CN101343104B - 一种水质pH值智能变送装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对我国集约化水产养殖急需应用水质自动监测技术的现状，研制一种面向集约化水质监测应用的水质pH值智能变送装置。该智能变送装置集成水质参数信号调理技术、变送技术，直接接入水温、酸碱度传感器探头信号，内嵌高性能微处理器，在探头信号采集的基础上，不仅利用自校准技术实现pH值自动温度补偿功能，而且采用IEEE1451标准提出的智能网络接口模型，实现智能变送器的自诊断与即插即用功能。推进水质pH变送装置向智能化、网络化、微型化方向发展，提升集约化水产养殖水质监测水平。

Description

一种水质pH值智能变送装置

技术领域

本发明涉及一种水质pH值智能变送装置，尤其涉及一种适用于集约化水产养殖水质pH值网络化智能变送装置。

背景技术

酸碱度值是反应水溶液性质的重要电化学参数，而温度又对酸碱度有至关重要的影响。因此监测和控制影响水体环境正常进行的水质参数具有重大的理论和现实意义。

由于我国在水质在线自动监测技术起步较晚，在实际工作中，大量采用的监测手段仍然是传统的实验室手工分析方法，测试数据滞后数小时甚至更多。对于水质自动监控系统中使用的监测仪器，主要以传统的两线制变送器为主。目前我国已先后研制和生产了各种型号的工业pH计。但普遍存在造价高、功能单一、无法和现场总线控制系统连接的问题。随着控制、计算机、通信和网络的不断发展，测控仪表正朝着智能化、网络化、集成化的方向发展。同时，我国许多行业的高端仪表市场，几乎全部被国外公司所占领。因此，研制一种水质pH值智能变送器，具有广泛的应用价值和市场前景。

发明内容

为解决上述造价高、功能单一、无法和现场总线控制系统连接的问题，本发明提供一种智能化、网络化、集成化的水质pH值智能变送装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种水质pH值智能变送装置，该装置包括：

pH探头，选用工业在线pH探头，用于采集待测水质的pH信号；

温度探头，选用具有一定精度的温度敏感元件，用于采集所述待测水质的温度信号；

变送调理模块，将所述pH探头和温度探头采集的信号转换为标准pH模拟信号和标准温度模拟信号；

A/D转换模块，将标准pH模拟信号转换为pH数字信号，将标准温度模拟信号转换为温度数字信号，并将pH数字信号和温度数字信号传送至微处理模块；

所述微处理模块，根据接收的温度数字信号，利用自动校准通道差异，对pH数字信号进行校正；

总线接口模块，用于水质pH值智能变送装置与网络应用处理器之间进行数据交换；

电子数据表格模块，与微处理模块相连，供网络应用处理器读取这些各参数从而使其识别水质pH值智能变送装置。

所述电子数据表格模块包括：

设备表格子模块，用于存储所述水质pH值智能变送装置的产品号、地址、通道数、版本信息；

通道表格子模块，用于存储pH探头和温度探头的参数；

标定表格子模块，用于存储采集的pH信号受温度影响的参数；

所述网络应用处理器通过读取所述通道表格子模块识别所述pH探头和所述温度探头；

所述微处理模块读取所述标定表格子模块，对测量的pH值进行温度补偿。

其中，所述pH探头和所述温度探头为复合探头。

其中，所述变送调理模块，包括：两个同相放大器和一个差分放大器，用于对采集的pH信号和温度信号进行阻抗变换与信号放大。

本发明的优点和有益效果在于：

本发明的优点在于实现智能化和标准化。基于同时测量的温度和酸碱度，实现自动补偿功能，提供测量准确性；通过电子数据表格进行传感器数据的读入和执行器参数的设定，能够实现传感器的“即插即用”。

附图说明

图1是本发明水质pH值智能变送装置原理示意图；

图2是本发明实施例的水质pH值智能变送装置原理示意图；

图3是本发明变送调理模块的电子线路图；

图4是本发明微处理器与RS485接口芯片LBC184的通信示意图；

图5是本发明主程序流程图。

图中：10、pH探头；15、温度探头；20、变送调理模块；25、电源调理模块；30、A/D转换模块；35、电源管理模块；40、微处理模块；50、电子数据表格模块；60、总线接口模块。

具体实施方式

下面参照附图1和图2对本发明一种水质pH值智能变送器的具体实施方式进行说明。

如图1所示，本发明的水质pH值智能变送装置包括：pH探头10，温度探头15，变送调理模块20，A/D转换模块25，微处理模块40，电子数据表格模块50，总线接口模块60，其中，pH探头10和温度探头15构成传感器模块，变送调理模块20，A/D转换模块30，微处理模块40，电子数据表格模块50构成智能变送装置接口模块STIM(SmartTransducer Interface Module)。

pH探头和温度探头用于测量集约化水产养殖场水质的pH值和温度值，两个探头集成为一个总的温度pH值传感器，同时对一个测点进行温度和酸碱度测量，保证被测点位置上的同一性和参数在时间上的实时性，适应自动化监控技术的检测要求。

本实施例中，采用的pH探头和温度传感器参数如下：pH探头型 号为pH-1074玻璃电极，量程为0-10pH，分辨率为0.01pH，基本误差为±0.03pH；温度传感器感应头型号为Pt100，量程为0-100℃，精度为0.3℃。

变送调理模块20，变送调理模块20主要作用是把不同性质的、不同输入阻抗信号通过放大、滤波等电子技术变换到标准模拟信号。由于水质pH探头具有高输出阻抗特性，微弱信号的特点，因此，本发明的变送调理模块20的变送调理电路如图3所示，变送调理电路由集成电路U1～集成电路U3、R1～R9连接构成。pH探头输出信号通过R1从集成电路U1的同相输入端(IN1)输入、温度传感器输出信号通过R4从集成电路U2的同相输入端(IN2)输入。集成电路U1的反相输入端通过R2接集成电路U2的反相输入端并通过R3接集成电路U1的输出端、集成电路U1的输出端通过R6接集成电路U3的反相输入端并通过R8接集成电路U3的输出端，集成电路U2的反相输入端通过R5接集成电路U2的输出端、集成电路U2的输出端通过R7接集成电路U3的同相输入端并通过R9接地。集成电路U1与R1、R2、R3连接成一个同相放大器，集成电路U2与R2、R4、R5连接成一个同相放大器，这样就可以保证输入信号不受电阻变化影响。集成电路U3与R6、R7、R8、R9连接构成差动放大器，可获得较高共模抑制比，增强了放大器的抗干扰能力，能适应工业现场的复杂环境。

上述变送调理模块20同时连接上述pH探头和温度传感器，同步变送采集两路信号，利用微处理器自动校准通道差异，提高pH值变送装置的一致性，同时利用同步获取的温度信号，自动补偿pH测量值，提高pH值测量精度。

A/D转换模块30和微处理模块40，A/D转换模块主要用于将标准模拟信号转化为数字信号，微处理模块对转换后的数字信号进行计算和存储。为了增强系统的集成度，本发明采用美国TI公司的MSP430作为主控芯片。MSP430单片机具有12位8路A/D转换器功能，使得系 统的硬件电路更加集成化、小型化。并且转换后的结果在微控制器内部进行，根据温度、酸碱度之间的相互影响进行拟合，通过软件的方法来消除传感器自身由于工作环境改变而引起的变化，因此数据客观准确。

电源调理模块25，如图3所示，本发明还设有电源调理模块25，该模块直接输入供电电压，通过电阻分压方法，满足A/D转换模块输入电压要求，为供电状况自诊断提供依据。设置电源管理模块35，一方面通过稳压电路提高输入电压适应范围，增强芯片电压的稳定性，另一方面与微处理模块40配合，实现对硬件电路各模块的脉冲式供电，使水质pH值智能变送装置在超低功耗下运行。

总线接口模块60，本发明设计了RS485、CAN和SDI-12三种总线连接。下面以RS485为例，介绍一下单片机MSP430与RS485接口芯片LBC184的连接与通讯。由于CPU不能直接与RS485接口连接，因此还须加上RS232C与RS485的转换电路。RS232C与RS485转换电路设计选用美国TI公司生产的一种RS485接口芯片SN75LBC184芯片。SN75LBC184采用单一电源Vcc，电压在+3～+5.5V范围内都能正常工作。

图4是本发明微处理器与RS485接口芯片LBC184的通信示意图。选用PC机的COM2接口，但COM2的9个端口只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口，以构成简易的四线通信线路。四位一体的光电耦合器TLP521让单片机与SN75LBC184芯片之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性质。基本工作原理：当单片机P3.4＝0时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压(+5V)，选中RS-485接口芯片的DE端，允许发送。当单片机P3.4＝1时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压(0V)，选中RS-485接口芯片的RE端，允许接收。SN75LBC184的R端(接收端)和D端(发送端)的原理与上述类似。考虑到线路的 特殊情况(如某一节点的RS-485芯片被击穿短路)，为防止总线中其他分机的通信受到影响，在SN75LBC184的信号输出端串联了2个20Ω的电阻R1和R5，这样本发明的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端应接一个与120Ω的匹配电阻R3，以减少线路上传输信号的反射。

电子数据表格模块50，与微处理模块40相连，电子数据表格TEDS(Transducer Electronic DataSheet)完整定义了智能变送装置接口模块的各个部分逻辑信息存储和互操作格式，也是对STIM各通道传感器数据进行校正的基础数据结构。一个符合标准的变送装置自身带有内部信息，包括：制造商、数据代码、序列号、使用的极限以及标准系数等。当系统通电时，这些数据可以提供给网络应用处理器NCAP(Network Capable Application Porcessor)以及系统其他部分。TEDS把对传感器的标定，以及数据的校正等工作转化为微处理器承担的例行任务，它是智能传感器自校准、自补偿等智能功能的基础。NCAP实现网络数据通信，STIM的控制和信号处理等功能。

TEDS分为8个可寻址部分，其中两个必备的电子数据表格是设备电子数据表格Meta-TEDS和通道电子数据表格Channel-TEDS，其余可按需选择。Meta-TEDS，描绘TEDS信息、数据结构及支持的通道数和通道极限时间参数等有关STIM的总体信息；每个STIM通道包括1个Channel-TEDS，主要用来对每个通道具体信息，如描述通道物理属性、纠正类型、返回数据类型和格式通道的定时信息等。由于用到传感器自校正功能，故此发明也用到标定电子数据表格Calibration-TEDS。一般TEDS占用的存储空间较小，用单片机中FLASH是存放TEDS最理想的地方。

由于Meta-TEDS和Channel-TEDS都是只读不可修改的，因此， 可以将这两个表格随程序直接固化到MSP430内部集成的FLASH作为TEDS的存储器。通过片内存储器映射器来访问数据寄存器组并保存数据。通过控制寄存器来实现各种读、写擦除和校验操作。而Calibration-TEDS等电子数据表格是可以修改的，用户可以读取下载这些表格。因此，设计采用EEPROM作为Calibration-TEDS等表格的存储空间。本发明为了方便TEDS内容的升级与更新，采用异步串行口来下载电子数据表格至MSP430片内FLASH。

如图5所示，NCAP检测到STIM之后，首先读取Meta-TEDS，Meta-TEDS存储了水质pH值智能变送装置的产品号、地址、通道数、版本等整体信息，NCAP读取并解析这些数据后就能够识别STIM，若STIM存在传感器通道，则读取各通道的Channel-TEDS，Channel-TEDS存储了出厂前标定号的有关通道的所有参数，NCAP解析通道的所有参数，就能够识别连接在STIM上的所有传感器，进而完成传感器的即插即用。

本发明的工作原理：pH探头和温度传感器输出微弱的电压信号，经过具有由电阻分压原理实现的调零电路、高阻抗的差分输入放大电路、滤波电路构成的变送调理模块将pH探头和温度传感器输出的mV级信号放大到0-3.3V信号，再经取样产生电压信号输入到微控制器MSP430片内的ADC，ADC对相应通道数模转换后，存储于RAM中，然后通过总线接口将数据读入NCAP。总线接口连接了热拔插电路，可以实现STIM的热拔插。

Claims (3)

1.一种水质pH值智能变送装置，其特征在于，该装置包括：

pH探头，选用工业在线pH探头，用于采集待测水质的pH信号；

温度探头，选用具有一定精度的温度敏感元件，用于采集所述待测水质的温度信号；

变送调理模块，将所述pH探头和温度探头采集的信号转换为标准pH模拟信号和标准温度模拟信号；

A/D转换模块，将标准pH模拟信号转换为pH数字信号，将标准温度模拟信号转换为温度数字信号，并将pH数字信号和温度数字信号传送至微处理模块；

所述微处理模块，根据接收的温度数字信号，利用自动校准通道差异，对pH数字信号进行校正；

总线接口模块，与所述微处理模块连接，用于水质pH值智能变送装置与网络应用处理器之间进行数据交换；

电子数据表格模块，与微处理模块相连，供网络应用处理器识别水质pH值智能变送装置；

所述电子数据表格模块包括：

设备表格子模块，用于存储所述水质pH值智能变送装置的产品号、地址、通道数、版本信息；

通道表格子模块，用于存储pH探头和温度探头的参数；

标定表格子模块，用于存储采集的pH信号受温度影响的参数；

所述网络应用处理器通过读取所述通道表格子模块识别所述pH探头和所述温度探头；

所述微处理模块读取所述标定表格子模块，对测量的pH值进行温度补偿。

2.如权利要求1所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于，所述pH探头和所述温度探头为复合探头。

3.如权利要求1所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于，所述变送调理模块，包括：两个同相放大器和一个差分放大器，用于对采集的pH信号和温度信号进行阻抗变换与信号放大。

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