采用嵌入式技术的智能电导率仪设计

邱春毓，黄 皎，2

(1.河海大学物联网工程学院，常州213022; 2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022)

采用嵌入式技术的智能电导率仪设计

邱春毓1，黄 皎1，2

(1.河海大学物联网工程学院，常州213022; 2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022)

为了实时精确地测量水溶液的电导率，设计了一种高精度的智能电导率仪。系统采用S3C2440为核心控制处理器，包含时钟模块、正弦交流激励模块、精密整流模块、A/D采样模块、触摸屏显示模块、以太网接口模块、数据存储模块、故障报警模块等。提供数据采集和处理、触摸屏显示、以太网通信、故障报警等功能。实验数据表明，该仪表能准确测量水溶液的电导率，测量精度高、工作稳定可靠、重复性好，有较高的实用价值和推广意义。

电导率;S3C2440;嵌入式Linux;A/D转换

1 引言

当下，人们的生活节奏不断加快，对生活质量和健康越来越关注，饮用纯净水、生物制品用水、药用蒸馏水的需求量在急剧增加。更多的产品、技术开始对介质导电性能的优劣程度有了更高的要求，使电导率仪需要更高的实时性和准确度。因此电导率的测量被很广泛地运用在工业流程控制、环境监测、医药卫生、产品质量检验和科学研究过程。国家公布的电解质电导率国家计量基准对农业生产、工业生产、高端的科学研究和国家安全各部门都有很重要的意义。电导率仪表是利用溶液成分和电导率之间的关系分析溶液的成分，可用于测量酸、碱溶液的浓度，也可以用于测量锅炉和大型发电机组补给水中的含盐量［1］，同时也是饮用水和制药过程中不可或缺的分析仪表。

2 仪表系统总体概述

2.1 仪表测量原理

溶液电导率反映溶液的导电性能，电导率越大，导电性能越好，电导率越小，导电性能越差，电导率计算公式如下:

式中:G为电导，单位为西门子(S);A为导体的有效横截面积;σ为电导率，单位为西门子每厘米S/cm;K为电导池常数(cm－1)，它是电导电极两极片之间的距离l与极片面积A之比值［2］。

由于溶液的电导率受温度影响，所以溶液标准电导率规定在标准25℃下，进而需要将当前温度下的电导率值转化成25℃下的电导率［3］。对于一般电解质溶液，在浓度较低时电导率与温度的关系可以近似表示为:

kt=k25(1+α1(t－25)+α2(t－25)2)

kt和k25分别为溶液温度在t℃和25℃时的电导率;α1和α2为溶液电导率的温度系数，用%℃表示。式中α2(t－25)2一项的数值很小，可忽略不计，上式简化为:

kt=k25(1+α(t－25))

一般情况下溶液温度系数α为0.022，酸类α为0.016，盐类α为0.024，碱类α为0.019。

电极等效物理模型如图1所示。

图1 电极等效物理模型

测量方法是采用电压幅值稳定，频率固定的正弦信号对电极进行激励。对激励电压信号和电极响应的电流信号同时进行双通道高速A/D变换，计算电压有效值U、电流有效值I、有功功率P。用电压有效值U除于电流有效值I得到视在电阻m，计算功率因数comθ，功率因数角θ的正切绝对值n［4］。电导率测量公式:

式中，g为电导率值，ω为激励信号的角频率，Cp为电极间以及电极引线的分布电容之和，K为电极常数。

2.2 仪表系统设计

仪表结构如图2所示。电导率仪以S3C2440为微处理器，包含电源模块、时钟模块、正弦交流激励模块、精密整流模块、A/D采样模块、触摸屏显示模块、以太网接口模块、数据存储模块、故障报警模块等。

图2 仪表总体结构图

本系统设计采用基于ARM920T内核的微控制器S3C2440。该微控制器功能强大，提供24通道外部中断源、外部存储控制器、多达130个通用I/O口、3个通道的UART和2通道SPI等功能，特别适用于工业控制、医疗等系统。

微控制器S3C2440控制正弦交流激励模块产生电路产生两个频率的正弦交流激励;精密整流电路完成将交流信号转化为直流信号;A/D采样模块完成对直流信号的采集和转化;存储模块负责存储仪表相应的参数和测量值等数据;触摸屏显示模块可以给用户提供友好的人机交互界面;以太网接口实现仪表的网络化，避免出现信息孤岛。

3 仪表主要模块设计

3.1 正弦交流激励模块

正弦交流激励模块是通过微控制器S3C2440控制AD9833输出正弦信号。AD9833是可编程波形发生器［5］，能够产生正弦波、三角波、方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域，AD9833无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节，频率寄存器是28位，主频时钟为25MHz时，精度为0.1Hz，主频时钟为1MHz时，精度可以达到0.004Hz。可以通过3个串行接口将数据写入AD9833，这3个串口的最高工作频率可以达到40Hz，AD9833的工作电压范围为2.3V～5.5V，AD9833还具有休眠功能，可使没被使用的部分休眠，减少该部分的电流损耗。正弦交流激励模块电路图如图3所示。

3.2 A/D采样模块

为了达到仪表测量的精度和稳定性，A/D采集模块采用美国ADI公司生产的20位模数转换器AD7703。它的非线性为0.0003%，具有可选的校验方式以及温度工作范围宽(一般为－40℃ ～85℃)、抗干扰能力强等特点。AD7703具有灵活的串行接口可与微控制器相连接，输出准确的数据。适用于工业测控过程、便携式仪表等领域的信号采样。AD7703采用 ±5V供电，A/D转换参考电压为2.5 V。AD7703电路连接图如图4所示。

图3 正弦交流激励模块电路图

图4 AD7703电路连接图

4 仪表软件设计

4.1 总体控制流程

仪表的控制流程程序内容主要分为系统初始化、参数设置、测量、报警、信息存储和触摸屏显示。其中初始化主要包括触摸屏初始化、A/D初始化及存储器初始化等。系统具体测量流程图如图5所示。

4.2 系统平台建立和数据库移植

仪表采用Linux作为系统平台。Linux最大的优势是其开源性质。Linux系统的移植包括交叉编译环境的搭建，Bootloader引导程序的移植［6］，对内核进行裁剪、建立依赖关系、生成文件并加载内核，最后通过超级终端将信息下载至 S3C2440硬件平台。

图5 系统具体测量流程图

为了对测量的数据、仪表报警和警告等记录进行管理，在系统中移植了嵌入式MYSQL数据库。该数据库提供了丰富的用C语言编写的API函数，使用户的使用和编程更加便利。

5 实验结果

课题已成功完成了电导率仪的研制，并进行了大量实验，完成了仪表可靠性、准确性、重复性测试，测量结果如表1所示。

表1 电导率仪的测量结果

从表1数据可以看出，电导率仪的测量值和标准值的误差小于0.5%，其精度高于国家标准及部分国内外仪表厂的同类产品。

6 结束语

笔者结合电导率测量原理、嵌入式电子技术、嵌入式数据库技术等技术，设计了一种电导率仪。仪表采用32位高性能嵌入式微处理器S3C2440和嵌入式实时操作系统为核心，采用可编程波形发生器AD9833作为激励信号源，采用20位高精度A/D转换器，具有精度高、稳定性高、功耗低和实时性好等特点。经测试，电导率仪的测量精度高，稳定性好，应用前景广阔。

［1］ 陈光利.工业锅炉水质不良的危害及实质控制环节［J］.特钢技术，2007，13(51):49－51.

［2］ 曾明敏.基于嵌入式系统电导率仪的设计及应用研究［D］.广州:华南理工大学，2012.

［3］ 孙喜荣.关于电导率仪中的温度补偿问题［J］.计量技术，2004(6):46－47.

［4］ 福建师范大学.溶液电导率的测量方法［P］.中国: ZL200910113046.3，2010－06－09.

［5］ 李应，祁欣.基于AD9833的电导率仪激励源的设计［J］.北京化工大学学报(自然科学版)，2013(2): 80－83.

［6］ 赵敏.基于S3C2440嵌入式Linux系统的研究与应用［D］.湘潭:湘潭大学，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，四川泸州人，硕士研究生，主研方向:网络化智能仪表。

2013－10－8