基于C8051F060的智能电导率仪的优化设计.pdf

第35卷第4期
器件
2012年8月
子
uf Elriroo Evicts
Aug,2012
The Optimization Design of Intelligent Electrical Conductivity Meter Based on C851F 60
SHENG Guodong, XIONG Xiaolei
( rhoo of Meheniru Engineering, hanghai datog varsity, Shanghai 200240, China)
Abstract: In order to fither improve the measurement accuracy of conductivity meter, a Method using software pro
gramming instead of hardware circuit is designed. It solved the adverse effect on the measurement results caused b
the complex hardware circuit instailed on traditional conuctivity meter. The experimental results show that the
design idea is practicable, sound performance, and improves the conductivity measurement precision effetively. In
addition, it reduces not only the cost of the hardware, but also the complexity of the system
Key words: electronic circuit design; software programming; SCM; conductivity; precision
EEACC:7210;7310J
doi:10.3969/j.iss.1005-9490,2012.04,017
基于C8051FO60的智能电导率仪的优化设计
盛国栋,熊肖磊
上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)
摘要:为了进一步提高电导率仪的测量精度,设计了ー种用软件编程代替硬件电路的方法,解決了传统电导率仪的复杂硬
件电路对测量结果所带来的不利影响。实验结果表明,设计思路可行,性能优良,有效地提高了电导率的测量精度,此外,不
仅减少了硬件的成本,而且降低了系统实现的复杂度,有效地提高了电导率的测量精度。
关鍵词:电子电路设计;软件编程;单片机;电导率;精度
中图分类号:TN409
文敲标识码:A
文章编号:1005-9490(2012)04-044-03
电导率仪属于电化学分析仪器,以结构简单、操
Uu/YRON:=1+R,/R
2)
作方便、价格低廉、易于实现连续分析和自动分析的式(2)中,Vm为输入测量电路的电压,U。为输出
特点,广泛应用于院校、科研和水站等领域测量液体电压,R,为已知电阻,通过测量vgoc和U,求出溶
介质的电导率,还可以用于电子等工业部门监测纯液的电阻R进而得出其电导率G
水或高纯水的纯度リ。长期以来电导率仪采用模
拟或者简单数字电路测量方式,制约了电导率仪在
生产中的应用,而以单片机为核心的智能电导率仪
Vnw。Rx
可以有效解决这个问题,从而实现电导率仪的数字
化、智能化。而基于单片机技术的电导率仪的测
量精度依然是制约电导率仪发展的最主要因素。
1测量原理
电导G或者电导率K是电解质溶液导电能力
1
的重要标志,电导G是电阻R的倒数,K是电阻率p2系统优化设计
的倒数。电导的单位是西门子,用字母S表示。电
导和电导率的关系为3
普通的电导率仪包括电源模块、电导率测量电
G=1/R=(lP)(AL)=K(L)=K/6(1)路、AD转换电路、量程转换电路、温度测量电路、实
式中,A为电极有效面积,为电极间距,=L/A为电极时时钟以及鍵盘、LCD人机对话模块等,如图2?
常数。所以测量溶液的电阻就可以得到溶液电导,再本文基于参考文献[2]的设计对其中的几个模块分
乘以电极常数得到电导率。测量示意图如图1所示。别进行优化。
收稿日期:2012-03-21修改日期:2012-04-08
万方数据
第4期
盛国栋,熊肖磊:基于C8051PO60的智能电导率仪的优化设计
LCD
k=V/2"=5/26=0.000076
(3
式中,k为AD分辦率,Vm为AD的参考电压,n为
方波发生电路
温度灏量
AD位数。因此,采用单片机内部AD完全可以满足
时钟
设计要求,避免了采用复杂的AD转换电路,减少了
量程选电路
单片机
EEPROM
硬件间的相互于扰。此外,传统设计中方波发生器
AD转换
SB接口
产生的信号的电压都被视为精确的,直接代入式
(2)计算,误差较大,本设计还对输入电压Uwow进
键盘
行了测量,有效减少了输入电压的误差,从而提高了
图2系整体框图
电导率的测測量精度。
2.1对交流信号发生器的优化
2.3量程选择的优化设计
在测量溶液的电导率过程当中,为了防止电极
传统的电导率仪为了实现量程的自动转换,经
极化,溶液需要提供交变的信号。原始的交流信号常引人多路开关或者继电器电路,硬件电路复杂,且
发生器,如文氏桥、MAXO38等,虽然能够完成正弦继电器极易受到其他信号的干扰,不能有效的保证
波或者方波的发生,但其大大増加了硬件电路的复电导率仪的精度。本文通过改变DA输出的电压
杂程度,对电导率的测量精度产生负面影响。本文 URONG的大小,调节仪器的量程选择。具体如下
基于C8051F60单片机的12biDA,输出0-5V由式(2)得:
的恒定电压,再经过反相器(如图3),分别将DA输
R,=R1.URONE/(U
出的恒定电压与反相器输出的电压接在多路开关X
因为溶液电阻大多在5092-,所以溶液电导
通道的X0,X1上,通过单片机控制两个通道的开率的范固为0-20ms。两个相邻的量程之间的
断,输出较为稳定精密的方波 VRONG。如图4(X量要有一定的重叠区域,否则仪器无法工作。为保
通道),不仅其稳定性好,而月不易失真。
证设计精度,可将仪表分为第1档:0~21Ws、第2
档:20s~210s、第3档:200~2,1ms、第4
档:2ms~20ms。运放上的电流
DACO
1=(U,M-URCRG )/R,
取R1=100K。选定 U,并由式(4)、式(5)
计算各档次的U。和7的范围,如表1所示。
表1
档次Vox/VU。下限パVレ上限/Vノ下限A1上限/μA
图3
59824.95442
0.69004,83000
30.
6.SU404,82400
EN VCC
A
40.00240.48244.80240
B
13 VRONG
XO
由表1可见,U…与onc的电床范围均为