基于C8051F060 的智能電導(dǎo)率儀的優(yōu)化設(shè)計

盛國棟，熊肖磊

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

電導(dǎo)率儀屬于電化學(xué)分析儀器，以結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉、易于實現(xiàn)連續(xù)分析和自動分析的特點，廣泛應(yīng)用于院校、科研和水站等領(lǐng)域測量液體介質(zhì)的電導(dǎo)率，還可以用于電子等工業(yè)部門監(jiān)測純水或高純水的純度［1］。長期以來電導(dǎo)率儀采用模擬或者簡單數(shù)字電路測量方式，制約了電導(dǎo)率儀在生產(chǎn)中的應(yīng)用，而以單片機為核心的智能電導(dǎo)率儀可以有效解決這個問題，從而實現(xiàn)電導(dǎo)率儀的數(shù)字化、智能化［2］。而基于單片機技術(shù)的電導(dǎo)率儀的測量精度依然是制約電導(dǎo)率儀發(fā)展的最主要因素。

1 測量原理

電導(dǎo)G或者電導(dǎo)率K 是電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的重要標(biāo)志，電導(dǎo)G 是電阻R 的倒數(shù)，K 是電阻率ρ的倒數(shù)。電導(dǎo)的單位是西門子，用字母S 表示。電導(dǎo)和電導(dǎo)率的關(guān)系為［3］

式中，A為電極有效面積，L為電極間距，θ=L/A為電極常數(shù)。所以測量溶液的電阻就可以得到溶液電導(dǎo)，再乘以電極常數(shù)得到電導(dǎo)率。測量示意圖如圖1所示。

式(2)中，VRONG為輸入測量電路的電壓，Uout為輸出電壓，R1為已知電阻，通過測量VRONG和Uout，求出溶液的電阻R 進而得出其電導(dǎo)率G。

圖1

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

普通的電導(dǎo)率儀包括電源模塊、電導(dǎo)率測量電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、量程轉(zhuǎn)換電路、溫度測量電路、實時時鐘以及鍵盤、LCD 人機對話模塊等，如圖2［2］。本文基于參考文獻［2］的設(shè)計對其中的幾個模塊分別進行優(yōu)化。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.1 對交流信號發(fā)生器的優(yōu)化

在測量溶液的電導(dǎo)率過程當(dāng)中，為了防止電極極化，溶液需要提供交變的信號。原始的交流信號發(fā)生器，如文氏橋、MAX038 等，雖然能夠完成正弦波或者方波的發(fā)生，但其大大增加了硬件電路的復(fù)雜程度，對電導(dǎo)率的測量精度產(chǎn)生負面影響。本文基于C8051F060 單片機的12 bit DA，輸出0～5 V的恒定電壓，再經(jīng)過反相器(如圖3)，分別將DA 輸出的恒定電壓與反相器輸出的電壓接在多路開關(guān)X通道的X0，X1 上，通過單片機控制兩個通道的開斷，輸出較為穩(wěn)定精密的方波VRONG。如圖4(X通道)，不僅其穩(wěn)定性好，而且不易失真。

圖3

圖4

2.2 AD 轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)化設(shè)計

C8051F060 有兩路16 bit AD，一路用來測量圖1 中的輸出電壓Uout，一路用來測量圖1 中輸入電壓的精確值URONG。16 bit AD 的分辨率

式中，k為AD 分辨率，Vmax為AD 的參考電壓，n為AD 位數(shù)。因此，采用單片機內(nèi)部AD 完全可以滿足設(shè)計要求，避免了采用復(fù)雜的AD 轉(zhuǎn)換電路，減少了硬件間的相互干擾。此外，傳統(tǒng)設(shè)計中方波發(fā)生器產(chǎn)生的信號的電壓都被視為精確的，直接代入式(2)計算，誤差較大，本設(shè)計還對輸入電壓URONG進行了測量，有效減少了輸入電壓的誤差，從而提高了電導(dǎo)率的測量精度。

2.3 量程選擇的優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的電導(dǎo)率儀為了實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，經(jīng)常引入多路開關(guān)或者繼電器電路，硬件電路復(fù)雜，且繼電器極易受到其他信號的干擾，不能有效的保證電導(dǎo)率儀的精度。本文通過改變DA 輸出的電壓URONG 的大小，調(diào)節(jié)儀器的量程選擇。具體如下:由式(2)得:

因為溶液電阻大多在50Ω～∞，所以溶液電導(dǎo)率的范圍為0～20 ms。兩個相鄰的量程之間的測量要有一定的重疊區(qū)域，否則儀器無法工作。為保證設(shè)計精度，可將儀表分為第1 檔:0～21μs、第2檔:20μs～210μs、第3 檔:200μs～2.1 ms、第4檔:2 ms～20 ms。運放上的電流

取R1=100 K。選定URONG，并由式(4)、式(5)計算各檔次的Uout和I 的范圍，如表1所示。

表1

由表1 可見，Uout與URONG的電壓范圍均為0～5 V，DA 也可以滿足運放所需要的電流。

下面計算精度是否能夠達到，Rx的相對測量誤差

若待測電阻值Rx偏移η·R，Uout相應(yīng)的偏移為ΔUout，滿足［4］:

其中

Δ(η·Rx)為高階無窮小，可略去。

要使偏移量ΔUout能夠被A/D 分辨，應(yīng)滿足不等式:

其中根據(jù)C8051F060 資料，n=16，Vmax=5 V;代入上式得:

第1 檔:η≤0.000 02

第2 檔:η≤－0.000 03

第3 檔:η≤－0.000 02

第4 檔:η≤－0.000 02

所以經(jīng)計算得知，按0～21μs、20μs～210μs、200μs～2.1 ms、2 ms～20 ms 分成四檔，完全可以達到要求，量程的自動轉(zhuǎn)換則通過單片機控制從0～21μs 開始依次換擋，直至找到其合適的電導(dǎo)率測試檔。

3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)的軟件流程見圖5，系統(tǒng)上電復(fù)位以后，由控制DA 輸出初始電壓1.6 V(0～21μs)，經(jīng)測量電路及AD 轉(zhuǎn)換后與m1、m2 比較，其中m1為各檔Uout的下限，m2為各檔Uout的上限，若AD 的結(jié)果在上下限范圍內(nèi)，則量程合適，計算電導(dǎo)率值，若AD結(jié)果不在上下限內(nèi)，則量程提升一檔，URONG賦下一檔值，如此循環(huán)，直至找到合適的量程，進而計算電導(dǎo)率值。傳統(tǒng)電導(dǎo)率儀的溫度補償、EEPROM 及USB 接口［2］均保留不變。

圖5

4 測量精度分析

實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2

按照以上設(shè)計后的電導(dǎo)率儀，經(jīng)檢測，在儀器的測量范圍以內(nèi)(0～20ms)，儀器的測量誤差為0.10%，重復(fù)誤差為0.05%，精度比傳統(tǒng)電導(dǎo)率儀有了較大提高。

5 結(jié)論

用軟件編程的方法代替復(fù)雜的硬件電路，從而提高測量精度是可行的。在提高精度的同時，還節(jié)約了成本。在當(dāng)今集成電路產(chǎn)品愈來愈便宜的情況下，通過軟件提高電導(dǎo)率儀的精度的設(shè)計方法更顯出其重要意義。

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