基于C8051F单片机的智能电导率分析仪的研制

张媛媛，罗益民，邵 铃

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)



基于C8051F单片机的智能电导率分析仪的研制

张媛媛，罗益民，邵 铃

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)

介绍了基于C8051F021单片机电导率表的测量原理、硬件结构、软件设计和通讯方式。仪表采用脉宽可调的双极性脉冲电压作为电导率测量的激励源，消除了介极化现象，减小了电容效应带来的误差。此方法可以提高测量精度，简化硬件电路的设计。软件设计部分对测量数据进行直线拟合，完成了数据的软件补偿，提高了测量精度。

电导率;C8051F021;脉宽可调的双极性脉冲电压;最小二乘原理

1 测量原理及方法

电解质溶液的导电能力可以用电导和电导率来表示(电导和电阻为倒数关系)。其公式如下：

G=1/R=A/(ρL)=σ/K

(1)

σ=Κ/R=KI/U=KG

(2)

式中：G为溶液的电导，S；K为电导池常数，m-1，K是两电极间的距离L与导体的有效横截面积A的比值；σ为电导率，S·m-1。

影响水溶液电导率测量的因素有：温度、极化效应和电容效应。通过提高激励源频率及采用交流激励源等方法，可以近似认为消除极化效应的影响。而电容效应研究如下：通过分析并进行简化得到电导池的等效电路，如图1(a)所示。CX为极化效应产生的电容，CP为连接电缆的分布电容和极间电容，RX为介质电阻，通常情况下CX(μF级)≥CP(pF级)[1]。在高电导率(低阻)溶液测量时，CX影响明显，提高测量频率可减小误差。在低电导率(高阻)溶液测量时，CP为误差的主要原因，测量频率高反而增大误差。因此，为了降低测量误差，应根据情况选择合适的激励源频率。在测量高阻溶液时，可以简化电路模型，如图1(b)所示。

(a)电导池

(b)高阻溶液电导池

通过上述分析，本文提出了新的测量方法：设计激励源为双极性脉冲电压，其频率可调。通过单片机控制采样时间，在输出的电压信号稳定后再进行采样。对正负半周期的相同时间点分别采样，得到的平均值作为一次测量值，可以消除系统误差。同时，通过调节脉冲宽度和采样点，作多次测量，当测量值稳定时可以认为达到稳态，测量误差最小。

2 系统设计

电导率表主要由C8051F021单片机、双极性脉冲激励源发生电路、电导和温度测量电路、信号调理和采集电路、RS485通讯接口、人机界面等部分组成。系统工作原理是：激励源电路产生脉宽可调的双极性脉冲方波电压加到电极两端，流经电导池的电流经过后续运放电路转换为电压信号，再经过后续的信号调理电路，转换为合适的直流电压信号送入单片机的A/D转换器进行数据处理，得到电导率值。温度测量电路输出信号经放大滤波处理后，送入单片机，通过软件完成温度补偿等处理后，显示温度值。最后将数值输出到液晶屏幕显示。通讯模块通过RS485接口与上位机通讯。硬件设计结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

3 硬件设计

3.1 微处理器

为了满足仪表的设计功能，选择了C8051F021单片机，其性能远高于51单片机，集成度高，功能强大，是完全集成的混合信号系统级芯片。其采用流水线处理技术，指令执行速度快；芯片内置的8路12位模数转换器可以满足信号采集的精度要求；内置的计数器/定时器可以满足激励源电路的控制方波的编程要求。同时芯片具备多种总线接口以及控制系统所需的模拟和数字外设。芯片具有运行速度快、存储空间大、调试方便、工作温度范围广等多种优点。因此，C8051F021单片机可以简化硬件电路设计，缩小仪表体积，提高仪表的智能度，满足系统的设计要求[2]。

3.2 双极性脉冲激励源电路

为了减少极化现象对测量的影响，传统的交流激励源方式需要复杂的后续调理电路。本文采用的脉宽可变的双极性脉冲方波简化了硬件电路的设计。激励源的设计要求非常严格，要求双极性脉冲方波的占空比为50%，正负脉冲幅值要相同。因此采用了2个三端集成稳压器(78L05为正电压输出稳压电源，79L05为负电压输出稳压电源)组成信号发生器。三端集成稳压器带内部热过载保护电路，无需外接元件、性能良好、性价比高。正负电源的切换选用模拟开关MAX305，由单片机C8051F021产生频率控制信号，控制模拟电子开关MAX305按时对正负电压源切换，这样，就可以产生双极性脉冲激励源。脉冲宽度的调节可以通过单片机的定时器T0编程控制。

3.3 温度测量电路

测温电路选择的温度传感器为铂热电阻Pt100(测量范围为0～100 ℃，分辨率为±0.1 ℃),其测量精度高、稳定性好，在工业系统中有着广泛应用。测温电路主要设计方案选择的是三线制不平衡电桥电路，Pt100用3根导线引致测温电路。电桥电路由Pt100，R1、R2、R3构成，其中R1=R2，R3=100 Ω。为了消除Pt100的引线电阻带来的测量误差，将其2根等长度导线的内阻分别串入电桥两侧的桥臂R1、R2上。 电桥电路输出电压差信号，经过信号放大后送入单片机的A/D转换器进行处理。温度测量电路如图3所示。

图3 测温电路

3.4 A/D转换电路

A/D转换器对仪器测量的精确性和实时性有着直接的影响，这主要是通过A/D转换器的精度和转换速率来体现的。本仪表中单片机选用了C8051F021，该芯片内置了一个8通道12位逐次逼近式ADC，它包括一个9通道输入的多路选择开关和可编程的增益放大器。其最大采样速率为100 KSPS，积分非线性度为±1 LSB。理论上可使温度的测量精度达到0.029 3 ℃，电导率的转换精度达到2.441 μS/cm，可以满足系统设计的要求。ADC的编程设置主要有：参考电压设置、使能ADC、设置启动方式、设定数据对齐、配置并选择通道、转换时钟的设定、增益设定、检测上下限设定、启动转换。

3.5 通讯模块

为了实现电导率表与上位机通讯，本系统配置了异步串行数据总线RS485通讯接口。RS485为半双工接口，通讯距离长，符合工业通讯标准。其通讯使用Modbus协议，通讯方式为主从式，允许1台主设备和多台从设备进行数据通讯。Modbus有ASCII和RTU两种通讯模式，为了传送更多数据，提高通讯速度，本设计中选用了RTU(远程终端单元)模式。每个RTU信息帧数据包含从机地址、命令字、数据字、校验码等十六进制信息。

电导率表与上位机通过RS485接口进行Modbus通信时，电导率表通过UART中断接收数据，再送入收帧处理程序进行地址信息判断，若地址相符，则进行CRC校验(校验码为循环冗余法)，否则忽略。若CRC校验正确，则读取命令字，并根据不同功能代码进行相应的读写等数据处理，然后生成返回帧发回给上位机；若CRC校验错误，则生成报错帧。

4 软件设计

本系统软件采用C语言编制，将编程模块化，主要程序包括初始化程序、电导和温度测量子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序以及通信处理子程序等。

4.1 采样数据的数字滤波

(3)

4.2 最小二乘法原理

(4)

残差的平方和为

(5)

(6)

由式(4)和式(5)可得

(7)

则可知:

(8)

残差vi的平方和为最小值可以推出相应的标准偏差和方差都为最小值，由此说明测量数据的离散度也是最小值，保证了测量精度。基于最小二乘原理的数据处理方法在实际中得到了广泛的应用，也是解决最佳拟合与回归问题的有效方法[3]。

4.3 温度补偿的软件实现

由于Pt100铂热电阻通过测量电阻变化得到温度，两者不能构成线性函数关系，单片机的模数转换器采集到数值后需进行大量计算，进行复杂的软件编程，消耗很多资源，减慢了运行速度。因此建立温度-电阻的数学模型可以提高仪表的性能，本文采用的方法是通过最小二乘法进行线性拟合。

在0～650 ℃范围内，Pt100阻值-温度的关系式为

R=R0(1+At+Bt2)

(9)

式中：A、B为常数；R0=100 Ω (即0 ℃时的阻值);R为温度t时的阻值。

利用直线拟合法可以分阶段近似表达上述的二阶多项式。常用温度范围0～100 ℃。因此将0～100 ℃划分为0～50 ℃ 、50～70 ℃ 、70～100 ℃3段,分别对各温度段进行直线拟合 ,得到温度-电阻的数学关系模型：

(10)

3个模型精度都高于±0.1 ℃，满足仪表的测量要求[4]。

4.4 电导测量的软件补偿

电导率表作为测量仪器，必然受系统误差、元件参数误差、环境误差等各因素的影响，因此导致测量值与真值偏离，可以对测得的数据进行软件校正提高精度。通过测量1组标准电阻(范围为100 Ω～10 MΩ)，得到测量数据，根据最小二乘原理用Matlab进行数据拟合，得到了4个档位的标定模型[5]：

Y=1.025X-0.529 1

(11)

Y=0.989 7X-2.553

(12)

Y=0.989X-3.573

(13)

Y=0.558 3X+1 109

(14)

式中：X为测量电阻值；Y为经拟合模型处理后的最终电阻值。

该验表明经过软件补偿后测量精度提高。

5 结束语

本文介绍了一种新型电导率表，激励源为频率可调的双极性电压脉冲。根据具体的溶液选择合适的激励源频率，最大限度地减小了极化效应和电容效应引起的测量误差，提高了测量精度。同时软件部分利用最小二乘原理进行了电导和温度测量的软件补偿。经测试表明，系统结构简单、运行可靠、通讯方便、精度可达1%，可以用于各类电导率的测量场合，具有广阔的应用前景。

[1] 贾科进，张效玮，林波，等．基于单片机 M SC1210的智能电导率在线测量仪．自动化仪表，2007，28(5)：43- 46．

[2] 徐品政，罗益民．新型污垢热阻在线监测仪的研制．自动化仪表，2011，32(8)：81- 84．

[3] 常健生．检测与转换技术．北京：机械工业出版社，2012：25-29．

[4] 张修太,胡雪惠,翟亚芳,等.基于PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究.传感技术学报，2010,23(6)：812-815.

[5] 陈志永．自动换档水电导率仪的研制：[学位论文]．天津：河北工业大学，2004.

Development of Intelligent Electrical Conductivity Analyzer Based on C8051F MCU

ZHANG Yuan-yuan,LUO Yi-min,SHAO Ling

(School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology ,Nanjing 211816,China)

The new conductivity instrument based on C8051F021 single-chip was introduced.Its measuring principle,hardware structure,software design,and communication method were discussed.Instrument adopted width adjustable bipolar pulse voltage as its exciting source,eliminated the dielectric polarization phenomenon and reduced the error brought about by the capacitance effect.This method can improve the measurement accuracy,and simplify the design of hardware circuit.Software design part introduced the linear fitting of measurement data and completed software compensation of the data,which can improve the accuracy of measurement.

conductivity;C8051F021;width adjustable bipolar pulse voltage;principle of least square

2014-04-13 收修改稿日期：2014-12-28

TP216

A

1002-1841(2015)04-0033-03

张媛媛(1984—)，硕士，主要研究方向为智能工业仪表的研制,工业生产循环冷却水相关检测。 E-mail：fengye_511@163.com 罗益民(1958—)，高级工程师，主要研究方向为检测仪器的研发及应用，水处理专用设备的研发及应用。 E-mail:luoyimin1234@126.com