一種直接電導(dǎo)率法TOC分析儀的設(shè)計

張立琛++張朋亮

摘 要 本文介紹一種直接電導(dǎo)率法TOC檢測儀設(shè)計方案，以STM32微處理器為控制核心，通過測試兩路電極中溶液導(dǎo)電率的差值計算TOC，具有數(shù)據(jù)存儲、輸出、打印、報警等功能。

【關(guān)鍵詞】STM32 直接電導(dǎo)率 TOC

1 前言

當(dāng)前制藥、半導(dǎo)體等行業(yè)生產(chǎn)中，對純水、去離子水中TOC（總有機(jī)碳）的含量要求越來越嚴(yán)格，需要實時對水中的TOC進(jìn)行檢測，因此需要一款TOC分析儀能夠?qū)ιa(chǎn)用水進(jìn)行在線檢測，本文主要介紹一款直接電導(dǎo)率法的TOC分析儀的設(shè)計，能夠滿足當(dāng)前制藥、半導(dǎo)體等行業(yè)生產(chǎn)中對純水及去離子水中TOC的在線檢測。

2 系統(tǒng)原理

通過步進(jìn)電機(jī)帶動蠕動泵的轉(zhuǎn)動，將測試樣品采集到系統(tǒng)管路中，通過三通接頭將進(jìn)樣水溶液一分為二，一路通過一段延長水路直接流過一個電極傳感器進(jìn)行測量，所得濃度值為IC（無機(jī)碳）的濃度；另外一路要經(jīng)過氧化反應(yīng)器的充分氧化，將水中所含的有機(jī)碳氧化成二氧化碳（作為一種導(dǎo)電離子存在），再流過另一個電極傳感器進(jìn)行測量，所得濃度值為TC（總碳）的濃度，TC與IC的差值即為TOC的濃度： TOC = TC – IC

系統(tǒng)原理如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)在硬件上分為：電源模塊、主控模塊、TOC檢測模塊、信號控制模塊、溫度采集模塊、顯示模塊、存儲模塊等幾個部分。

電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源，采用開關(guān)電源和變壓器結(jié)合的供電方式，開關(guān)電源輸出的電源直接為紫外燈、報警信號及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器提供電源；變壓器輸出的電源主要為電路板提供電源，變壓器輸出電源經(jīng)過AC-DC轉(zhuǎn)換成直流電源后，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓源給對應(yīng)元器件供電，電路板的數(shù)字電路與模擬電路分割開來，數(shù)字地與模擬地進(jìn)行單點連接，減小數(shù)字電路對模擬電路的干擾。

主控模塊為整個硬件系統(tǒng)的控制處理模塊，MCU采用意法半導(dǎo)體的STM32系列單片機(jī)，此單片機(jī)為ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，運行速度快，外部資源豐富，功能強(qiáng)大，是當(dāng)前電子行業(yè)中的主流芯片。

TOC檢測模塊為系統(tǒng)的核心模塊，由一片信號發(fā)生芯片產(chǎn)生頻率可變的正弦波激勵信號，作為電極傳感器的驅(qū)動信號，電極傳感器出來的信號經(jīng)過濾波后，由有效值電路進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的直流電壓，由ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號交給MCU進(jìn)行計算。電極的激勵信號采用頻率可變的正弦波信號，比矩形波信號受到電極傳感器容性部分的影響更小，波形不易發(fā)生形變，并且隨著電極傳感器中溶液導(dǎo)電率的增大，可以增大激勵信號的頻率，從而減輕電極傳感器的極化現(xiàn)象，可以增強(qiáng)測試的準(zhǔn)確性，同時也可以延長電極傳感器的使用壽命。

信號控制模塊主要是控制紫外燈、報警信號及步進(jìn)電機(jī)控制信號，三種信號均采用隔離電路進(jìn)行控制。

溫度采集模塊，用于實時監(jiān)測傳感器的溫度并根據(jù)溫度對信號值進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器采用線性好、電阻值穩(wěn)定的三線制PT100溫度傳感器，采用橋式電路進(jìn)行溫度測量，能夠?qū)T100的線阻造成的誤差降到最低。

顯示模塊采用TFT彩色液晶屏進(jìn)行顯示，采用MCU內(nèi)部自帶的FSMC模塊與液晶屏進(jìn)行并口操作，速度快，操作簡便，軟件上采用GUI模塊，便于顯示界面的設(shè)計。

存儲模塊包括參數(shù)存儲模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊，參數(shù)存儲模塊用于保存儀器設(shè)置的參數(shù)信息，而數(shù)據(jù)存儲模塊用于保存儀器檢測的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式經(jīng)過特殊處理，只能導(dǎo)出不能導(dǎo)入，且不能進(jìn)行修改，防止檢測數(shù)據(jù)被偽造。

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體官方提供的MCU固件函數(shù)庫V3.50，該函數(shù)庫是一個固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。通過使用本固件函數(shù)庫，避免開發(fā)人員對每一個函數(shù)都要從底層寫起，大大減少了開發(fā)周期，并且增強(qiáng)開發(fā)人員編程的標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)了程序的可讀性，有利于程序后期的維護(hù)。

顯示界面采用UCGUI方式來開發(fā)，UCGUI是一種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)。它設(shè)計用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，它適用于單任務(wù)和多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的顯示。它是模塊化的設(shè)計架構(gòu)，由不同的模塊中的不同層組成，由一個LCD驅(qū)動層來包含所有對LCD的具體圖形操作。

在完成UCGUI在STM32芯片上的移植后，就是各驅(qū)動模塊設(shè)計，包括使用STM32的FSMC功能實現(xiàn)TFT屏顯示；使用AD芯片對電極傳感器和溫度傳感器電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換及處理；使用GPIO口配合驅(qū)動電路控制紫外燈、報警信號輸出及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器信號。

5 結(jié)語

本文介紹的直接電導(dǎo)法TOC分析儀適用于檢測制藥工業(yè)中純化水、注射用水和去離子水中總有機(jī)碳的濃度，可以在線檢測制藥工業(yè)的治水系統(tǒng)、半導(dǎo)體工業(yè)的超純水制備系統(tǒng)和晶片工業(yè)過程、電廠去離子水制備過程等，也可用于半導(dǎo)體行業(yè)、電廠、科研單位、實驗室等超純水TOC的檢測。

參考文獻(xiàn)

[1]李琳編著.頻率自適應(yīng)電流源克服電容影響的電導(dǎo)率測量[J].儀器儀表學(xué)報，2007（12）.

[2]蘭敬輝編著.溶液電導(dǎo)率測量方法的研究[J].大連理工大學(xué)，2002.

[3]邢文凱編著.一種克服分布電容的雙頻驅(qū)動電導(dǎo)率測量方法[J].儀器儀表用戶，2007（03）.

[4]劉波文編著.ARM Cortex-M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011（02）.

作者單位

浙江泰林生物技術(shù)股份有限公司 浙江省杭州市 310052

浙江聯(lián)運知慧科技有限公司 浙江省杭州市 310000