基于C8051F單片機的智能電導率分析儀的研制

張媛媛，羅益民，邵 鈴

(南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

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基于C8051F單片機的智能電導率分析儀的研制

張媛媛，羅益民，邵 鈴

(南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

介紹了基于C8051F021單片機電導率表的測量原理、硬件結構、軟件設計和通訊方式。儀表采用脈寬可調的雙極性脈沖電壓作為電導率測量的激勵源，消除了介極化現象，減小了電容效應帶來的誤差。此方法可以提高測量精度，簡化硬件電路的設計。軟件設計部分對測量數據進行直線擬合，完成了數據的軟件補償，提高了測量精度。

電導率;C8051F021;脈寬可調的雙極性脈沖電壓;最小二乘原理

1 測量原理及方法

電解質溶液的導電能力可以用電導和電導率來表示(電導和電阻為倒數關系)。其公式如下：

G=1/R=A/(ρL)=σ/K

(1)

σ=Κ/R=KI/U=KG

(2)

式中：G為溶液的電導，S；K為電導池常數，m-1，K是兩電極間的距離L與導體的有效橫截面積A的比值；σ為電導率，S·m-1。

影響水溶液電導率測量的因素有：溫度、極化效應和電容效應。通過提高激勵源頻率及采用交流激勵源等方法，可以近似認為消除極化效應的影響。而電容效應研究如下：通過分析并進行簡化得到電導池的等效電路，如圖1(a)所示。CX為極化效應產生的電容，CP為連接電纜的分布電容和極間電容，RX為介質電阻，通常情況下CX(μF級)≥CP(pF級)[1]。在高電導率(低阻)溶液測量時，CX影響明顯，提高測量頻率可減小誤差。在低電導率(高阻)溶液測量時，CP為誤差的主要原因，測量頻率高反而增大誤差。因此，為了降低測量誤差，應根據情況選擇合適的激勵源頻率。在測量高阻溶液時，可以簡化電路模型，如圖1(b)所示。

(a)電導池

(b)高阻溶液電導池

通過上述分析，本文提出了新的測量方法：設計激勵源為雙極性脈沖電壓，其頻率可調。通過單片機控制采樣時間，在輸出的電壓信號穩定后再進行采樣。對正負半周期的相同時間點分別采樣，得到的平均值作為一次測量值，可以消除系統誤差。同時，通過調節脈沖寬度和采樣點，作多次測量，當測量值穩定時可以認為達到穩態，測量誤差最小。

2 系統設計

電導率表主要由C8051F021單片機、雙極性脈沖激勵源發生電路、電導和溫度測量電路、信號調理和采集電路、RS485通訊接口、人機界面等部分組成。系統工作原理是：激勵源電路產生脈寬可調的雙極性脈沖方波電壓加到電極兩端，流經電導池的電流經過后續運放電路轉換為電壓信號，再經過后續的信號調理電路，轉換為合適的直流電壓信號送入單片機的A/D轉換器進行數據處理，得到電導率值。溫度測量電路輸出信號經放大濾波處理后，送入單片機，通過軟件完成溫度補償等處理后，顯示溫度值。最后將數值輸出到液晶屏幕顯示。通訊模塊通過RS485接口與上位機通訊。硬件設計結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

3 硬件設計

3.1 微處理器

為了滿足儀表的設計功能，選擇了C8051F021單片機，其性能遠高于51單片機，集成度高，功能強大，是完全集成的混合信號系統級芯片。其采用流水線處理技術，指令執行速度快；芯片內置的8路12位模數轉換器可以滿足信號采集的精度要求；內置的計數器/定時器可以滿足激勵源電路的控制方波的編程要求。同時芯片具備多種總線接口以及控制系統所需的模擬和數字外設。芯片具有運行速度快、存儲空間大、調試方便、工作溫度范圍廣等多種優點。因此，C8051F021單片機可以簡化硬件電路設計，縮小儀表體積，提高儀表的智能度，滿足系統的設計要求[2]。

3.2 雙極性脈沖激勵源電路

為了減少極化現象對測量的影響，傳統的交流激勵源方式需要復雜的后續調理電路。本文采用的脈寬可變的雙極性脈沖方波簡化了硬件電路的設計。激勵源的設計要求非常嚴格，要求雙極性脈沖方波的占空比為50%，正負脈沖幅值要相同。因此采用了2個三端集成穩壓器(78L05為正電壓輸出穩壓電源，79L05為負電壓輸出穩壓電源)組成信號發生器。三端集成穩壓器帶內部熱過載保護電路，無需外接元件、性能良好、性價比高。正負電源的切換選用模擬開關MAX305，由單片機C8051F021產生頻率控制信號，控制模擬電子開關MAX305按時對正負電壓源切換，這樣，就可以產生雙極性脈沖激勵源。脈沖寬度的調節可以通過單片機的定時器T0編程控制。

3.3 溫度測量電路

測溫電路選擇的溫度傳感器為鉑熱電阻Pt100(測量范圍為0～100 ℃，分辨率為±0.1 ℃),其測量精度高、穩定性好，在工業系統中有著廣泛應用。測溫電路主要設計方案選擇的是三線制不平衡電橋電路，Pt100用3根導線引致測溫電路。電橋電路由Pt100，R1、R2、R3構成，其中R1=R2，R3=100 Ω。為了消除Pt100的引線電阻帶來的測量誤差，將其2根等長度導線的內阻分別串入電橋兩側的橋臂R1、R2上。 電橋電路輸出電壓差信號，經過信號放大后送入單片機的A/D轉換器進行處理。溫度測量電路如圖3所示。

圖3 測溫電路

3.4 A/D轉換電路

A/D轉換器對儀器測量的精確性和實時性有著直接的影響，這主要是通過A/D轉換器的精度和轉換速率來體現的。本儀表中單片機選用了C8051F021，該芯片內置了一個8通道12位逐次逼近式ADC，它包括一個9通道輸入的多路選擇開關和可編程的增益放大器。其最大采樣速率為100 KSPS，積分非線性度為±1 LSB。理論上可使溫度的測量精度達到0.029 3 ℃，電導率的轉換精度達到2.441 μS/cm，可以滿足系統設計的要求。ADC的編程設置主要有：參考電壓設置、使能ADC、設置啟動方式、設定數據對齊、配置并選擇通道、轉換時鐘的設定、增益設定、檢測上下限設定、啟動轉換。

3.5 通訊模塊

為了實現電導率表與上位機通訊，本系統配置了異步串行數據總線RS485通訊接口。RS485為半雙工接口，通訊距離長，符合工業通訊標準。其通訊使用Modbus協議，通訊方式為主從式，允許1臺主設備和多臺從設備進行數據通訊。Modbus有ASCII和RTU兩種通訊模式，為了傳送更多數據，提高通訊速度，本設計中選用了RTU(遠程終端單元)模式。每個RTU信息幀數據包含從機地址、命令字、數據字、校驗碼等十六進制信息。

電導率表與上位機通過RS485接口進行Modbus通信時，電導率表通過UART中斷接收數據，再送入收幀處理程序進行地址信息判斷，若地址相符，則進行CRC校驗(校驗碼為循環冗余法)，否則忽略。若CRC校驗正確，則讀取命令字，并根據不同功能代碼進行相應的讀寫等數據處理，然后生成返回幀發回給上位機；若CRC校驗錯誤，則生成報錯幀。

4 軟件設計

本系統軟件采用C語言編制，將編程模塊化，主要程序包括初始化程序、電導和溫度測量子程序、數據處理子程序、液晶顯示子程序以及通信處理子程序等。

4.1 采樣數據的數字濾波

(3)

4.2 最小二乘法原理

(4)

殘差的平方和為

(5)

(6)

由式(4)和式(5)可得

(7)

則可知:

(8)

殘差vi的平方和為最小值可以推出相應的標準偏差和方差都為最小值，由此說明測量數據的離散度也是最小值，保證了測量精度?；谧钚《嗽淼臄祿幚矸椒ㄔ趯嶋H中得到了廣泛的應用，也是解決最佳擬合與回歸問題的有效方法[3]。

4.3 溫度補償的軟件實現

由于Pt100鉑熱電阻通過測量電阻變化得到溫度，兩者不能構成線性函數關系，單片機的模數轉換器采集到數值后需進行大量計算，進行復雜的軟件編程，消耗很多資源，減慢了運行速度。因此建立溫度-電阻的數學模型可以提高儀表的性能，本文采用的方法是通過最小二乘法進行線性擬合。

在0～650 ℃范圍內，Pt100阻值-溫度的關系式為

R=R0(1+At+Bt2)

(9)

式中：A、B為常數；R0=100 Ω (即0 ℃時的阻值);R為溫度t時的阻值。

利用直線擬合法可以分階段近似表達上述的二階多項式。常用溫度范圍0～100 ℃。因此將0～100 ℃劃分為0～50 ℃ 、50～70 ℃ 、70～100 ℃3段,分別對各溫度段進行直線擬合 ,得到溫度-電阻的數學關系模型：

(10)

3個模型精度都高于±0.1 ℃，滿足儀表的測量要求[4]。

4.4 電導測量的軟件補償

電導率表作為測量儀器，必然受系統誤差、元件參數誤差、環境誤差等各因素的影響，因此導致測量值與真值偏離，可以對測得的數據進行軟件校正提高精度。通過測量1組標準電阻(范圍為100 Ω～10 MΩ)，得到測量數據，根據最小二乘原理用Matlab進行數據擬合，得到了4個檔位的標定模型[5]：

Y=1.025X-0.529 1

(11)

Y=0.989 7X-2.553

(12)

Y=0.989X-3.573

(13)

Y=0.558 3X+1 109

(14)

式中：X為測量電阻值；Y為經擬合模型處理后的最終電阻值。

該驗表明經過軟件補償后測量精度提高。

5 結束語

本文介紹了一種新型電導率表，激勵源為頻率可調的雙極性電壓脈沖。根據具體的溶液選擇合適的激勵源頻率，最大限度地減小了極化效應和電容效應引起的測量誤差，提高了測量精度。同時軟件部分利用最小二乘原理進行了電導和溫度測量的軟件補償。經測試表明，系統結構簡單、運行可靠、通訊方便、精度可達1%，可以用于各類電導率的測量場合，具有廣闊的應用前景。

[1] 賈科進，張效瑋，林波，等．基于單片機 M SC1210的智能電導率在線測量儀．自動化儀表，2007，28(5)：43- 46．

[2] 徐品政，羅益民．新型污垢熱阻在線監測儀的研制．自動化儀表，2011，32(8)：81- 84．

[3] 常健生．檢測與轉換技術．北京：機械工業出版社，2012：25-29．

[4] 張修太,胡雪惠,翟亞芳,等.基于PT100的高精度溫度采集系統設計與實驗研究.傳感技術學報，2010,23(6)：812-815.

[5] 陳志永．自動換檔水電導率儀的研制：[學位論文]．天津：河北工業大學，2004.

Development of Intelligent Electrical Conductivity Analyzer Based on C8051F MCU

ZHANG Yuan-yuan,LUO Yi-min,SHAO Ling

(School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology ,Nanjing 211816,China)

The new conductivity instrument based on C8051F021 single-chip was introduced.Its measuring principle,hardware structure,software design,and communication method were discussed.Instrument adopted width adjustable bipolar pulse voltage as its exciting source,eliminated the dielectric polarization phenomenon and reduced the error brought about by the capacitance effect.This method can improve the measurement accuracy,and simplify the design of hardware circuit.Software design part introduced the linear fitting of measurement data and completed software compensation of the data,which can improve the accuracy of measurement.

conductivity;C8051F021;width adjustable bipolar pulse voltage;principle of least square

2014-04-13 收修改稿日期：2014-12-28

TP216

A

1002-1841(2015)04-0033-03

張媛媛(1984—)，碩士，主要研究方向為智能工業儀表的研制,工業生產循環冷卻水相關檢測。 E-mail：fengye_511@163.com 羅益民(1958—)，高級工程師，主要研究方向為檢測儀器的研發及應用，水處理專用設備的研發及應用。 E-mail:luoyimin1234@126.com