CN108181351A - 一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路 - Google Patents

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李文
张志永
吕赫
罗学科
徐明刚
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Abstract

本发明公开了一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路，便携式水质传感器信号处理电路的输入信号由电极或者硅光电池采集得到，电极是PH、氨氮、溶解氧、电导率电极等，遇到浊度、COD、叶绿素等无法用电极采集的信号时通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析。不同浓度的同一溶液在光程相同的情况下在特定波长光处透射率不同，通过硅光电池采集透射光的强度，将光强信号转化为电信号作为该电路的输入信号。增加了基准电压模块，不需要担心输入电压信号的正负；增加了AD736交流转直流模块，不需要担心输入电压信号是交流还是直流，使得电路安全性能提高。

Description

一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路
技术领域
本发明涉及一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路，尤其涉及传感器信号采集过程中通过对输入信号的放大、调制并AC/DC转换后再传输给 CPU的电压信号处理方法，属于水质检测技术领域。
背景技术
随着社会经济发展、科学进步和人民生活水平的提高，人们对生活饮用水的水质要求不断提高，饮用水水质标准也相应地不断发展和完善。水质监测的主要目的是饮用水主要考虑对人体健康的影响，其水质标准除有物理指标、化学指标外，还有微生物指标；对工业用水则考虑是否影响产品质量或易于损害容器及管道。
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的种类很多，按照不同的功能，不同的适用领域可以划分多种类型。
传统传感器技术的缺点:目前水质测量主要是以下五种方法的组合。每种方法的缺点如下：1、取样分析和实验室分析(1)成本高(投资成本、工作费用、运输费用)；(2)不能现场测量；(3)获得结果时间太长；(4)存在样品变质问题。2、固定传感器和分析器(1)投资成本高；(2)运行成本高(试剂，校准等等)； (3)分析物范围有限。3、可移动分析仪器(1)仪器投资成本高(2)需要高技能的操作者；(3)现场应用困难或不方便。4、便携式仪器(1)能处理的分析物范围有限；(2)存在现场校准问题。5、现场测试工具；(1)准确度和灵敏度都有限； (2)结果的主观性；(3)现场试剂的处理问题。
水质监测范围非常广泛，包括经常性的地表及地下水监测、监视性的生产和生活过程监测以及应急性的事故监测。水质监测可以为环境管理提供数据和资料，可以为评价江河和海洋水质状况提供依据。
1、地表水及地下水——经常性监测。
2、生产和生活过程——监视性监测。
3、事故监测——应急监测。
4、为环境管理——提供数据和资料。
5、为环境科学研究——提供数据和资料。
检测范围包括污水、纯水、海水、渔业水、泳池用水、中水、瓶装纯净水、饮用天然矿泉水、冷却水、农田灌溉水、景观用水、生活饮用水、地下水、锅炉水、地表水、工业用水、试验用水等。检测指标包括PH、TP、TN、TOC、COD、 NH4+-N等.
对监测中获得的众多数据，应进行科学地计算和处理，并按照要求的形式在监测报告中表达出来。质量保证概括了保证水质监测数据正确可靠的全部活动和措施。质量保证贯穿监测工作的全过程。实施进度计划是实施监测方案的具体安排，要切实可行，使各环节工作有序、协调地进行。
所谓"信号处理"，就是要把记录在某种媒体上的信号进行处理，以便抽取出有用信息的过程，它是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。人们为了利用信号，就要对它进行处理。例如，电信号弱小时，需要对它进行放大；混有噪声时，需要对它进行滤波I当频率不适应于传输时，需要进行调制以及解调；信号遇到失真畸变时，需要对它均衡；当信号类型很多时，需要进行识别等等。
与信号有关的理化或数学过程有：信号的发生、信号的传送、信号的接收、信号的分析(即了解某种信号的特征)、信号的处理(即把某一个信号变为与其相关的另一个信号，例如滤除噪声或干扰，把信号变换成容易分析与识别的形式)、信号的存储、信号的检测与控制等。也可以把这些与信号有关的过程统称为信号处理。在事件变化过程中抽取特征信号，经去干扰、分析、综合、变换和运算等处理，从而得到反映事件变化本质或处理者感兴趣的的信息的过程。
最早处理的信号局限于模拟信号，所使用的处理方法也是模拟信号处理方法。在用模拟加工方法进行处理时，对"信号处理"技术没有太深刻的认识。这是因为在过去，信号处理和信息抽取是一个整体，所以从物理制约角度看，满足信息抽取的模拟处理受到了很大的限制。
信号处理最基本的内容有变换、滤波、调制、解调、检测以及谱分析和估计等。变换诸如类型的傅里叶变换、正弦变换、余弦变换、沃尔什变换等；滤波包括髙通滤波、低通滤波、带通滤波、维纳滤波、卡尔曼滤波、线性滤波、非线性滤波以及自适应滤波等；谱分析方面包括确知信号的分析和随机信号的分析，通常研究最普遍的是随机信号的分析，也称统计信号分析或估计，它通常又分线性谱估计与非线性谱估计；谱估计有周期图估计、最大熵谱估计等；随着信号类型的复杂化，在要求分析的信号不能满足高斯分布、非最小相位等条件时，又有髙阶谱分析的方法。高阶谱分析可以提供信号的相位信息、非高斯类信息以及非线性信息；自适应滤波与均衡也是应用研究的一大领域。自适应滤波包括横向LMS 自适应滤波、格型自适应滤波，自适应对消滤波，以及自适应均衡等。此外，对于阵列信号还有阵列信号处理等等。
信号处理是电信的基础理论与技术。它的数学理论有方程论、函数论、数论、随机过程论、最小二乘方法以及最优化理论等，它的技术支柱是电路分析、合成以及电子计算机技术。信号处理与当代模式识别、人工智能、神经网计算以及多媒体信息处理等有着密切的关系，它把基础理论与工程应用紧密联系起来。因此信号处理是一门既有复杂数理分析背景，又有广阔实用工程前景的学科。
在现代电子学中信号产生与处理应用于各个领域，其中信号产生可以分为正弦波振荡电路与非正弦波振荡电路，正弦波振荡电路在通信﹑广播﹑电视系统、水质监测中应用广泛，常常用作载波。非正弦波在数字系统中得到日益广泛的应用，如方波、三角波等。在电子电路设计中常常需要对产生的不同波形和频率的信号进行处理，传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
现有信号处理电路有以下几点不足：1、集成度低、采用的ADJ202基准电压芯片封装太大且性价比较低，造成生产的PCB电路板体积大，从而使得传感器体较大。2、局限于只采集电压或者电流信号3、局限于只采集直流信号或者交流信号4、无法摒除参考信号对于测量信号的影响5、缺少温度补偿或者温度补偿精度不高6、缺少电路保护模块
发明内容
本发明的主要目的是提供了一种传感器信号采集过程中通过对输入电压/电流信号处理的电路，首先该电路为水质传感器信号采集提供了一种很好的思路，它的优点是首先不但不再受输入信号为交流还是直流束缚而且不管输入信号为电压还是电流信号都能保证最终转化为485信号传输给给CPU，增加了加减运算电路可以摈除参考信号对于测量信号的影响，采用PT1000作为温度传感器可以精确测量温度从而做出精确温度补偿，集成度、灵敏度、分辨度高，采用了封装更小、性价比更高的ADR130B是现今前景广阔、极具开发和研究价值的信号处理电路，而且具有电路保护模块，使得电路安全性和稳定性得到保障。
一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路，便携式水质传感器信号处理电路的输入信号由电极或者硅光电池采集得到，电极是PH、氨氮、溶解氧、电导率电极等，遇到浊度、COD、叶绿素等无法用电极采集的信号时，采用用分光光度法基于朗伯-比尔定律：
A＝lg(1/T)＝Kbc (1)
式(1)中A为吸光度，T为透射比(透光度)，是出射光强度(I)比入射光强度(I0)，K为摩尔吸收系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关.c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度。通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析。不同浓度的同一溶液在光程相同的情况下在特定波长光处透射率不同，通过硅光电池采集透射光的强度，将光强信号转化为电信号作为该电路的输入信号。如果该输入信号为电流信号，则通过采样电阻转化为电压信号。
信号采集流程图如图1所示，信号处理电路包括电源模块、放大模块、调制模块、交直流转换模块和485通讯模块；放大模块与调制模块连接，调制模块通过交直流转换模块与电路保护模块连接，电路保护模块通过485通讯模块与CPU 连接。
(1)电源模块由U6即MP2359构成，U6由12V供电，输出5V电压为放大和调制模块供电。
(2)放大模块包括AD820AR芯片，作为对初始参考信号进行第一次放大处理。
(3)调制模块包括一个AD820ARZ、一个ADR130B芯片和一个电路保护模块 BAV199；其中ADR130B的输出电压和输入信号与第一次放大处理后的电信号共同输入第二块AD820AR芯片进行电压调制之后；调制模块为核心处理部分；
(4)若输入信号为交流信号则经过AD736后转换为直流信号；
(5)再经过BAV199电路保护模块；
(6)信号通过485通讯模块最终传输给CPU，485模块如图3。
与现有信号采集方法的对比
1、信号采集通用性强，适用于PH、浊度、电导率等传感器的信号采集，采集信号精准不失真。
2、更加便携式，由于ADJ202芯片封装较大，因此ADR130B芯片替换传统的 ADJ202芯片后电路板面积大幅减少，从而减少传感器体积。
3、性价比更高ADR130B芯片相比ADJ202，价格更低，降低了开发生产成本，并且ADR130B芯片替换传统的ADJ202芯片后信号采集精读不变。
4、增加了基准电压模块，不需要担心输入电压信号的正负
5、增加了AD736交流转直流模块，不需要担心输入电压信号是交流还是直流
6、具有电路保护模块，使得电路安全性能提高。
附图说明
图1为本发明的信号采集流程图。
图2.1为电源模块示意图一。
图2.2为电源模块示意图二。
图2.3为电源模块示意图三。
图3为485模块图。
图4为一级放大模块图。
图5为调制电路图。
图6为交直流转换模块图。
图7为保护电路图。
图8为CPU模块电路图。
具体实施方式
详细信号采集处理流程：
首先如果参考信号为电流信号则R206保留且C204改为0Ω电阻，输入电流由采样电阻转换为电压信号。如果为输入信号为电压信号则R206不焊；输入信号经由U200同相输入端+IN输入U200即AD820AR再由VOUT输出第一次放大信号，放大电压信号不得超过5V，同时再由反相输入端输入 U202即AD820ARZ，由原理图得电压放大倍数为
因此输出电压为
式中U0为输出电压，UI为输入电压，R201，R202如图4所示。
电源模块输出的+5V电压由Vin输入经过U204即ADR130B再由Vout输出 500mv电压信号同时和输入信号再由同相输入端输入U202，即与第一级放大电路构成一个加减运算调制电路，实现多个输入信号按各自不同的比例求和或求差的电路，设加减运算电路的同相输入端电压为U217；反相输入端电压为U211；输出电压为UO则由计算公式得
式中R217，R211，Rf为R212如图5所示。
由U202的VOUT输出通过调制运算电路后的电压信号，如图5。
若输入信号为交流信号则调制处理后的信号由VIN输入U203即AD736再由OUTPUT输出直流信号，若输入信号为直流信号则R209为0Ω电阻，如图6所示。输出的直流信号经过D201即电路保护模块后再通过485通讯模块传输给 CPU，电路保护模块如图7所示。
电器元件选型及材料：
1、MP2359是1.2安倍，24伏耐压、直流到直流降压转换器,基于CMOS工艺开关内置DC/DC转换器。内置上端开关的导通电阻为0.35欧(典型值)，能提供最大为1.2A的电流。这款芯片由振荡电路、PWM控制电路、基准电压源、误差放大器、相位补偿电路、斜坡电路、软启动电路、保护电路、内部电压调节器、开关等组成，外部器件用到电感、电阻、二极管、电容，所有这些构成完整的降压DC/DC转换器。由于MP2359的电流限流模式工作时并不需要监测电阻，所以能高速高效地实现其功能。输出电容选择陶瓷电容。开关频率由内部固定为1.4MHz。作为保护功能，备有限制每个周期的尖峰电流功能、输出短路时开关频率限制在原来的1/4的折回功能、热关断功能、欠压锁定功能。
2、AD820是一款精密、低功耗、FET输入运算放大器，可以采用5V至36 V单电源或±2.5V至±18V双电源供电。该放大器具有单电源供电能力，输入电压范围可扩展至负供电轨以下，因此在单电源模式下可以处理地电压以下的输入信号。输出电压摆幅可扩展至各供电轨10mV以内，以提供最大的输出动态范围。直流精度性能包括最大800μV的失调电压、2μV/℃的失调电压漂移、小于25pA的典型输入偏置电流以及低输入电压噪声，源阻抗最高可达1GΩ。单位增益带宽为1.8MHz，10kHz时总谐波失真(THD)为-93dB，压摆率为3V/μs，电源电流低至800μA。AD820可直接驱动最高350pF的容性负载，并可提供最低15mA的输出电流。因此，该放大器能够处理各种负载情况。上述交流性能与直流性能相结合，以及出色的负载驱动能力，使该放大器具有丰富多样的功能，适合单电源用户使用。
3、ADR130B是业内首款微型，微功率，低电压，高精度电压基准的系列产品。在小型TSOT-23封装中具有0.35％的初始精度和25ppm/℃的温度漂移，因此ADR130电压基准仅需要80μA的典型工作。ADR130设计包括温度漂移曲率校正技术，可最大限度地降低输出电压与温度特性的非线性。在-40℃至+ 125℃的工业温度范围内，ADR130采用小型TSOT封装。对于0.5V输出，将 SET(引脚5)连接到VOUT(引脚4)。对于1.0V输出，将SET(引脚5) 连接到GND(引脚2)。
4、AD736是经过激光修正以正弦波输入提供±0.3mV±0.3％读数的最大误差的单片精密真有效值AC/DC转换器,准确度高、灵敏性好(满量程为 200mVRMS)、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达0～460kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3％.是一款低功耗，精密，单片直流转换器。此外，在测量更宽的输入波形时，它保持高精度，包括可变占空比脉冲和三端双向可控硅(相位)控制正弦波。该转换器的低成本和小物理尺寸使其适用于在许多应用中升级非均方根“精密整流器”的性能。与这些电路相比，AD736 以相同或更低的成本提供更高的精度。
5、ADM2587E是完全集成信号具有±15kV ESD保护功能的隔离数据收发器，适用于多点高速通信传输线。ADM2587E包括一个集成隔离的直流到直流电源，消除了需要一个外部直流到直流隔离块。它们的设计是用于平衡输电线路并符合符合ANSI/TIA/EIA-485-A-98和ISO 8482：1987(E)的要求。该器件集成了Analog Devices，Inc.，技术组合3通道隔离器、三态差分线路驱动器、差分输入接收器和Analog Devices isoPower dc-to-dc转换成单个包装。设备由一个单5V或3.3V电源供电，实现完全集成的信号和电源隔离RS-485解决方案。ADM2587E驱动器具有高电平有效使能。还提供有源低接收器使能，这导致接收器输出在禁用时进入高阻态。器件具有限流和热关断功能功能，以防止输出短路和情况总线争用可能会导致功耗过大。这些部件在工业温度下完全指定范围广泛，具有高度集成。
6、CPU采用ADUC847ADuC847是单周期，它包括额外的模拟输入需要更多ADC通道的应用。ADuC847是完全智能的传感器前端。集成高分辨率Σ-ΔADC具有灵活的，多达10通道的输入多路复用，包括一个快速8位MCU，以及程序和数据Flash/EE存储器单芯片ADuC847包含与ADuC845相同的主ADC(辅助ADC被去除)允许直接测量低电平信号。ADC包括片上数字滤波和可编程输出数据用于测量宽动态范围的速率低频信号，如称重秤，应变计，压力传感器或温度测量应用。器件采用片内PLL的32kHz晶振工作产生12.58MHz 的高频时钟。这个时钟是通过可编程时钟分频器路由MCU内核产生时钟工作频率。微控制器内核是一个优化的单周期8052提供保持8051指令集的12.58MIP 性能兼容性。可用的非易失性Flash/EE程序存储器选项是62千字节，32千字节和8千字节。4千字节的非易失性Flash/EE数据存储器和2304字节的数据 RAM也是片上提供。程序存储器可以配置为数据存储器可以放置高达60KB的 NV数据存储器数据记录应用程序，片上工厂固件支持在线串行下载和调试模式 (通过UART)以及单引脚仿真，模式通过EA引脚。ADuC847是由QuickStartTM开发系统支持的低成本的软件和硬件开发工具。
7、电容采用0603封装x7r贴片陶瓷电容，电阻采用0603封装，BAV199 采SOT-23封装，P200采用1.25间距header8
8、PCB板可以采用四层板，选用四层板不仅是电源和地的问题，高速数字电路对走线的阻抗有要求，四层板是最简单的一种多层板，与双层板相比，它对电路板的电磁兼容起到了很大的改善。在四层板中，中间层用作电源层和地层，这样的做的好处有以下几个方面：
(1)电源线和地线的电感量大大减小，从而降低了电源线和地线的噪声电压。
导线电感的计算公式：
L＝0.2S[ln(4.5/d)-1](uH) (1—1)
S——导线长度
d——导线直径
L——导线的电感量
从式(1—1)中可以看出，导线的宽度可以影响电感(但在这里导线宽度对电感量的影响不是很大，宽度增加一倍，电感仅减小20％，在布线的时候，导线的宽度受限制)，在四层板中，电源线和地线做为一个平面，所以电感量会大大降低。从这个公式也能看出，在高频的情况下，导线的距离要尽可能的短，因为电感量和长度成线性比例关系。
(2)电源层和地层形成较大的分布电容，为电源提供了很好的高频解耦作用，从而减小了电源线上的噪声。
分布电容的计算公式，(平行板电容器)
C＝εS/4πkd
ε-——为电介质常量
S——为电容极板的面积
K——为静电力常量
d-——为极板间的距离
为了得到更好的解耦效果，可以在电源层和地层之间使用介电常数搞的绝缘介质。
(3)独立的电、地层可以使所有的信号环路面积最小。
电源环天线在远场区(D>λ/2π)的辐射特性
H＝Π*I*A/λ*λ*D(A/m)
E＝Z0*π*I*A/λ*λ*D(V/m)
H——电流环辐射的磁场
E——电流环辐射的磁场
I——环路电流
A-——环路面积
λ-——电流频率对应的波长
D——观测点到电流环的距离
Z0——自由空间的特征阻抗。
从上式可以看出，在远场区，电场、磁场的辐射强度都随频率的平方增加，脉冲信号中包含了大量的高频成分，辐射效率很高，减小环路面积可以有效使H、E 减小。
四层板推荐的叠层顺序：S GND POWER S 。

Claims (2)

1.一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路，其特征在于：便携式水质传感器信号处理电路的输入信号由电极或者硅光电池采集得到，电极是PH、氨氮、溶解氧、电导率电极，遇到浊度、COD、叶绿素等无法用电极采集的信号时，采用用分光光度法基于朗伯-比尔定律：
A＝lg(1/T)＝Kbc (1)
式(1)中A为吸光度；T为透射比即透光度，是出射光强度(I)比入射光强度(I0)，K为摩尔吸收系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关.c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度。通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析。不同浓度的同一溶液在光程相同的情况下在特定波长光处透射率不同，通过硅光电池采集透射光的强度，将光强信号转化为电信号作为该电路的输入信号。如果该输入信号为电流信号，则通过采样电阻转化为电压信号。
信号处理电路包括电源模块、放大模块、调制模块、交直流转换模块和485通讯模块；放大模块与调制模块连接，调制模块通过交直流转换模块与电路保护模块连接，电路保护模块通过485通讯模块与CPU连接。
(1)电源模块由U6即MP2359构成，U6由12V供电，输出5V电压为放大和调制模块供电。
(2)放大模块包括AD820AR芯片，作为对初始参考信号进行第一次放大处理。
(3)调制模块包括一个AD820ARZ、一个ADR130B芯片和一个电路保护模块BAV199；其中ADR130B的输出电压和输入信号与第一次放大处理后的电信号共同输入第二块AD820AR芯片进行电压调制之后；调制模块为核心处理部分；
(4)若输入信号为交流信号则经过AD736后转换为直流信号；
(5)再经过BAV199电路保护模块；
(6)信号通过485通讯模块最终传输给CPU。
2.根据权利要求1所述的一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路，其特征在于：首先如果参考信号为电流信号则R206保留且C204改为0Ω电阻，输入电流由采样电阻转换为电压信号。如果为输入信号为电压信号则R206不焊；输入信号经由U200同相输入端+IN输入U200即AD820AR再由VOUT输出第一次放大信号，放大电压信号不得超过5V，同时再由反相输入端输入U202即AD820ARZ，由原理图得电压放大倍数为
因此输出电压为
式中U0为输出电压，UI为输入电压。
电源模块输出的+5V电压由Vin输入经过U204即ADR130B再由Vout输出500mv电压信号同时和输入信号再由同相输入端输入U202，即与第一级放大电路构成一个加减运算调制电路，实现多个输入信号按各自不同的比例求和或求差的电路，设加减运算电路的同相输入端电压为U217；反相输入端电压为U211；输出电压为UO则由计算公式得
式中R217，R211，Rf为R212。
由U202的VOUT输出通过调制运算电路后的电压信号。
若输入信号为交流信号则调制处理后的信号由VIN输入U203即AD736再由OUTPUT输出直流信号，若输入信号为直流信号则R209为0Ω电阻。输出的直流信号经过D201即电路保护模块后再通过485通讯模块传输给CPU。
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