CN106199204A - 一种基于微控制器的溶液电导率测量仪表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学测量领域，提供一种基于微控制器的溶液电导率测量仪表，包含电源供电模块、激励信号发生模块、信号功率放大模块、电导池待测电路、测量信号后端处理模块、测量信号采集模块、温度检测模块、微控制器、扩展接口模块、LCD显示与键盘输入模块，本发明仪表使用CPU片上flash存储的数据，通过模数转换器生成不同频率和幅度的激励正弦信号，将激励信号通过待测的电导池后可以测量电导池中待测溶液的电导率，同时采集溶液的温度，对测量的电导率进行修正；通过添加模拟选择开关，系统自动寻找正确的档位，提高电导率参数的测量精度以及稳定性。

Description

一种基于微控制器的溶液电导率测量仪表

技术领域

本发明涉及电化学测量领域，具体涉及一种改进的基于微控制器的溶液电导率测量仪。

背景技术

随着电化学测量技术的不断发展，以微控制器为中心的应用系统逐步取代模拟和非智能系统。因此，电极式溶液电导率的测量仪表的设计逐步转变到以微控制器为中心的智能系统上来。模拟和非智能电工仪表普遍存在设备模拟电路复杂、容易受到干扰、设备体积大、操作比较繁琐、功能单一等缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服传统模拟仪器和非智能设备的不足之处，提出一种基于微控制器的溶液电导率测量仪，该仪表使用CPU片上flash存储的数据，通过模数转换器生成不同频率和幅度的激励正弦信号，将激励信号通过待测的电导池后可以测量电导池中待测溶液的电导率，同时采集溶液的温度，对测量的电导率进行修正；通过添加模拟选择开关，系统自动寻找正确的档位，提高电导率参数的测量精度以及稳定性。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的：一种基于微控制器的溶液电导率测量仪表，包含电源供电模块、激励信号发生模块、信号功率放大模块、电导池待测电路、测量信号后端处理模块、测量信号采集模块、温度检测模块、微控制器、扩展接口模块、LCD显示与键盘输入模块，所述电导池待测电路由串联的溶液电导电极和分压电阻组成，分压电阻为模拟选择开关；所述微控制器与激励信号发生模块相连，控制产生需要的激励信号；所述激励信号发生模块与信号功率放大模块相连，对直流信号进行过滤，对交流信号进行功率放大；所述信号功率放大模块与电导池待测电路相连，激励信号进入待测的电导池；所述电导池待测电路经测量信号后端处理模块后与测量信号采集模块相连，测量信号后端处理模块对待测信号进行隔离后加入直流分量，便于信号采集模块对信号进行采样；所述测量信号采集模块与微控制器相连；所述温度检测模块设于电导池中，温度检测模块与微控制器相连。

在上述技术方案中，所述激励信号发生模块是由一个串行的数模转换器DA转换数据输出，DA通过SPI总线与微控制器相连，微控制器在硬件定时器中断的时候去读取存在片上flash中的数值，这些数值是以512点为一组正弦信号采样点，数模转换器接收到采样点数据以后输出对应的模拟信号；硬件定时器根据配置每个固定的时间T产生一次中断，根据配置使数模转换器输出500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz的激励正弦信号。同时，根据后端测量信号采集模块采样的反馈值，可以调整正弦信号采样点的值的大小，即可以调整输出正弦信号的幅度。

在上述技术方案中，因为电导池的阻抗可能比较小，会因为信号的功率不够出现严重衰减的情况。采用功率放大器，能够提供200mA的电流，电压幅度宽，能够支持±4V到±30V。信号功率放大模块的前端采用高通滤波器进行滤波，过滤掉信号发生模块提供的信号中的直流成分，同向输入负反馈，实现电压2倍放大，稳压输出。

在信号功率放大模块中，激励信号通过电容C4，再经电阻R3后接地，电阻R3与电容C4串联形成RC电路，对激励信号的直流进行过滤，功率放大器U1型号为OPA551A，功率放大器U1的正向输入脚Pin3接在电阻R3与电容C4之间获取信号源，电阻R4连接U1的输出脚Pin6与反向输入脚Pin2，电阻R2与U1的反向输入脚Pin2连接后接地，即由U1，R4，R2形成一个电压串联负反馈电路，根据电阻R2与R4的值的比例得出放大倍数。

在上述技术方案中，激励信号发生模块产生的激励信号会通过待测溶液，待测溶液存在一定的阻抗，所以可以在待测溶液的两端形成电势差，即在电导电极形成电压差；信号功率放大模块输出的电压为稳定电压，如果直接采集待测溶液两端的电压将无法获取到电导率。因此，需要与电阻串联进行分压；电导池的阻抗会根据溶液浓度和温度的变化而变化，所以本设计中采用模拟选择开关连接不同的电阻进行分压。

模拟选择开关U2型号为MC74HC4052，微控制器的IO口 PB1.1与PB1.2分别与模拟选择开关U2的控制引脚A 、B相连，通过不同的电平信号使X分别与X0、X1、X2、X3相连，U2的X0、X1、X2、X3又分别与电阻R5、R6、R7、R9相连后接地，如此形成一个4级的自动档位选择器，使电阻R5、R6、R7、R9分别与电导池串联，达到档位切换的目的；测量信号采集模块中的模数转换器ADC_1与模数转换器ADC_2分别采集电导池两端的电压，根据ADC_1与ADC_2采集的电压分析，使用微控制器的PB1.1和PB1.2调整模拟选择开关U2的档位，使得分压电阻的阻抗与电导池的阻抗相匹配。

在上述技术方案中，测量信号采集模块对待测溶液的两端进行数字采样。采样前，测量信号后端处理模块对待测信号进行隔离后加入直流分量，便于测量信号采集模块对信号进行采样，采样结果一方面获取激励信号的样本值，另外一方面获取测量信号的样本值；对激励信号的样本值进行分析，可以确认激励信号是否满足要求，根据反馈对激励信号发生模块的数据进行调整；对测量信号样本值的分析，可以确认当前的档位是否合适，然后通过微控制器控制A 、B引脚对MC74HC4052AD的模拟选择开关进行切换，进一步确定合适的档位；综合分析激励信号和测量信号，可以分析出系统的状态，比如电极是否激化、电极是否在位等。

在上述技术方案中，电导池中还设置有温度检测模块，温度检测模块与微控制器相连。利用温度传感器采集待测溶液的温度，对测量的电导率进行修正。

在上述技术方案中,本发明的电导率测量仪还具有LCD显示、功能按键输入、过量程提醒、USB和串口扩展通信口等功能；当按照说明要求把测量溶液放入到待测的电路中，按开始键，系统开始对待测溶液的电导率进行测量，最后将测量的中间变量、电导率、温度等参数显示在LCD上面；如果测量仪器发现现在测量的参数出现异常，比如：电极连接故障、电极极化、过测量量程等，则根据预置条件显示当前异常的原因。

在上述技术方案中，电源供电模块由外部提供直流9V的电源，经过DC-DC转换之后，分别输出±5V、3.3V的电压，为各个模块提供工作电源。

在上述技术方案中，所述微控制器采用STM32F407处理器。软件程序启动以后，会对片上的flash中的数据进行检测，如果flash没有存数据，则通过sin(x)计算 一个周期的正弦信号采样点的值，并且存储在片上的flash中；接下来初始化硬件的定时器，在定时器中断处理函数中，将flash中存储的采样点数据通过SPI总线传送给激励信号发生模块的数模转换模块，即可以产生正弦激励信号；系统同步会对电导池待测电路中待测溶液进行数据采样，线程会把采集的数据发送到DSP中做FFT运算，分析正弦信号的完成性、当前档位是否合适、电极是否正常；将输出激励信号的幅度，以及测量的档位调整合适以后，使用不同频率的激励信号获取采样值；将4组样本值和当前溶液的温度传递给数据运算模块，最后计算出正确的电导率；结果计算成功以后，将数据的电导率、阻抗、等效电容、温度、当前的档位显示在LCD上面，并且可以将上述的参数通过USB或者串口发送给电脑主机；如果测量过程中，发现数据出现异常，则会根据预置的条件显示异常原因，提示操作人员进行修正。

传统的电桥法测量设备直接使用模拟电路采集和运算，并且指针指示结果，需要手动调节电桥、档位需要人工调节、设备体积较大、结果可读性比较差。部分数字测量方法引入了单片机，但是激励信号的产生和档位的调节不够智能，需要使用精度高、性能好、功能复杂的AD转换器，无法分析采集数据等缺点。

本发明较好的避免了传统设备的以上缺点，本发明利用STM32F407系列单片机（备DSP、定时器、片上存储flash等资源），设计一种基于微控制器的电导率测量仪表，该仪表便于携带、方便操作、成本低廉；并且具有多种接口如RS232、RS485、CAN总线、USB等，方便接入计算机系统进行自动监控测量和远程监测。经过反复测试，结果验证本发明电导率仪表能够达到测量仪表的各项指标，具有一定的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的原理框图。

图2 为本发明实施例信号功率放大模块的电路图。

图3 为本发明实施例模拟选择开关部分的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例提供一种基于微控制器的溶液电导率测量仪表，包含电源供电模块、激励信号发生模块、信号功率放大模块、电导池待测电路、测量信号后端处理模块、测量信号采集模块、温度检测模块、微控制器、扩展接口模块、LCD显示与键盘输入模块，所述电导池待测电路由串联的溶液电导电极和分压电阻组成，分压电阻为模拟选择开关；所述微控制器采用STM32F407处理器。所述微控制器与激励信号发生模块相连，控制产生需要的激励信号；所述激励信号发生模块与信号功率放大模块相连，对直流信号进行过滤，对交流信号进行功率放大；所述信号功率放大模块与电导池待测电路相连，激励信号进入待测的电导池；所述电导池待测电路经测量信号后端处理模块后与测量信号采集模块相连，测量信号后端处理模块对待测信号进行隔离后加入直流分量，便于信号采集模块对信号进行采样；所述测量信号采集模块与微控制器相连；所述温度检测模块设于电导池中，温度检测模块与微控制器相连。在上述技术方案中，电导池中还设置有温度检测模块，温度检测模块与微控制器相连，利用温度传感器采集待测溶液的温度，对测量的电导率进行修正。

上述微处理器、激励信号发生模块、信号功率放大模块、电导池待测电路、温度检测模块、测量信号采集模块紧密的联系在一起，是整体系统的核心部分。

在上述实施例中，电源供电模块由外部提供直流9V的电源，经过DC-DC转换之后，分别输出±5V、3.3V的电压，为各个模块提供工作电源。

在上述实施例中,本发明的电导率测量仪还具有LCD显示、功能按键输入、过量程提醒、USB和串口扩展通信口等功能；当按照说明要求把测量溶液放入到待测的电路中，按开始键，系统开始对待测液体的电导率进行测量，最后将测量的中间变量、电导率、温度等参数显示在LCD上面；如果测量仪器发现现在测量的参数出现异常，比如：电极连接故障、电极极化、过测量量程等，则根据预置条件显示当前异常的原因。

如图2所示，本实施例中激励信号发生模块会输出激励正弦信号，激励信号通过电容C4，然后再经过电阻R3后接地，R3与C4串联形成RC电路，可以对激励信号的直流进行过滤。功率放大器U1（OPA551A）的正向输入脚Pin3在R3与C4之间获取信号源，电阻R4连接U1（OPA551A）的输出脚Pin6与反向输入脚Pin2，同时电阻R2与U1的Pin2连接后接地，即由U1，R4，R2形成一个电压串联负反馈电路，该电路提高输入阻抗，减小输出的阻抗，稳定放大电路的性能。根据R2与R4的值的比例可以得出放大倍数为2倍，根据OPA551A的输出功率的性能，信号放大后的电流可以达到200mA。

如图3所示，经过放大的激励信号首先通过电导池，然后再与分压电阻串联，使用测量信号采集模块中的模数转换器ADC_1与ADC_2分别采集电导池两端的电压。为了使得分压电阻的阻抗与电导池的阻抗相匹配，本设计中引入了自动档位切换功能，即将待测溶液与模拟选择开关U2串联，模拟选择开关U2型号为MC74HC4052，微控制器的IO口 PB1.1与PB1.2分别与模拟选择开关U2的控制引脚A B相连，通过不同的电平信号使X分别与X0、X1、X2、X3相连，U2的X0、X1、X2、X3又分别与电阻R5、R6、R7、R9相连后接地，如此形成一个4级的自动档位选择器，使电阻R5、R6、R7、R9分别与电导池串联，达到档位切换的目的；根据ADC_1与ADC_2采集的电压分析，使用微控制器的PB1.1和PB1.2调整模拟选择开关的U2（MC74HC4052）的档位，使电阻R5、R6、R7、R9分别与电导池串联，达到档位切换的目的。其中电阻R5、R6、R7、R9分别为10欧姆、100欧姆、1K欧姆、10K欧姆精密电阻。

本发明溶液电导率测量仪表的工作原理为：首先使用微控制器通过计算得到一组激励正弦信号值，通过控制串行DA芯片产生需要的正弦模拟信号。接下来对模拟信号进行去直流信号和功率放大，根据负反馈的电阻R2与R4的比例确定放大系数。完成功率放大以后，激励信号会进入电导池待测电路，然后再通过ADC对待测电路进行采样。因为激励信号为交流信号源，所以测量的溶液中会存在电容效应，为了能够减小测量的误差，可以把测量溶液的阻抗等效为一个电阻与一个电容并联，如图3中的R8与C9所示。针对不同的待测溶液会有不同的阻抗，本发明通过增加模拟选择开关引入了自动档位切换功能，根据ADC采样的数据分析后，通过配置模拟选择开关的A、B引脚调整合适的档位。本发明软件算法的基本原理如下：

在频率为 ω(2πωf) 的 正 弦 信 号 作 用 下, 电导电极等效电路RC的并联阻抗为：

阻抗的模为：

采样得到ADC_1处电压为U1，ADC_2处的电压为U2，待测溶液的等效阻抗|Z|，U1/U2的比例与|Z|/（R5、R6、R7或R9）相关联，又因为可以通过调整不同频率的正弦信号消除|Z|中电容的效应，从而可以获取R8的值，即可以得到电导率。经过对温度的修正以后，将电导率、R8、C9、温度等参数均显示在LCD上。并且，可以通过USB、RS232、CAN等接口将数据通过固定的协议传送至网络中，便于远程数据获取。

表1为使用本发明基于微控制器的溶液电导率测量仪表进行待测溶液电导率测量的实验结果。在三个不同的温度条件下15°、25°35°，分别对三种标准溶液做了对比的测量，测量值表示该发明仪表的测量值，对比仪表表示参考的测量值。

表1

该测量的数据表明，在不同的温度下，测量的数据均比较准确，并且比对比的仪表的精度高。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于微控制器的溶液电导率测量仪表，其特征是：包含电源供电模块、激励信号发生模块、信号功率放大模块、电导池待测电路、测量信号后端处理模块、测量信号采集模块、温度检测模块、微控制器、扩展接口模块、LCD显示与键盘输入模块，所述电导池待测电路由串联的溶液电导电极和分压电阻组成，分压电阻为模拟选择开关；所述微控制器与激励信号发生模块相连，控制产生需要的激励信号；所述激励信号发生模块与信号功率放大模块相连，对直流信号进行过滤，对交流信号进行功率放大；所述信号功率放大模块与电导池待测电路相连，激励信号进入待测的电导池；所述电导池待测电路经测量信号后端处理模块后与测量信号采集模块相连，测量信号后端处理模块对待测信号进行隔离后加入直流分量，便于测量信号采集模块对信号进行采样；所述测量信号采集模块与微控制器相连；所述温度检测模块设于电导池中，温度检测模块与微控制器相连。

2.根据权利要求1所述的基于微控制器的溶液电导率测量仪表，其特征是：所述激励信号发生模块是由一个串行的数模转换器DA转换数据输出，DA通过SPI总线与微控制器相连，微控制器在硬件定时器中断的时候去读取存在片上flash中的数值，这些数值是以512点为一组正弦信号采样点，数模转换器DA接收到采样点数据以后输出对应的模拟信号；硬件定时器根据配置每个固定的时间T产生一次中断，根据配置使数模转换器DA输出500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz的激励正弦信号。

3.根据权利要求1所述的基于微控制器的溶液电导率测量仪表，其特征是：在信号功率放大模块中，激励信号通过电容C4，再经电阻R3后接地，电阻R3与电容C4串联形成RC电路，对激励信号的直流进行过滤，功率放大器U1型号为OPA551A，功率放大器U1的正向输入脚Pin3接在电阻R3与电容C4之间获取信号源，电阻R4连接U1的输出脚Pin6与反向输入脚Pin2，电阻R2与U1的反向输入脚Pin2连接后接地，即由U1，R4，R2形成一个电压串联负反馈电路，用于提高输入阻抗，减小输出阻抗，稳定放大电路的性能，根据电阻R2与R4的值的比例得出放大倍数。

4.根据权利要求1所述的基于微控制器的溶液电导率测量仪表，其特征是：所述微控制器采用STM32F407处理器。

5.根据权利要求1所述的基于微控制器的溶液电导率测量仪表，其特征是：模拟选择开关U2型号为MC74HC4052，微控制器的IO口 PB1.1与PB1.2分别与模拟选择开关U2的控制引脚A 、B相连，通过不同的电平信号使X分别与X0、X1、X2、X3相连，U2的X0、X1、X2、X3又分别与电阻R5、R6、R7、R9相连后接地，如此形成一个4级的自动档位选择器，使电阻R5、R6、R7、R9分别与电导池串联，达到档位切换的目的；测量信号采集模块中的模数转换器ADC_1与模数转换器ADC_2分别采集电导池两端的电压，根据ADC_1与ADC_2采集的电压分析，使用微控制器的PB1.1和PB1.2调整模拟选择开关U2的档位，使得分压电阻的阻抗与电导池的阻抗相匹配。