注意的是，在進(jìn)行電導(dǎo)率儀溫度補償檢定時，也會影響最終的檢測結(jié)果，比如電導(dǎo)池的常數(shù)變化等等。但從另一個角度來說，我們也可以用電導(dǎo)池的補償常數(shù)來解決智能電導(dǎo)率測試儀的溫度補償問題，以此保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，就可以使得電導(dǎo)率測試儀不同溫度下所測得的電導(dǎo)率具有可比性。以上就是國內(nèi)外對于電導(dǎo)率測試儀的研究進(jìn)程以及發(fā)展現(xiàn)狀。1.3論文研究的主要內(nèi)容本文主要是設(shè)計一個以MCS-51單片機為核心的智能電導(dǎo)率測試儀，包括溫度檢測電路設(shè)計、電導(dǎo)率測量電路設(shè)計、單片機外圍電路、鍵盤顯示電路、報警電路設(shè)計以及電導(dǎo)率溫度補償方法研究等。而且在解決常溫下溶液電導(dǎo)率測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，本文還對溫度補償?shù)姆椒ㄗ隽丝偨Y(jié)，比如恒溫法，手動調(diào)整補償法，自動溫度補償法。重點研究自動溫度補償法，我們選擇利用單片機來完成該方法。在研究中我們首先要用脈沖方波作為激勵，保證電路的穩(wěn)定性，再利用運放I-V變換原理把流經(jīng)電極的電流轉(zhuǎn)變成與之相對應(yīng)的電壓，這樣我們就可以對電壓波形進(jìn)行采樣，從而分析波形，盡可能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。這樣我們可以在合適的時刻采樣，最大程度的減小分布電容對電導(dǎo)率結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，由此計算出的溶液電導(dǎo)率與分布電容沒有關(guān)聯(lián)，結(jié)果也就足夠精確。 第2章控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計智能電導(dǎo)率測試儀可以實現(xiàn)以下功能：溫度檢測電路設(shè)計、電導(dǎo)率測量電路設(shè)計、單片機外圍電路、鍵盤顯示電路、報警計。為了實現(xiàn)電導(dǎo)率的雙頻率正弦信號測量，解決目前各類電導(dǎo)測試儀的弊端。電路設(shè)本文所研究的智能電導(dǎo)率測試儀具有價格較為便宜，精確度較高的特點且易于連接計算機，操作起來十分方便。系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)設(shè)計總體框圖智能電導(dǎo)率測試儀主要是以MCS-51單片機，正弦信號產(chǎn)生部分，低通濾波器，溫度傳感器，電導(dǎo)傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及多路轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成。智能電導(dǎo)率測試儀的測量范圍是：0-20μs/cm，精度為1.0級。MCS-51是一種集成電路芯片，它和有源晶振可以構(gòu)成一個激勵源。PT100是一種熱電阻，PT100熱電阻傳感器可以組成溫度補償部分，PT100熱電阻傳感器因制造的工藝不同，其測溫范圍大概為-150-400℃。同時溫度采集電路采用三線制橋式網(wǎng)絡(luò)測量。在微控制器中選取MSC-51作為運算控制核心。電導(dǎo)率測量電路是電導(dǎo)率測試儀的重要部分，電導(dǎo)率測量電路由雙弦正頻信號，低通濾波電路，OP27構(gòu)成的放大電路，多路開關(guān)電路組成。系統(tǒng)的電源電路由兩組四個二極管構(gòu)成的橋式整流電路和兩個穩(wěn)壓芯片7805與7905組成，從而得到我們需要的5V電壓。但正如我們所知道的，因為A/D轉(zhuǎn)換電路對數(shù)據(jù)的采樣有影響，所以我們需要做隔離濾波處理。2.1.1電導(dǎo)率測量電路在電導(dǎo)率測量電路中，分壓電阻(100KΩ)，溶液電阻(1K-10MΩ)需要采用高精度金屬膜電阻模擬他們在電極模型中的作用。在實驗中，我們采用6位半數(shù)字萬用表34401A，這樣我們就可以讀出電阻值和電壓值。運放OP27是一種運放的精度較高，電壓擁有低噪聲特性，當(dāng)我們的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫漂，輸入失調(diào)電流和失調(diào)電流溫漂很小，速度較快，可以得到比較精確的結(jié)果。我們可以用運放LF356作為場效應(yīng)管的輸入，輸入阻抗高，適合用于緩沖，且速度較快。三個OP27和兩個快速二極管會構(gòu)成一種精密整流電路，它是我們我們電導(dǎo)率測量電路的關(guān)鍵組成部分。而普通非線性二極管構(gòu)成的整流電路有一些不可避免的缺點，比如伏安特性對于它們所構(gòu)成的整流電路會存在伏安特性和非伏安特性的影響，該電路中的半波整流完成了反轉(zhuǎn)AC信號的負(fù)半周期并在正半周期中將其關(guān)閉的功能。2.1.2溫度測量電路國家公布的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以25°C時的水的電導(dǎo)率作為水質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。如在部頒標(biāo)準(zhǔn)中，一級化學(xué)除鹽—混合系統(tǒng)出水(25℃)的電導(dǎo)率<=0.2uS/cm。因此，在測量電導(dǎo)率時，必須將水樣的溫度調(diào)節(jié)到盡可能接近25℃，并在測試期間保持樣品的溫度穩(wěn)定。如果水樣的溫度不能穩(wěn)定在25±0.59℃，則需要根據(jù)測量結(jié)果校正溫度。在通常情況下，水電導(dǎo)率和溫度之間的關(guān)系需要轉(zhuǎn)換為25°C的電導(dǎo)率值。所以就對溫度傳感器要由所要求傳感器要對溫度變化非常敏感，因為電導(dǎo)率對溫度的變化是非常敏感，溫度的一點變化也由可能引起電導(dǎo)率很大的變化，從而有可能對工業(yè)生產(chǎn)及測量產(chǎn)生很大的影響。PT100熱電阻傳感器因制造的工藝不同，其測溫范圍大概為-150-400℃。在我們的溫度測量電路中我們選用的是PT100溫度傳感器。2.1.3單片機的選擇在我的智能電導(dǎo)率測試儀的設(shè)計中，我選取AT89C51單片機來作為我們的電路核心。它擁有片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，可以存儲我們的溫度補償預(yù)制表，讓我們完成溫度補償功能。以及32個I/O口線用于連接我們的各部分電路和一個全雙工\t"/item/AT89C51/_blank"串行通信口可以和我們的通信電路連接等等。2.1.4A/D芯片的選擇在通過前面信號采集、信號調(diào)理和通過多路開關(guān)以后就要把整理好的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器變成計算機可以識別的數(shù)字量，從而通過一系列的運算對測量過程進(jìn)行控制。A/D轉(zhuǎn)換器的特性參數(shù)包括：分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換精度通過被測信號的特性與計算機的參數(shù)來確定這些參數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可以決定模擬電壓動態(tài)范圍，而且會使采集電路的轉(zhuǎn)換精度變得不準(zhǔn)確。因此，我們A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)需要應(yīng)根據(jù)設(shè)計的電路的轉(zhuǎn)換范圍的要求與轉(zhuǎn)換精度來進(jìn)行來選擇。除了A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和再次開始轉(zhuǎn)換的指令之外，還可以確定從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次重啟（休止時間）的時間總和過程中的A/D轉(zhuǎn)換速度。對于一般微機處理、再啟動、存數(shù)據(jù)、循環(huán)記數(shù)等。在本系統(tǒng)中我們采用TLC0834把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。2.1.5多路開關(guān)的選擇多路選擇器也可以稱為\t"/item/%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E9%80%89%E6%8B%A9%E5%99%A8/_blank"數(shù)據(jù)選擇器。在多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，可根據(jù)需要選擇出的電路稱為數(shù)據(jù)選擇器，也稱為多路復(fù)用器或多路開關(guān)。多路選擇器還包括總線的多路選擇,\t"/item/%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E9%80%89%E6%8B%A9%E5%99%A8/_blank"模擬信號的多路選擇。我們所使用的PT100溫度傳感器，應(yīng)選擇8選1的多路選擇開關(guān)既可以方便操作也可以降低成本，因此我們選用8選1\t"/item/%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E9%80%89%E6%8B%A9%E5%99%A8/_blank"數(shù)據(jù)選擇器是CD4051。需要注意的是多路選擇開關(guān)在導(dǎo)通時具有電阻，約為500-1000Ω，與供電電壓和溫度都有關(guān)系，所以我們需要用放大器來消除影響。2.1.6通信接口電路的選擇為實現(xiàn)單片機和各設(shè)備的通信，我們就需要一個統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)。通常的有串行和并行總線。但對于并行總線來說雖然速度快，實時性好但卻占用了太多的I/O口，不利于我們的實驗，因此選擇串行總線，在信息量不算太大時可讓操作更加簡單。我們選擇RS232作為接口標(biāo)準(zhǔn)。RS232具有無可比擬的傳輸速率以及可靠性強，同樣傳輸成本也很低廉。這就是我們選擇RS232的原因。2.1.7電源的選擇關(guān)于電源的選擇我們首先要保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，因為電源的穩(wěn)定與否會影響儀表的精度。另外就是模擬電路和數(shù)字電路需要做必要的電源隔離。因此我們采用AD5044B做三線電橋作為溫度補償和和運放的單獨供電電源。AD5040B為單片機MSC-51單獨供電。以此保證結(jié)果盡量準(zhǔn)確。2.2溫度補償控制算法的選擇迭代法、二分法、遍歷法在解非線性方程時比較常用，下面簡要介紹它們的特點當(dāng)二分法處于區(qū)間范圍較大的范圍時，他就會收斂于一個值，且收斂的速度很快，這個值就是根。遍歷法一般用于已經(jīng)知道根的大致范圍時候使用，但由于遍歷法的計算量特別大但又沒有較高的精度，所以不是我們的第一選擇。因此，解非線性方程的時候，我們可以把迭代法作為首選。在變頻電導(dǎo)率測量方法中，解非線性方程的時候我們可以通過迭代法來得到得時間常數(shù)τ，在求解溶液電導(dǎo)率過程中至關(guān)重要。常用的迭代法我們稱為Newton法(也稱切線迭代法),也就是不動點迭代法。Newton法是最重要的迭代法，它的優(yōu)勢是收斂速度快，而且就可以廣泛應(yīng)用，但這種迭代法對求導(dǎo)的方法要求比較高，所以求導(dǎo)的過程是相當(dāng)復(fù)雜的，這樣就會容易造成運算誤差。因此我們選用迭代法作為我們溫度補償算法的第一選擇?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計3.1溫度檢測電路和放大電路的設(shè)計PT100是我們溫度檢測電路的重要組成部分。我們利用PT100溫度傳感器將所測得的溫度信號可以轉(zhuǎn)變成電信號，然后對電信號進(jìn)行處理和調(diào)節(jié)。測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元用來組成信號轉(zhuǎn)換器，它用來對電信號進(jìn)行處理和調(diào)節(jié)。溫度檢測電路需要通信外設(shè)電路來和其它大的設(shè)備接口連接以便提供反饋，或者將數(shù)值送至片上閃存來存儲測量值或者進(jìn)行必要的顯示，如圖3-1所示。圖3-1溫度檢測電路流程圖PT100是正溫度系數(shù)熱敏電阻，它的阻值和溫度成正比。它具有以下基本特性：1)低偏移電壓為65μV。2)低輸入偏置電流為lpA（最大值）。3)帶寬為10MHz。4）單位增益穩(wěn)定.單電源電壓范圍為2.7-5.5V。經(jīng)過放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。如圖3-2所示，該電路就是溫度檢測電路以及放大電路。圖3-2溫度檢測電路圖3.2電導(dǎo)率測量電路設(shè)計我們首先來介紹幾種電導(dǎo)率的測量方法，然后一一對比，選出本論文所需要的方法。比如點此電導(dǎo)率法利用計算電勢差來求得溶液的電導(dǎo)率，但是他的缺點很明顯就是它測量的水溶液要求有比較高的電導(dǎo)率，就導(dǎo)致一些不可避免的的問題。目前在電極電導(dǎo)率法有幾種測量方法是比較可取的，比如平衡電橋法、選頻法和相敏檢波法，這些方法分別對于電導(dǎo)率測量中的存在的問題進(jìn)行解決。如傳統(tǒng)電導(dǎo)率測量方法中，經(jīng)常用的平衡電橋和不平衡電橋兩種方法針對不同的情況測量電導(dǎo)率。不過因為電解質(zhì)溶液產(chǎn)生的電容效應(yīng)并不固定，很難找到規(guī)律，補償電容不會隨著溶液電容的變化而變化，這就導(dǎo)致了我們的結(jié)果并不準(zhǔn)確。所以我們也不選擇這種方法。還有一種方法是相敏檢波法，相敏檢波電路是能夠識別調(diào)制信號的相位和頻率選擇的電路。利用相敏檢波器，可以控制整流電路因為我們可以使用同相位的開關(guān)信號。由于相敏檢測電路可以去除引線分布電容的電壓信號，因此不會影響輸出直流電流，輸出直流電流量僅與溶液電阻，即溶液的電導(dǎo)率有關(guān)。然而，在我們的實踐中，由于該解決方案不能保持理想的凈電阻特性，所以不會完全消除極化效應(yīng)。由引線分布電容產(chǎn)生的電壓信號不能完全消除，并且雙電層電容也影響相敏檢波的精度，這是相敏檢測方法的固有缺點。綜合上述方法，本文選取選頻法的方法測量電導(dǎo)率。下圖是電導(dǎo)率測量電路。在電導(dǎo)率測量電路中，分壓電阻(100KΩ)，溶液電阻(1K-10MΩ)需要采用高精度金屬膜電阻模擬他們在電極模型中的作用。標(biāo)稱值為500-8000PF的陶瓷電容可以用來代替分布電容。電極輸出的電壓經(jīng)過高輸入阻抗運放LF356的緩沖，運放OP27可以進(jìn)行精密的半波整流，然后再經(jīng)過LF356緩沖，RC低通濾波電路就可以得到我們想要的DC量。我們在電極模型與運放之間放置開關(guān)S，這樣就可以我們可以先接通激勵電路得到一個值，再利用開關(guān)接到電極輸出得到一個值，這樣我們就可以利用選頻法測得電導(dǎo)率，這當(dāng)中利用了迭代法的運算。在實驗中，我們采用6位半數(shù)字萬用表34401A，這樣我們就可以讀出電阻值和電壓值。運放OP27是一種運放的精度較高，電壓擁有低噪聲特性，當(dāng)我們的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫漂，輸入失調(diào)電流和失調(diào)電流溫漂很小，速度較快，可以得到比較精確的結(jié)果。我們可以用運放LF356作為場效應(yīng)管的輸入，輸入阻抗高，適合用于緩沖，且速度較快。三個OP27和兩個快速二極管會構(gòu)成一種精密整流電路，它是我們我們電導(dǎo)率測量電路的關(guān)鍵組成部分。而普通非線性二極管構(gòu)成的整流電路有一些不可避免的缺點，比如伏安特性對于它們所構(gòu)成的整流電路會存在伏安特性和非伏安特性的影響。該電路中的半波整流完成了反轉(zhuǎn)AC信號的負(fù)半周期并在正半周期中將其關(guān)閉的功能。電路如下圖3-3。圖3-3電導(dǎo)率測量電路3.3激勵電路設(shè)計我們?yōu)榱蓑炞C變頻電導(dǎo)率測量方案的正確性，所以需要設(shè)計實驗電路。在實驗中，我們首先選擇方波作為輸入激勵源，其占空比為50%，其幅度和頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)。作為電導(dǎo)率測量電路的一部分，輸入激勵源需要精確和穩(wěn)定的頻率和幅度，否則會影響最終測量的結(jié)果。普通信號發(fā)生器的精度和穩(wěn)定性不能滿足測量要求，尤其是不能滿足幅度指標(biāo)。為此，我們需要調(diào)整信號發(fā)生器的輸出信號，對其進(jìn)行整形。這樣得到一個幅值很穩(wěn)定且偏差很小的激勵源，僅有十幾。在實際應(yīng)用中，信號源采用幅度小的交流方波，可以消除極化效應(yīng)對測量精度的影響。如圖3-4所示，該圖為激勵電路。圖3-4信號源整形電路3.4鍵盤電路設(shè)計在整個電導(dǎo)率測量電路中，我們決定使用機械接觸式按鈕開關(guān)，其主要功能是將機械的開和關(guān)轉(zhuǎn)換為電氣邏輯。也就是說，它提供與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平兼容的標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平。此外，復(fù)位按鈕我們會在單片機最小系統(tǒng)小節(jié)單獨介紹，其他按鈕可用于切換控制功能設(shè)置和數(shù)據(jù)輸入。按下設(shè)置功能鍵或數(shù)字鍵時，計算機應(yīng)用程序系統(tǒng)應(yīng)完成按鈕設(shè)置的功能。對于我們需要的按鈕，需要通過接口電路連接到AD89C51。這樣AD89C51就可以使用查詢模式或中斷模式來檢查是否有鍵輸入或檢查按下了哪個按鈕。按鍵跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵盤處理程序,然后運行。如果未按下該鍵，它將繼續(xù)執(zhí)行其他程序。從圖3-6中可知獨立式按鍵采用四個按鍵公用一根I/O口，也就是P1.3。我們需要利用電平的變化來確定哪個按鈕摁下，從而實現(xiàn)我們需要的功能。從我們的總電路圖可以得知，當(dāng)按鈕沒有按下的時候就會處于高電平，反之亦然。圖3-5鍵盤電路如果我們在實驗中考慮到按鍵抖動的情況，當(dāng)然這種影響很小，如果想完善的解決這個問題，那么我們就可以采取如下的方法：我們選擇給按鈕并聯(lián)一個104的電容。這樣我們就可以通過利用并聯(lián)電容的的硬件方法解決抖動問題，104電容是指電容的一種表示方法，代表電容的容值。一般用這種表示方法的電容多為瓷片電容，表面標(biāo)注為104。軟件上基本不用處理即可避免抖動。3.5顯示電路設(shè)計電導(dǎo)率顯示電路如圖3-6所示。本設(shè)計選用4個DpyAmber數(shù)碼管共陽極，數(shù)碼管通常是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成的器件，數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，顯示出特定信息的顯示器。四個三極管分別由單片機P2.0～P2.3接口控制。我們電導(dǎo)率儀的測量范圍是0-20。所以顯示電路最多可顯示的數(shù)值為20.00，最小值的顯示數(shù)值為00.00。圖3-6顯示電路3.6電源電路設(shè)計我們需要給電導(dǎo)率儀5V的電壓，可以通過穩(wěn)壓芯片7805和7905來實現(xiàn)。他們可以輸出5V的電壓。首先使220V電壓經(jīng)過變壓器，再分別利用四個二極管構(gòu)成的橋式整流電路得到我們所需要的電壓，最后通過穩(wěn)壓芯片7805和7905得到5V電壓，值得一提的是7905是負(fù)電壓輸出，7805是正電壓輸出。這樣就可以為系統(tǒng)提供所需電壓。供電電路的硬件連接圖如圖3-7所示。圖3-7電源電路3.7報警電路設(shè)計考慮到我們的電導(dǎo)率測試儀只能測試0-120℃的溶液，所以我們需要設(shè)計一個報警電路來進(jìn)行保護(hù)。這里我們選擇使用NTC測溫電阻來幫助我實現(xiàn)報警的功能，也就是說當(dāng)溫度超過我么設(shè)定的值時，金屬探針接觸的溫度使NTC測溫電阻的阻值變小，此時開關(guān)接通。打開并連接到警報。此時，聲音報警裝置可以通過改變幾個部件的連接方法來發(fā)出不同的聲音。NTC測溫電阻使我們電路的主要元件，由于120℃使我們設(shè)置的最高溫度，所以當(dāng)NTC測溫電阻測到120℃時，測溫電阻NTC的電阻值會下降，電流增大，信號通過三極管放大，由報警裝置發(fā)出報警聲。如圖3-8。圖3-8報警電路3.8通信電路設(shè)計每個計算機都擁有串口，這是一種很常見的通信協(xié)議。在我們的通信電路設(shè)計中，我們只需要兩個引腳來實現(xiàn)這個過程，我們選擇2腳和3腳來完成這個過程，他們會分別作為電腦輸入的RXD和TXD。這樣就可以達(dá)到全雙工的串行異步通信，5腳要接地。對于我們來說，我們需要知道的是AT89C51和RS232有著不一樣的電平標(biāo)準(zhǔn)。TTL電平是單片機的電平標(biāo)準(zhǔn)，但RS232口的電平標(biāo)準(zhǔn)與之不同，所以我們利用電平轉(zhuǎn)換電路來的得到相同的電平標(biāo)準(zhǔn)，使TTL電平與RS232電平相同。MAX232芯片可以幫助我們完成此功能，注意此處需要5V電源單獨供電。如圖3-9所示。圖3-9通信電路3.9AT89C51單片機在智能電導(dǎo)率測試儀的設(shè)計中，選取AT89C51單片機來作為我們的電路核心。它擁有片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，可以存儲我們的溫度補償預(yù)制表，讓我們完成溫度補償功能。以及32個I/O口線用于連接我們的各部分電路和一個全雙工\t"/item/AT89C51/_blank"串行通信口可以和我們的通信電路連接等等。我來介紹一部分引腳的作用，P0.0-P2.3用于連接我們的顯示電路。RST的作用是復(fù)位輸入，它與復(fù)位電路連接，這是為了在我們電導(dǎo)率測量的過程中出現(xiàn)問題時可以讓電路回到初始狀態(tài)。RXD和TXD用于連接通信電路。XTAL1和XTAL2是用來與時鐘電路連接,P1.3口與四個共線開關(guān)連接，當(dāng)按下開關(guān)時都變成低電平。如圖3-10所示。圖3-10單片機3.10單片機最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)包括時鐘電路，電源電路和復(fù)位電路。上文已經(jīng)介紹過了電源電路，所以本段我們介紹一下時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路也我們也可以稱為晶振電路，我們采取外接6M的晶振和兩個30P的電容構(gòu)成我們的時鐘電路?？梢云鸬接嫊r的功能。如圖3-11。圖3-11時鐘電路復(fù)位電路的作用是當(dāng)智能電導(dǎo)率測試儀在測量過程出現(xiàn)問題時可將各部分電路的狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)，然后再一次重新測量。我們需要在單片機外接復(fù)位電路，我們選擇用按鍵復(fù)位的方式來完成復(fù)位功能。如圖3-12。圖3-12復(fù)位電路第4章溫度補償方法研究傳統(tǒng)溫度補償?shù)姆椒ㄓ腥N：（1）恒溫法。首先，使溶液在25℃的溫度下，然后測量待測溶液的電導(dǎo)率。該測量的結(jié)果是在參考溫度下的電導(dǎo)率，一直控制溫度不變的測量方法有一定的局限性且需要特定的恒溫裝置。所以只能在某些特定實驗使用。（2）手動調(diào)整補償法。在電導(dǎo)率儀上設(shè)置手動溫度補償器，首先測量待測溶液的溫度，并根據(jù)所得溶液的溫度調(diào)節(jié)補償器。該方法通常需要2％作為電解質(zhì)導(dǎo)電率的溫度系數(shù)，但這樣也會產(chǎn)生較大誤差（3）自動溫度補償法。在該裝置的電子單元中提供自動溫度補償裝置，其目的是在測量裝置的電子單元中，無論測量溫度如何，測量裝置都可以自動把所測得的溫度轉(zhuǎn)換為25℃的溶液電導(dǎo)率值。這是一種是自動溫度補償電路，利用電導(dǎo)池?zé)崦綦娮枳詣又瘘c補償。常用的自動溫度補償法有以下三種：熱敏電阻補償法。向測量電路添加溫度敏感元件補償了金屬電阻的阻值會隨溫度增加的而變大的特性，或者利用半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而降低的特性（具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻）來修正溫度對電導(dǎo)率的影響。熱敏電阻的溫度變化抵消了溶液電阻溫度的變化，我們可以用一個合適的熱敏電阻，讓溶液就可以在一定的溫度范圍內(nèi)改變的同時電導(dǎo)率不隨溫度改變。當(dāng)我們的溫度范圍不是很大的時候，我們就可以選擇熱敏電阻幫助我們完成電導(dǎo)率的測量。因為它具有成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。然而，這兩者并非都存在線性關(guān)系，就會導(dǎo)致我們的結(jié)果不準(zhǔn)確。這也就是我們不選擇此方法的原因。參比法補償。在該方法中，把參考電導(dǎo)池和測量電導(dǎo)池連接在一起，我們同時測量參考電導(dǎo)池中溶液的電導(dǎo)率和我們想要測的溶液的電導(dǎo)率，我們不需要擔(dān)心發(fā)生溫度改變，因為我們可以用參考電導(dǎo)池所測得的電導(dǎo)率來幫助測量電導(dǎo)池溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行補償。但參考電導(dǎo)池的電導(dǎo)率決定了測試電導(dǎo)率的范圍，這也就導(dǎo)致了過于局限。因此測量成本高并且測量范圍不那么寬泛。這就是我們不選擇參比法補償?shù)脑?。逐點逼近補償法。該方法主要應(yīng)用于測量高純度的水的電導(dǎo)率。在不同的溫度下，電導(dǎo)率也就會有改變，這也就導(dǎo)致了電導(dǎo)率溫度系數(shù)發(fā)生改變，并且溶液的電導(dǎo)率與溫度之間的變化十分復(fù)雜，而且呈現(xiàn)了非線性的對應(yīng)關(guān)系。不同純度的水在相同的溫度下也會有不同的溫度系數(shù)。電導(dǎo)率的變化和溫度校正曲線都會因為純水的類型的不同而不同。所以不能滿足我們測試多種類型溶液的要求。因此，我們可以通過使用逐點近似的方法在一系列的操作中找到近似純水電導(dǎo)率的曲線來，進(jìn)而找到優(yōu)化的補償路徑。通過使用專用集成電路可以實現(xiàn)逐點近似補償方法，并且得到更好的溫度補償效果。在上述溫度補償方法中，恒溫方法和參比法原則上簡單，補償效果好，但難以大規(guī)模的使用，總會有成本過高或者測量范圍局限性的問題。熱敏電阻補償法在典型的解決方案中，溫度系數(shù)不會發(fā)生大的波動，雖然效果良好但不適合測量高純度水的電導(dǎo)率，也有一定的局限性。相對而言，逐點近似溫度補償比其他方法適用范圍更廣泛，而且其效果對于一般電解質(zhì)溶液或者高純水都有效，唯一遺憾的是電路構(gòu)成過于復(fù)雜，這樣不利于我們操作。因此，在本文中我們決定使用單片機AT89C51進(jìn)行補償。單片機具有豐富的存儲資源，高速度和精確的計算處理能力，單片機的補償效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上樹的這些方法，特別是對高純水的測量，更加可以發(fā)揮其優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用電導(dǎo)率-溫度補償算法將溫度的補償值以預(yù)置表的形式存放在存儲器中，在測量的時候單片機就可以直接進(jìn)行使用，因為不同介質(zhì)具有不同的溫度補償值，我們可以采用系統(tǒng)可編程技術(shù)，在線將補償值修改成我們需要的數(shù)值來解決這個問題。本節(jié)以NaCl溶液為例論述一下本系統(tǒng)采用的電導(dǎo)率-溫度補償算法，并介紹一下電導(dǎo)率-溫度補償算法的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，以便對電導(dǎo)率-溫度補償算法從原理到實現(xiàn)有一個總體的了解。針對式(4-3)所示的數(shù)學(xué)模型，對電導(dǎo)率-溫度補償我們采取分段直線擬合法。分段直線擬合其實是一種微積分的思想，我們把曲線看成無數(shù)段非常小的線段構(gòu)成，這樣就可以通過測量直線的方法，近似得到曲線的數(shù)值。如圖4.1所示。圖中是電導(dǎo)率測量值，是溫度測量值。每條直線段有兩個點是已知的，如圖4.1中直線段Ⅱ中的（）和（）。設(shè)（）為直線段Ⅱ中的任意點。通過整理下列方程（4-1）（4-2）由式（4-1）可知（4-3）圖4-1分段直線擬合從上述分析我們可以看出，只要我們通過實驗把各種不同的溶液各個分段點測量數(shù)據(jù)及相應(yīng)的溫度系數(shù)的值計算出來，并預(yù)先存入電導(dǎo)率-溫度補償數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)測量某種溶液時，就可以直接調(diào)用該溶液的補償數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補償。每種溶液的電導(dǎo)率-溫度補償數(shù)據(jù)庫由三個表構(gòu)成。分別為“電導(dǎo)率索引表”、“溫度索引表”和“電導(dǎo)率溫度系數(shù)表”?！半妼?dǎo)率索引表”用于記錄電導(dǎo)率范圍與電導(dǎo)率范圍代碼的對應(yīng)關(guān)系；“溫度索引表”用于記錄溫度范圍與溫度范圍代碼的對應(yīng)關(guān)系；“電導(dǎo)率溫度系數(shù)表”用于記錄各個溫度范圍段和各個電導(dǎo)率范圍段所對應(yīng)的電導(dǎo)率溫度系數(shù)。下面以NaCl溶液為例，介紹一下電導(dǎo)率—溫度補償算法的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和制表方法，NaCl溶液電導(dǎo)率—溫度補償算法的數(shù)據(jù)庫表如表4-1和表4-2所示。其它溶液的制表方法類似，在此不一一詳述。表4-1NaCl溶液電導(dǎo)率索引表電導(dǎo)率范圍碼下限上限1057.5257.5115.03115230.04230460.05460920.069201840.0718403680.0“NaCl電導(dǎo)率索引表”中字段“下限”、“上限”中的數(shù)據(jù)的單位為：表4-2NaCl溶液溫度索引表溫度范圍代碼下限上限10152151831820420255253063035735408404594550105060116070127080138090149010015100NaCl溫度索引表”中字段“下限”、“上限”中的數(shù)據(jù)的單位為：℃.表4-3NaCl溶液電導(dǎo)率溫度系數(shù)表溫度范圍代碼123456710.02050.02040.02040.02040.02040.020220.02060.02150.02130.02130.02130.02120.021030.02130.02200.02190.02190.02180.02150.021340.02190.02240.02230.02230.02210.02190.021750.02230.02290.02270.02280.02260.02230.022160.02310.02340.02330.02330.02310.02280.022670.02400.02390.02380.02380.02370.02330.023080.02470.02450.02440.02430.02420.02370.023490.02500.02480.02470.02470.02450.02390.0236100.02530.02510.02500.02510.02470.02410.0238110.02570.02560.02540.02540.02500.02460.0241120.02600.02590.02580.02580.02570.02520.0249130.02640.02630.02610.02600.02580.02550.0253140.02670.02660.02640.02640.02600.02570.0256150.02700.02700.02690.02690.02690.02650.0261下面舉一個簡單的例子，說明一下NaCl溶液溫度補償具體實現(xiàn)方法。例：用電導(dǎo)率測析儀測得33℃的NaCl溶液的電導(dǎo)率為220，現(xiàn)用本系統(tǒng)采用的電導(dǎo)率—溫度補償算法將其換算為基準(zhǔn)溫度為25℃時的電導(dǎo)率值。解：當(dāng)我們的NaCl溶液在33℃的情況下電導(dǎo)率取220，可以通過表4-1和表4-2查得電導(dǎo)率范圍代碼為3，溫度范圍代碼為6。通過電導(dǎo)率范圍代碼為3和溫度范圍代碼為6就可以在表4-3中查得對應(yīng)的電導(dǎo)率溫度系數(shù)為0.0233。根據(jù)式（4-2）可求出同理可求如果不采用電導(dǎo)率—溫度補償算法，僅用在0~50℃范圍內(nèi)，鹽類溶液電導(dǎo)率的溫度系數(shù)平均值為進(jìn)行換算，則顯然，采用和不采用電導(dǎo)率—溫度補償算法所得到的基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率值偏差還是不能忽視的。因為單片機擁有豐富的存儲器資源和高速而準(zhǔn)確的運算能力，直接由式(4-2)，只要在規(guī)定范圍內(nèi)可以測出溫度和電導(dǎo)率，我們就可以求出在25℃時待測溶液的電導(dǎo)率。這也是本文提出利用單片機進(jìn)行溫度補償?shù)淖畲髢?yōu)勢所在。對于我們想測量電導(dǎo)率的溶液，我們只需要把實驗需要的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率溫度系數(shù)表存入單片機，就可以求出在25℃時的電解質(zhì)溶液時的電導(dǎo)率。第5章迭代法迭代法、二分法、遍歷法在解非線性方程時比較常用，下面簡要介紹它們的特點。二分法在區(qū)間很大時，我們選擇自變量取到無窮大，這樣所收斂的數(shù)值就使我們的解。然而當(dāng)搜索區(qū)間是一個小范圍時，收斂的數(shù)值不一定為我們的解，且計算過程很復(fù)雜，達(dá)不到高精度的要求，因此通常用二分法為其他迭代法提供迭代初值。遍歷法的計算也很復(fù)雜，我們一般使用遍歷法來確定解落在那個區(qū)間之中。因此我們選擇迭代法為來解非線性方程。在變頻電導(dǎo)率測量方法中，通過迭代法解非線性方程得時間常數(shù)τ，在求解溶液電阻過程中至關(guān)重要。常用的迭代法有Newton法(也稱切線迭代法),不動點迭代法。Newton法是基本的迭代法，雖然它的收斂速度足夠快可以讓我們得到一個確定的解，但它的缺點是計算過程需要求導(dǎo)，求到的過程過于復(fù)雜就會在計算過程中出現(xiàn)誤差。不動點迭代法的基本原理是:我們首先需要假設(shè)一個連續(xù)的函數(shù)，該方程我們列為是f(x)=0，此時我們需要進(jìn)行隱函數(shù)變換，可以得到顯函數(shù)房產(chǎn)x=y(x)，從而得到迭代公式。當(dāng)我們的K值取無窮大時，是這個序列的極限，從而得到x*，則x*也就是方程的根。我們從不動點迭代法的數(shù)學(xué)角度可知，方程f()=0不一定都能轉(zhuǎn)化為x=y(x)，因為不是每個隱函數(shù)都可以轉(zhuǎn)變?yōu)轱@函數(shù)，而且就算轉(zhuǎn)化成功，構(gòu)造的迭代表達(dá)式也不一定收斂，并且收斂速度也受構(gòu)造的迭代表達(dá)式的影響。但它也有自己的優(yōu)點就算其計算過程要比Newton法簡單。用Matlab分別對Newton法和不動點迭代法進(jìn)行仿真實驗，從圖像的穩(wěn)定性和所需要的時間就可以對比出哪個方法更加可取設(shè)（5-1）溶液電阻=1.0019MΩ,=2000PF,f1=100HZ,f2=2800HZ，直流量=431.83mV,=108.18mV，將這些常數(shù)代入(5-1)繪出曲線如圖5.1所示。發(fā)現(xiàn)在零點A的右鄰域(從0開始)內(nèi)，函數(shù)為單調(diào)遞減，也就是一階導(dǎo)數(shù)小于零。當(dāng)函數(shù)減小到某個閾值時，函數(shù)在達(dá)到閾值后單調(diào)地?zé)o限增加到零。因此，初始迭代值越小，接近臨界值的時間越短，這樣我們趨于零點的時間也會縮短。實驗表明迭代初值和收斂精度一樣的情況下，Newton法與不動點迭代法在該區(qū)間內(nèi)迭代次數(shù)基本相同，但是要求導(dǎo)，計算過程麻煩，所以不動點迭代法更加實用。圖5-1函數(shù)曲線f(τ)～τ根據(jù)不動點迭代法原理，先由（5-1）式構(gòu)造迭代公式，求出時間常數(shù)（5-2）從（5-2）中我們可以確定時間常數(shù)收斂于一個定值。不動點迭代法子程序如下：functiony=iterate(x)xl=g(x);%非線性方程n=0;%迭代次數(shù)while(abs(x1一x)1.0e-10)&(n1000)x=xl;xl=g(x);n=n+1;endny=xl;以時間常數(shù)為未知量的非線性方程functiony=g(x)global;%輸入直流量1global;%輸入直流量2global;%輸入頻率1global;%輸入頻率2y=0.5*(/-1)/(2.0**log(0.5*(1.0+exp(-1.0/(2.0…**x))))-2.0**(/)*log(0.5*(l.0+exp(一1.0/…(2.0**x)))));從迭代方法本身來看，當(dāng)收斂控制的準(zhǔn)確性比較高的時候，我們迭代的次數(shù)就會減少。當(dāng)收斂控制的精度比較高的時候，迭代次數(shù)也會隨之增多。根據(jù)非線性方程本身來講，它由兩個頻率和兩個DC量確定，觀察式(5-2)，若所選的兩個頻率都足夠低，這樣就會導(dǎo)致脈寬T遠(yuǎn)大于時間常數(shù)τ，則兩個指數(shù)