智能在線電導(dǎo)率分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)

李英

摘要

智能在線電導(dǎo)率分析儀是依據(jù)電導(dǎo)率和溶液成分的關(guān)系來測量溶液電導(dǎo)率的智能儀表，它廣泛應(yīng)用于化工、藥品、食品生產(chǎn)、電廠及污水處理等領(lǐng)域。本文著重闡述了以高性能、低功耗的MSP430單片機(jī)為控制核心設(shè)計的智能在線電導(dǎo)率分析儀，介紹了該分析儀的測量原理和軟硬件設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】電導(dǎo)率分析儀 MSP430單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換 脈沖激勵源

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)代化、自動化、智能化程度的不斷提高，在線監(jiān)控設(shè)備的使用也日益廣泛。電導(dǎo)率是溶液在線監(jiān)控的重要指標(biāo)之一，因此，能夠準(zhǔn)確的測量監(jiān)控溶液的電導(dǎo)率，進(jìn)而分析溶液的成分有著十分重要的意義。本文以MSP430F149單片機(jī)為控制核心設(shè)計了智能在線電導(dǎo)率分析儀，有效降低了分析儀的體積和功耗，大大提高了分析儀的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，從而滿足各類環(huán)境的測試要求。

1 電導(dǎo)率測量原理

在電解質(zhì)溶液中，帶電的離子在電場的作用下產(chǎn)生移動從而傳遞電子，因此電解質(zhì)溶液與金屬導(dǎo)體一樣，具有導(dǎo)電作用。電導(dǎo)率的測量原理簡單說就是依據(jù)歐姆定律測定平行電極間溶液的部分電阻，但是當(dāng)電流通過電極時，會發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，從而改變電極附近溶液的組成，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而引起電導(dǎo)測量的嚴(yán)重誤差，為此采用高頻交流電測定法，可以減輕或消除上述極化現(xiàn)象，因為在電極表面的氧化和還原迅速交替進(jìn)行，其結(jié)果可以認(rèn)為沒有氧化或還原發(fā)生。在電解質(zhì)溶液中放入兩個電極，就形成了電導(dǎo)池。在電極上加上電壓，溶液中就有電流流過，溶液所呈現(xiàn)的電阻與電極間距成正比，電極的橫截面積成反比，此時溶液的電導(dǎo)為

公式中R為溶液電阻，Ω;ρ為電阻率，Ω·cm;L為導(dǎo)體長度，cm;A為導(dǎo)體橫截面積，cm²，M為電導(dǎo)1·Ω^-1;S為電導(dǎo)率，1·（Ω·cm）^-1。

則可以得到R=ρL/A，相對于電極，間距L和電極橫截面積A是固定的，即L/A是一個常數(shù)，又稱為電極常數(shù)K（cm^-1）。當(dāng)電阻率ρ的倒數(shù)用k（μS·cm^-1）表示，可以得到溶液的電導(dǎo)G為：

由上式可知，電導(dǎo)率k=KG，即電導(dǎo)率與電阻的倒數(shù)G有關(guān)，只要測出溶液的電阻，通過數(shù)據(jù)處理就可以得出電導(dǎo)率k。因此，本次研究運(yùn)用分壓法測量溶液的等效電阻R，通過將溶液等效電阻R與定值電阻R₁串聯(lián)接入電路，兩端電壓為U，測量出R兩端的電壓U_R，依據(jù)串聯(lián)電路電阻分壓求出溶液的等效電阻，公式如下所示：

2 硬件設(shè)計

智能在線電導(dǎo)率分析儀主要由MSP430F149單片機(jī)、雙極性脈沖激勵源發(fā)生電路、電導(dǎo)測量電路、A/D轉(zhuǎn)換、通訊接口電路、人機(jī)界面等部分組成。系統(tǒng)工作原理是：激勵源電路產(chǎn)生脈寬可調(diào)的雙極性脈沖方波電壓加到電極兩端，流經(jīng)電導(dǎo)池的電流經(jīng)過后續(xù)運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過后續(xù)的信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓信號送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到電導(dǎo)率值。最后將數(shù)值輸出到LCD屏幕顯示。硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 單片機(jī)選擇

本次設(shè)計選擇擁有超低功耗、超強(qiáng)處理能力、外圍設(shè)備豐富等優(yōu)點的MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器，該單片機(jī)帶有12位A/D轉(zhuǎn)換，能夠節(jié)省硬件電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少功耗，工作電壓僅為1.8V～3.6V，運(yùn)算能力最高可達(dá)2MIPS，滿足智能在線電導(dǎo)率分析儀的較高處理速度的要求。

2.2 脈沖激勵源電路

由于極化現(xiàn)象和電容效應(yīng)會導(dǎo)致電導(dǎo)的測量存在誤差，需要采用雙極性脈沖激勵源電路盡量減小此影響。本文采用可變脈寬雙極性脈沖方波，進(jìn)而簡化了硬件電路的設(shè)計和復(fù)雜的后續(xù)調(diào)理電路。由單片機(jī)產(chǎn)生頻率控制信號，控制模擬電子開關(guān)對正負(fù)電壓源切換，通過單片機(jī)的定時器T0編程控制調(diào)節(jié)脈沖寬度，產(chǎn)生雙極性脈沖激勵源。利用單片機(jī)定時器控制產(chǎn)生的激勵源，能夠降低功耗，并且保證激勵源的穩(wěn)定性。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。A/D轉(zhuǎn)換器是智能在線電導(dǎo)率分析儀的重要組成部分之一，A/D轉(zhuǎn)換將直接影響電導(dǎo)率分析儀的準(zhǔn)確性和實時性。此次設(shè)計所選用的是MSP430F149單片機(jī)，該芯片內(nèi)置了一個8通道12位ADC，通過該ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分根據(jù)智能在線電導(dǎo)率分析儀的測試需求，采用C語言編程，實現(xiàn)電導(dǎo)率的測量和顯示。智能在線電導(dǎo)率分析儀的主要任務(wù)就是完成電導(dǎo)率檢測，軟件控制主要實現(xiàn)的功能包括：測量程序、脈沖激勵源、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、用戶交互、 LCD顯示等。智能在線電導(dǎo)率分析儀的程序流程為儀器啟動，完成初始化后，產(chǎn)生可變脈寬雙極性脈沖激勵源，再由測量子程序完成電導(dǎo)的測量，對測量的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后在LCD屏上顯示測量結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種智能在線電導(dǎo)率分析儀，儀表采用了MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)擁有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，可節(jié)省外部資源開銷，并且提高了整個電路的可靠性和穩(wěn)定性。電極激勵源為雙極性脈沖激勵源電路，能夠最大限度地減少極化效應(yīng)引起的測量誤差，提高了電導(dǎo)率測量的準(zhǔn)確度，可用于各類電導(dǎo)率的測量場合。

參考文獻(xiàn)

[1]谷小婭，田增國，汪獻(xiàn)忠等.微控制器智能在線電導(dǎo)率分析儀的設(shè)計[J].傳感器與儀器儀表，2008，24（07）：151-153.

[2]吳漢權(quán)，萬宇杰.溶液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息，2008（19）：155-157.

[3]秦龍.MSP430單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.