智能電導率儀整體設計方案與電路詳解

2021-01-08 電子發燒友
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智能電導率儀整體設計方案與電路詳解

Dick 發表於 2015-05-27 16:21:04

　　智能電導率儀採用交流測量法來測量電導率。正弦激勵的產生是通過阻抗測試晶片AD5933來實現的。AD5933輸出的正弦激勵加在電導池的電極上，AD5933可以計算出溶液阻抗經過傅立葉變換後阻抗的實部R和虛部I（結果保存在AD5933的寄存器中），然後再計算出校準係數A，就可以通過單片機計算出溶液的真實阻抗，進而計算出溶液的電導率。溫度補償電路測量溶液溫度，用於修正溫度對測量帶來的影響。

　　設計背景

　　電導率是一個衡量水溶液導電能力的電學物理量， 電阻率的倒數為電導率，用希臘字母κ表示（或者γ［1］），κ=1/ρ。一般意義上，電導率的測量溫度是標準溫度（25℃）。在液體中，水的電導率是衡量水質的一個重要指標。電導率的測量在日常生產和生活中有著比較廣泛的應用，如測量飲用水的電導率用來檢測水中所含電解質的濃度，用來測量沿海地下水的電導率來查看其地下水收海水的入侵程度，還可以用測量電導率的方式來辨別地溝油等。本文就是鑑於測量電導率的廣泛應用而設計出了一種測量溶液電導率的智能測量儀。

　　主控晶片單片機

　　電導率測量儀採用的微控制器是LPC932單片機，LPC932具有集成度高和成本低的特點。該單片機的封裝體積比較小，有利於減小PCB板的面積。比較高的集成度也可以減少單片機外圍器件的數量。LPC932隻需要二到四個時鐘周期的指令執行時間，與普通的80C51器件相比，其速度要快很多。

　　AD5933阻抗測量和正弦信號發生電路

　　電導率測量儀測量所需要的正弦激勵是由晶片AD5933來實現的。正弦信號的幅值和頻率可以通過該晶片進行調節。當AD5933的外部接入負載時，負載阻抗經過傅立葉變換後的實部R和虛部I可以由AD5933計算出來並保存在內部寄存器中。由此可以計算出傅立葉變換後。

　　AD5933的硬體連接圖如圖1所示。

　　

　　圖1 AD5933的硬體連接圖

　　為了提高AD5933輸出信號的精度，採用有源晶振晶片為其提供外部時鐘，晶片的頻率為16.384MHz。AD5933內部ADC的採樣頻率是外部時鐘MCLK的1/16，這樣最終進入內部ADC的頻率就是16.384/16=1.204MHz，由此得到晶片的解析度為1.024MHz/1 024=1kHz，，確保了掃描頻率是1 000的整數倍，這樣就可以防止DFT計算時發生頻譜洩露，保障其變換後結果的正確性。最後經過DFT變換後阻抗的實部和虛部保存到AD5933的寄存器中，單片機可以通過AD5933的SCL引腳和SDA引腳用C 總線的方式讀取寄存器中的結果。AD5933輸出的正弦波經過兩個大小為100μF和100nF的電容並聯進行直流分量的隔離，對運算放大器AD8605 的輸出端也採取了同樣的措施來隔離輸出信號中的直流分量。由於AD5933內部運放的同相輸入端有一個1/2VDD的正向偏置電壓，所以在AD8605的同相輸入端也加入了一個1/2VDD的正向偏置電壓，以保證正弦信號在達到峰值3V時不失真。

　　溫度測量電路

　　由於水溶液的溫度對測量結果有比較大的影響，所以需要測量出水溶液的溫度，以對結果進行校正。電導率測量儀測量溫度時採用了PT100鉑電阻，其阻值隨著溫度的升高而變大，是正溫度係數熱敏電阻。將鉑電阻和其他三個高精度電阻連接起來組成電橋電路，當電橋平衡時輸出電壓為0；當溫度變化時電橋輸出的電壓也會發生變化。電橋的輸出電壓輸入到由集成運放構成的差分放大器輸入端，經過放大後送入AD轉換器。該部分電路如圖2所示。

　　

　　圖2 溫度測量電路

　　AD7705是差分輸入，將通道1的AIN-引腳接地，AIN+引腳接經過運放放大後的電橋的輸出電壓，這樣就可以轉化成對電橋輸出電壓的模數轉換。轉換後的數據由引腳DOUT以串行的方式傳輸到單片機，單片機也可以由引腳DIN對AD7705進行配置。AD7705的基準電壓由穩壓二極體 LM336穩壓後得到，其穩壓值為2.5V，外部時鐘由頻率為2.456 7MHz的晶振電路提供。

　　供電電路

　　電導率儀所需的電壓主要有5V和3V，通過穩壓晶片HT7150和HT7130來實現。他們分別可以輸出5V和3V的電壓。HT7150的輸入電壓由24V的電池提供，其輸出的5V電壓用作HT7130的輸入電壓，這樣就可以為系統提供所需電壓。供電電路的硬體連接圖如圖4所示。

　　

　　圖4 供電電路

　　另外，為了保護晶片，分別在HT7150和HT7130的輸入端加上熔斷功率為2W和熔斷電流為20mA的熔斷電阻。

　　M-bus通信電路

　　為了方便多個電導率儀組成測量網絡，在硬體設計時加入M-bus通信電路，這樣多個電導率儀就可以以M-bus總線的方式組網，達到檢測多個測點的目的。電導率測量儀的M-bus總線採用的供電方式為遠程供電，電導率測量儀通過一條四芯電纜和其他M-bus主設備相連。其中，紅白兩條線用來供電，藍綠兩條線用來傳輸信號。主設備向電導率測量儀發送信號時用電壓的變化來表示數字1和數字0。而電導率測量儀向主設備發送信號時則採用電流的變化來表示數字0和數字1。這樣有利於減少幹擾，提高通信的穩定性。

　　測量原理

　　測量中所使用的正弦激勵是通過阻抗測試晶片AD5933來實現的，正弦波的頻率f和幅值E可以通過單片機來控制。AD5933可以計算出溶液阻抗經過傅立葉變換後的實部R和虛部I（結果保存在AD5933的寄存器中），然後再計算出校準係數A，就可以通過單片機計算出溶液的真實阻抗，進而計算出溶液電導率。另外，由於溶液電導率還受到溫度的影響，為了提高測量的準確度還加入了溫度電路。由單片機計算得到電導率，再通過由PT100採集到的溫度的數值來修正。

　　傳感器的結構組成

　　電導率測量儀採用單片機作為主控晶片，主要包括正弦信號發生電路，低通隔離直流濾波電路，傳感器的測量電路，信號放大電路，多路模擬開關，溫度測量電路，AD轉換電路，M-bus通信電路。其中，單片機是整個傳感器的控制中樞，通過控制AD5933來調節正弦信號的幅值和頻率，讀取AD轉換器的數據，計算電導率的數值，來控制M-bus總線通信。

　　在設計時，傳感器本著節能、高效、低成本的原則進行設計，經過調試改進後能對大多數水溶液進行電導率的測量，使用方便，穩定可靠，基本實現了設計時的要求。

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