采用嵌入式技術(shù)的智能電導(dǎo)率儀設(shè)計(jì)

邱春毓，黃 皎，2

(1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022; 2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022)

采用嵌入式技術(shù)的智能電導(dǎo)率儀設(shè)計(jì)

邱春毓1，黃 皎1，2

(1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022; 2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022)

為了實(shí)時(shí)精確地測(cè)量水溶液的電導(dǎo)率，設(shè)計(jì)了一種高精度的智能電導(dǎo)率儀。系統(tǒng)采用S3C2440為核心控制處理器，包含時(shí)鐘模塊、正弦交流激勵(lì)模塊、精密整流模塊、A/D采樣模塊、觸摸屏顯示模塊、以太網(wǎng)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、故障報(bào)警模塊等。提供數(shù)據(jù)采集和處理、觸摸屏顯示、以太網(wǎng)通信、故障報(bào)警等功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該儀表能準(zhǔn)確測(cè)量水溶液的電導(dǎo)率，測(cè)量精度高、工作穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好，有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

電導(dǎo)率;S3C2440;嵌入式Linux;A/D轉(zhuǎn)換

1 引言

當(dāng)下，人們的生活節(jié)奏不斷加快，對(duì)生活質(zhì)量和健康越來(lái)越關(guān)注，飲用純凈水、生物制品用水、藥用蒸餾水的需求量在急劇增加。更多的產(chǎn)品、技術(shù)開始對(duì)介質(zhì)導(dǎo)電性能的優(yōu)劣程度有了更高的要求，使電導(dǎo)率儀需要更高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度。因此電導(dǎo)率的測(cè)量被很廣泛地運(yùn)用在工業(yè)流程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和科學(xué)研究過(guò)程。國(guó)家公布的電解質(zhì)電導(dǎo)率國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、高端的科學(xué)研究和國(guó)家安全各部門都有很重要的意義。電導(dǎo)率儀表是利用溶液成分和電導(dǎo)率之間的關(guān)系分析溶液的成分，可用于測(cè)量酸、堿溶液的濃度，也可以用于測(cè)量鍋爐和大型發(fā)電機(jī)組補(bǔ)給水中的含鹽量［1］，同時(shí)也是飲用水和制藥過(guò)程中不可或缺的分析儀表。

2 儀表系統(tǒng)總體概述

2.1 儀表測(cè)量原理

溶液電導(dǎo)率反映溶液的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率越大，導(dǎo)電性能越好，電導(dǎo)率越小，導(dǎo)電性能越差，電導(dǎo)率計(jì)算公式如下:

式中:G為電導(dǎo)，單位為西門子(S);A為導(dǎo)體的有效橫截面積;σ為電導(dǎo)率，單位為西門子每厘米S/cm;K為電導(dǎo)池常數(shù)(cm－1)，它是電導(dǎo)電極兩極片之間的距離l與極片面積A之比值［2］。

由于溶液的電導(dǎo)率受溫度影響，所以溶液標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)25℃下，進(jìn)而需要將當(dāng)前溫度下的電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)化成25℃下的電導(dǎo)率［3］。對(duì)于一般電解質(zhì)溶液，在濃度較低時(shí)電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系可以近似表示為:

kt=k25(1+α1(t－25)+α2(t－25)2)

kt和k25分別為溶液溫度在t℃和25℃時(shí)的電導(dǎo)率;α1和α2為溶液電導(dǎo)率的溫度系數(shù)，用%℃表示。式中α2(t－25)2一項(xiàng)的數(shù)值很小，可忽略不計(jì)，上式簡(jiǎn)化為:

kt=k25(1+α(t－25))

一般情況下溶液溫度系數(shù)α為0.022，酸類α為0.016，鹽類α為0.024，堿類α為0.019。

電極等效物理模型如圖1所示。

圖1 電極等效物理模型

測(cè)量方法是采用電壓幅值穩(wěn)定，頻率固定的正弦信號(hào)對(duì)電極進(jìn)行激勵(lì)。對(duì)激勵(lì)電壓信號(hào)和電極響應(yīng)的電流信號(hào)同時(shí)進(jìn)行雙通道高速A/D變換，計(jì)算電壓有效值U、電流有效值I、有功功率P。用電壓有效值U除于電流有效值I得到視在電阻m，計(jì)算功率因數(shù)comθ，功率因數(shù)角θ的正切絕對(duì)值n［4］。電導(dǎo)率測(cè)量公式:

式中，g為電導(dǎo)率值，ω為激勵(lì)信號(hào)的角頻率，Cp為電極間以及電極引線的分布電容之和，K為電極常數(shù)。

2.2 儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儀表結(jié)構(gòu)如圖2所示。電導(dǎo)率儀以S3C2440為微處理器，包含電源模塊、時(shí)鐘模塊、正弦交流激勵(lì)模塊、精密整流模塊、A/D采樣模塊、觸摸屏顯示模塊、以太網(wǎng)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、故障報(bào)警模塊等。

圖2 儀表總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于ARM920T內(nèi)核的微控制器S3C2440。該微控制器功能強(qiáng)大，提供24通道外部中斷源、外部存儲(chǔ)控制器、多達(dá)130個(gè)通用I/O口、3個(gè)通道的UART和2通道SPI等功能，特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療等系統(tǒng)。

微控制器S3C2440控制正弦交流激勵(lì)模塊產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩個(gè)頻率的正弦交流激勵(lì);精密整流電路完成將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào);A/D采樣模塊完成對(duì)直流信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)化;存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)儀表相應(yīng)的參數(shù)和測(cè)量值等數(shù)據(jù);觸摸屏顯示模塊可以給用戶提供友好的人機(jī)交互界面;以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)儀表的網(wǎng)絡(luò)化，避免出現(xiàn)信息孤島。

3 儀表主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 正弦交流激勵(lì)模塊

正弦交流激勵(lì)模塊是通過(guò)微控制器S3C2440控制AD9833輸出正弦信號(hào)。AD9833是可編程波形發(fā)生器［5］，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出。波形發(fā)生器廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量、激勵(lì)和時(shí)域響應(yīng)領(lǐng)域，AD9833無(wú)需外接元件，輸出頻率和相位都可通過(guò)軟件編程，易于調(diào)節(jié)，頻率寄存器是28位，主頻時(shí)鐘為25MHz時(shí)，精度為0.1Hz，主頻時(shí)鐘為1MHz時(shí)，精度可以達(dá)到0.004Hz?？梢酝ㄟ^(guò)3個(gè)串行接口將數(shù)據(jù)寫入AD9833，這3個(gè)串口的最高工作頻率可以達(dá)到40Hz，AD9833的工作電壓范圍為2.3V～5.5V，AD9833還具有休眠功能，可使沒被使用的部分休眠，減少該部分的電流損耗。正弦交流激勵(lì)模塊電路圖如圖3所示。

3.2 A/D采樣模塊

為了達(dá)到儀表測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，A/D采集模塊采用美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的20位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7703。它的非線性為0.0003%，具有可選的校驗(yàn)方式以及溫度工作范圍寬(一般為－40℃ ～85℃)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。AD7703具有靈活的串行接口可與微控制器相連接，輸出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。適用于工業(yè)測(cè)控過(guò)程、便攜式儀表等領(lǐng)域的信號(hào)采樣。AD7703采用 ±5V供電，A/D轉(zhuǎn)換參考電壓為2.5 V。AD7703電路連接圖如圖4所示。

圖3 正弦交流激勵(lì)模塊電路圖

圖4 AD7703電路連接圖

4 儀表軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體控制流程

儀表的控制流程程序內(nèi)容主要分為系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、測(cè)量、報(bào)警、信息存儲(chǔ)和觸摸屏顯示。其中初始化主要包括觸摸屏初始化、A/D初始化及存儲(chǔ)器初始化等。系統(tǒng)具體測(cè)量流程圖如圖5所示。

4.2 系統(tǒng)平臺(tái)建立和數(shù)據(jù)庫(kù)移植

儀表采用Linux作為系統(tǒng)平臺(tái)。Linux最大的優(yōu)勢(shì)是其開源性質(zhì)。Linux系統(tǒng)的移植包括交叉編譯環(huán)境的搭建，Bootloader引導(dǎo)程序的移植［6］，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪、建立依賴關(guān)系、生成文件并加載內(nèi)核，最后通過(guò)超級(jí)終端將信息下載至 S3C2440硬件平臺(tái)。

圖5 系統(tǒng)具體測(cè)量流程圖

為了對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)、儀表報(bào)警和警告等記錄進(jìn)行管理，在系統(tǒng)中移植了嵌入式MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)提供了豐富的用C語(yǔ)言編寫的API函數(shù)，使用戶的使用和編程更加便利。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

課題已成功完成了電導(dǎo)率儀的研制，并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，完成了儀表可靠性、準(zhǔn)確性、重復(fù)性測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 電導(dǎo)率儀的測(cè)量結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，電導(dǎo)率儀的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的誤差小于0.5%，其精度高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及部分國(guó)內(nèi)外儀表廠的同類產(chǎn)品。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者結(jié)合電導(dǎo)率測(cè)量原理、嵌入式電子技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電導(dǎo)率儀。儀表采用32位高性能嵌入式微處理器S3C2440和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，采用可編程波形發(fā)生器AD9833作為激勵(lì)信號(hào)源，采用20位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、穩(wěn)定性高、功耗低和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，電導(dǎo)率儀的測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 陳光利.工業(yè)鍋爐水質(zhì)不良的危害及實(shí)質(zhì)控制環(huán)節(jié)［J］.特鋼技術(shù)，2007，13(51):49－51.

［2］ 曾明敏.基于嵌入式系統(tǒng)電導(dǎo)率儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012.

［3］ 孫喜榮.關(guān)于電導(dǎo)率儀中的溫度補(bǔ)償問(wèn)題［J］.計(jì)量技術(shù)，2004(6):46－47.

［4］ 福建師范大學(xué).溶液電導(dǎo)率的測(cè)量方法［P］.中國(guó): ZL200910113046.3，2010－06－09.

［5］ 李應(yīng)，祁欣.基于AD9833的電導(dǎo)率儀激勵(lì)源的設(shè)計(jì)［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013(2): 80－83.

［6］ 趙敏.基于S3C2440嵌入式Linux系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］.湘潭:湘潭大學(xué)，2009.

Design of Intelligent Conductivity Meter Based on Embedded Technology

QIU Chun－yu1，HUANG Jiao1，2
(1.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission＆Distribution Equipment Technology，Changzhou 213022，China)

For accurate measurement of the aqueous solution conductivity in real－time，a highprecision conductivity meter is designed.The system，using the S3C2440 as its core control processor，including clock module，sinusoidal AC excitation module，precision rectifier module，A/D sampling module，touch screen display module，ethernet interface module，data storage module，fault alarm module，etc.，provides such functions as data acquisition and processing，touch screen display，ethernet communication and fault alarm.The experimental data show that it can accurately measure the conductivity of the aqueous solution with its high measurement accuracy，good stability，high reliability and good repeatability.It has a high practical value and promotable significance.

Conductivity;S3C2440;Embedded Linux;A/D converter

10.3969/j.issn.1002－2279.2014.02.025

TH73

A

1002－2279(2014)02－0081－03

邱春毓(1990－)，男，四川瀘州人，碩士研究生，主研方向:網(wǎng)絡(luò)化智能儀表。

2013－10－8