CN102116756A

CN102116756A - 一种基于单片机的液体电导率测量方法

Info

Publication number: CN102116756A
Application number: CN2009102477118A
Authority: CN
Inventors: 申一尘; 王怀君; 王绍祥; 李国平; 王国峰; 张欣; 王幸呈
Original assignee: ZHONGYI INDUSTRIAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI; SHANGHAI CHENGTOU RAW WATER CO Ltd
Current assignee: ZHONGYI INDUSTRIAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI; SHANGHAI CHENGTOU RAW WATER CO Ltd
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN102116756B

Abstract

本发明揭示了一种基于单片机的液体电导率测量方法，可适用于测量水的电导率，其通过单片机驱动信号发生器发出波形信号，该信号加在放置在液体中的变压器的初级绕组时，由于水体在通过耦合线圈中间构成一个闭合的回路，所以在水的该单通回路中感应出感应电动势，在该闭合回路中必然会产生电流，当水质的电导率不同时，流过单通回路的电流也不同，这样就在所述变压器的次级绕组上感应出依赖水质电导率变化而变化的交变感应电压，由于交变感应电压和水体电导率是一一对应的关系，所以只要测出交变感应电压值，通过定标就能测出水质的电导率。由于通过单片机控制，所以可以对其中的电导率测量范围、零点值及波形信号的频率步进进行设置。

Description

一种基于单片机的液体电导率测量方法

技术领域

本发明涉及电导率测量领域，特别涉及一种基于单片机的液体电导率测量方法。

背景技术

电导率是物体传导电流的能力。液体比如水的电导率，是表示水的导电性即水的电阻的倒数，通常用它来表示水的纯净度。所以经常通过测量液体的电导率来确定液体的纯净度。

水质的电导率是确定水质好坏的重要参数之一，水的盐度和温度对水的电导率都具有影响。盐度对水的电导率影响是：盐度较低时水溶液的电导率直接和溶解盐浓度成正比，而且盐度越高，电导率越大；并且在相同浓度下，强电解质具有较大的电导率，而弱电解质的电导率就小得多。温度对水的电导率影响是：溶液的电阻是随温度升高而减小，即溶液的浓度一定时，它的电导率随着温度的升高而增加，其增加的幅度约为2％℃-1。另外同一类的电解质，当浓度不同时，它的温度系数也不一样。在低浓度时，电导率的温度之间的关系用下式表示：L1＝L0[1+α(t-t0)+β(t-t0)²]，其中L0为溶液在温度t0时的电导率，α与β为参数。由于第二项β(t-t0)²之值较小，可忽略不计，故在低温时的电导率与温度的关系可用以下近似值L1＝L0[1+α(t-t0)]表示。

在环保要求日益提升的情况下，迫切需要提供一种对液体尤其是对水的电导率的测量系统及方法，测量到其电导率后，方可确定其纯净度为多少。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单片机的液体电导率测量方法，实现了对液体电导率的准确测量。

本发明提供一种基于单片机的液体电导率测量方法，包括以下步骤：

1.1、将具有第一绕组和第二绕组的变压器置于被测液体中，并准备单片机和与其连接的信号发生器；

1.2、对步骤1.1中的硬件系统初始化并从所述单片机的存储器中至少读取零点值以及表征当前电导率测量范围的信息；

1.3、所述单片机控制所述信号发生器输出波形信号至所述变压器的第二绕组，对所述变压器第一绕组产生的波形信号感应电压进行放大，将放大后的波形信号感应电压的最大值输出至一A/D转换器并转化为数字信号输出；

1.4、依据所述A/D转换器输出的感应电压数字信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率；

1.5、若步骤1.3输出的转化为数字信号的波形信号感应电压的最大值大于零点且和上次读取值不同，则重新设置步骤1.3中波形信号的频率值并转步骤1.3。

所述方法还包括温度补偿步骤：将温度传感器设置在所述液体中并与所述单片机连接，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。

所述方法在进行温度补偿步骤时，所述步骤1.2在硬件系统初始化时，还从所述单片机的存储器中读取温度补偿表，并且所述温度传感器采集的温度若较上次有变化时，则根据温度补偿表和温度与频率的线性关系重新设置步骤1.3中波形信号的频率值并转步骤1.3。

所述方法还包括设置步骤1.2中电导率测量范围及/或设置步骤1.2中零点值及/或设置步骤1.3中波形信号的频率步进的步骤。

所述方法在进行设置步骤1.3中波形信号的频率步进的步骤时，通过串口向所述单片机发送两个字节，其中第一个字节为0x01，第二个字节为步进设置字节，具体为频率步进×100所得结果的十六进制形式。

所述方法在进行设置步骤1.2中零点值的步骤时，通过串口向所述单片机发出三个字节的十六进制，其中第一个字节与第二个字节表征参考零点值，第三个字节为当前的温度值。

所述方法在进行设置步骤1.2中电导率测量范围的步骤时，通过串口向所述单片机发送两个字节的十六进制数，其中第一个字节为0x03，第二个字节为测量范围，第二个字节中：0x01表示测量范围为0～500mg/L，0x02表示0～3000mg/L，0x03表示0～6000mg/L，0x04表示0～18000mg/L。

所述温度补偿表的温度范围为0℃～40℃。

所述步骤1.1中的信号发生器为DDS正弦信号发生器。

所述方法还包括通过设置增益调节电路对经所述步骤1.3放大的波形信号感应电压进行增益调节的步骤。

采用本发明所述的一种基于单片机的液体电导率测量方法，可适用于测量水的电导率，其通过单片机驱动信号发生器发出波形信号，如正弦波信号，该信号加在放置在液体中的变压器的初级绕组时，由于水体在通过耦合线圈中间构成一个闭合的回路，所以在水的该单通回路中感应出感应电动势，在该闭合回路中必然会产生电流，当水质的电导率不同时，流过单通回路的电流也不同，这样就在所述变压器的次级绕组上感应出依赖水质电导率变化而变化的交变感应电压，由于交变感应电压和水体电导率是一一对应的关系，所以只要测出交变感应电压值，通过定标就能测出水质的电导率。由于通过单片机控制，所以可以很方便的对其中的电导率测量范围、零点值及波形信号的频率步进进行设置。

附图说明

图1是本发明所述测量方法的主流程图；

图2是本发明所述测量方法的原理框图；

图3是本发明所述信号发生器电路原理图；

图4是本发明所述放大电路原理图；

图5是本发明所述检波电路及A/D转换器的原理图；

图6是本发明所述单片机及温度传感器电路原理图；

图7是本发明所述的电源电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供一种液体电导率测量方法200，参见图1，包括以下步骤：

201、将变压器置于被测液体中，并准备单片机和信号发生器。

将具有第一绕组和第二绕组的变压器置于被测液体中，并准备单片机和与其连接的信号发生器。

202、初始化硬件系统并读取配置信息。

对步骤201中的硬件系统初始化并从所述单片机的存储器中至少读取零点值以及表征当前电导率测量范围的信息

203、输出波形信号并对产生的波形信号感应电压进行放大，并转化为数字信号输出。

所述单片机控制所述信号发生器输出波形信号至所述变压器的第二绕组，对所述变压器第一绕组产生的波形信号感应电压进行放大，将放大后的波形信号感应电压的最大值输出至一A/D转换器并转化为数字信号输出。

204、根据标准的电压与电导率的对应关系输出电导率。

依据所述A/D转换器输出的感应电压数字信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。

205、若步骤203输出值大于零点且和上次读取值不同，则重新设置波形信号的频率值并转步骤203。

若步骤203输出的转化为数字信号的波形信号感应电压的最大值大于零点且和上次读取值不同，则重新设置步骤203中波形信号的频率值并转步骤203。

参见图2，图2显示了本发明所述测量方法原理框图100：单片机110和与其连接的信号发生器120，所述单片机110用以向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器120用以在所述单片机110的控制下输出波形信号。参见图3，作为一实施例，所述信号发生器120为DDS正弦信号发生器(数字合成正弦信号发生器)，DDS正弦信号发生器在单片机110的控制下发出正弦波信号。DDS正弦信号发生器由DDS直接数字频率合成器U1和运算放大器U2组成。DDS直接数字频率合成器U1通过SPI总路线与单片机110相连，可由单片机110控制产生0～10M，步进0.01Hz、峰峰值0.4V的正弦信号。由于其产生的信号电压都为正，若将其直接放大后驱动变压器130线圈，则其直流分量会烧坏线圈或运算放大器。若想用该信号放大后驱动线圈，则需先将其调整为标准正弦信号，然后放大到合适的峰值后驱动线圈。此处的运放应选择驱动能力较强，信噪比较大的运放，见图3中的运算放大器U2。需要说明的是，作为其他实施例，所述信号发生器120也可以产生其他波形(方波等)，此时就可以选择能产生相应波形的信号发生器120了。

同轴变压器130，置于被测的所述液体中，包括第一绕组和第二绕组，其第二绕组连接所述信号发生器120的输出端以接收所述正弦波信号。

放大电路140，其输入端连接所述变压器130的第一绕组以接收所述正弦波信号的感应电压并进行放大。正弦波信号加在同轴变压器130的第二绕组上，则第一绕组上会感觉出大小依赖于电导率和温度的正弦信号，通常情况下该信号是很微小的，若直接对其进行检波可能会检测不到或是影响测量的准确性。由于测量范围分为几档，电导率变化范围很大，运放电路若采用固定增益很难满足设计的要求，但用手动方法进行增益调整又是不现实，采用数字电位器则可由单片机110根据需要随时对放大电路140的增益进行调整，适应不同的应用场合。参见图4，图4中的放大电路140选用了运算放大器U5与U11，其采用的数字电位器为U12A和U12B。

检波电路150及与其连接的A/D转换器160(模数转换器)，检波电路150的输入端连接所述放大电路140的输出端以接收所述放大的正弦波信号感应电压，检测所述正弦波信号感应电压的最大值并输出；A/D转换器160的输入端连接所述检波电路150，输出端连接所述单片机110，用以将所述检波电路150输出的模拟信号转化为数字信号并输出至所述单片机110。参见图5，图5中的运算放大器U3、U4和晶体管Q1及相关外围电路组成检波电路150进行检波，并采用了高精度串行A/D转换器160U6进行模数转换。

A/D转换器160将电压信号有模拟信号转化为数字信号后，所述单片机110处理所述A/D转换器160输出的感应电压信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。

参见图6，单片机110是整个硬件电路的中枢，负责控制激励信号的频率，控制放大电路140的增益，检测A/D转换器160采样的值，读取温度传感器180的温度，保存各种参数在其内嵌的存储器中，根据串口接收的指令设置传感器的工作模式、运放增益、检测零点值、以及步进频率值。与其对应的外部接口为串行通信接口，采用RS-232电平。作为一实施例，所述测量方法200还包括温度补偿步骤，设置在所述液体中并与所述单片机110连接的温度传感器180，所述温度传感器180采集所述液体的温度并传输至所述单片机110，所述单片机110根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。这个温度传感器180所起的作用是温度补偿作用。

在图1的步骤202中，上电后对硬件系统进行初始化设置，包括看门狗设置、串口初始化、A/D转换器160初始化、定时器初始化以及信号发生器120的初始化。硬件初始化完成后从单片机110读取配置信息，包括温度补偿表、零点值以及表征当前测量范围的参数。然后设置信号发生器120的初始输出频率为6000Hz。读取感应电压经放大后通过A/D转换后的值、读取温度值，若AD值大于零点并且和上次读取值不同或是温度值有所变化，则根据温度补偿表和线性关系重新设置输出频率值。判断作为单片机110输入接口的串口是否接收到参数设置数据，接收到数据后可设置的参数有：温度补偿表、起始零点值、频率增长斜率(频率步进值)以及电导率测量范围。设置参数保存在单片机110的存储器中，防止重新上电后新的配置信息丢失。

所述方法在进行温度补偿步骤时，所述步骤202在硬件系统初始化时，还从所述单片机110的存储器中读取温度补偿表，并且所述温度传感器180采集的温度若较上次有变化时，则根据温度补偿表和温度与频率的线性关系重新设置步骤203中波形信号的频率值并转步骤203。

所述方法中设置步骤202中电导率测量范围及/或设置步骤202中零点值及/或设置步骤203中波形信号的频率步进的步骤，详见以下：

对单片机110进行相关参数的设置时需要用到RS232接口，单片机的RS-232接口定义为：绿线为RS 232-TXD、蓝线为RS232-RXD、白线接地。按照接口定义连接好串口，上位机打开串口助手或超级终端等串口调试工具，波特率设为9600，8位数据位，1位停止位。打开串口后对整个系统加电(请勿带电插拔串口)，传感器上电后会从串口发出一些十六进制的数据。

一、频率步进设置：

通过串口向所述单片机110发送两个字节，其中第一个字节为0x01，第二个字节为步进设置字节，具体为频率步进×100所得结果的十六进制形式。

例如要设置频率步进为1.5Hz，则步进设置字节的值为1.5×100＝150，将其转换为十六进制为96。只需通过串口向单片机110发送十六进制0196就可以将频率步进设置为1.5Hz。

二、参考零点值设置：

参考零点值需要根据系统空载时发出的数据来设定，空载上电稳定后串口每个会发出三个字节的十六进制，其中第一个字节与第二个字节表征参考零点值(十六进制)，第三个字节为当前的温度值(BCD码)。稳定后每次发出的数据应该都是一样的。

设置参考零点需通过串口向单片机110发送三个字节，其中第一个字节为0x02，第二个字节是单片机110每次发出的第一个字节，第三个字节为单片机110每次发出的第二个字节。

例如空载时每次单片机110发出数据为十六进制39 2C 31，则设置参考零点时只需向单片机110发送十六进制02 39 2C即可。

三、测量范围设置：

设置测量范围需通过串口向单片机110发送两个字节的16进制数，第一个字节为0x03，第二个字节为测量范围，0x01表示测量范围为0～500mg/L，0x02表示0～3000mg/L，0x03表示0～6000mg/L，0x04表示0～18000mg/L。

例如要设置测量范围为0～500mg/L时，只需要向单片机110发送十六进制03 01即可。

另外，所述测量方法200还包括增益调节步骤，通过增设增益调节电路170，参见图2，其输入端连接所述单片机110，其输出端连接所述放大电路140，用以对所述正弦波信号的感应电压进行增益调节。

参见图7，所述测量方法200的电源部分要解决的主要问题是单电源供电与激励信号需要采用交流信号的矛盾，双电源运放的电源对称性和稳定性，A/D转换器160电压基准的稳定性等。为能从单电源供电中获取正负电源，需要采用DC-DC模块U10，来控制电源模块V1、V2、V 3及V4。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.一种基于单片机的液体电导率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括温度补偿步骤：将温度传感器设置在所述液体中并与所述单片机连接，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述方法在进行温度补偿步骤时，所述步骤1.2在硬件系统初始化时，还从所述单片机的存储器中读取温度补偿表，并且所述温度传感器采集的温度若较上次有变化时，则根据温度补偿表和温度与频率的线性关系重新设置步骤1.3中波形信号的频率值并转步骤1.3。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括设置步骤1.2中电导率测量范围及/或设置步骤1.2中零点值及/或设置步骤1.3中波形信号的频率步进的步骤。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述方法在进行设置步骤1.3中波形信号的频率步进的步骤时，通过串口向所述单片机发送两个字节，其中第一个字节为0x01，第二个字节为步进设置字节，具体为频率步进×100所得结果的十六进制形式。

6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述方法在进行设置步骤1.2中零点值的步骤时，通过串口向所述单片机发出三个字节的十六进制，其中第一个字节与第二个字节表征参考零点值，第三个字节为当前的温度值。

7.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述方法在进行设置步骤1.2中电导率测量范围的步骤时，通过串口向所述单片机发送两个字节的十六进制数，其中第一个字节为0x03，第二个字节为测量范围，第二个字节中：0x01表示测量范围为0～500mg/L，0x02表示0～3000mg/L，0x03表示0～6000mg/L，0x04表示0～18000mg/L。

8.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述温度补偿表的温度范围为0℃～40℃。

9.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤1.1中的信号发生器为DDS正弦信号发生器。

10.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括通过设置增益调节电路对经所述步骤1.3放大的波形信号感应电压进行增益调节的步骤。