專利名稱：一種基于單片機的液體電導率測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電導率測量領域，特別涉及一種基于單片機的液體電導率測量方法。
背景技術：
電導率是物體傳導電流的能力。液體比如水的電導率，是表示水的導電性即水的 電阻的倒數(shù)，通常用它來表示水的純凈度。所以經(jīng)常通過測量液體的電導率來確定液體的 純凈度。水質的電導率是確定水質好壞的重要參數(shù)之一，水的鹽度和溫度對水的電導率都 具有影響。鹽度對水的電導率影響是鹽度較低時水溶液的電導率直接和溶解鹽濃度成正 比，而且鹽度越高，電導率越大；并且在相同濃度下，強電解質具有較大的電導率，而弱電解 質的電導率就小得多。溫度對水的電導率影響是溶液的電阻是隨溫度升高而減小，即溶液 的濃度一定時，它的電導率隨著溫度的升高而增加，其增加的幅度約為2%°C-1。另外同一 類的電解質，當濃度不同時，它的溫度系數(shù)也不一樣。在低濃度時，電導率的溫度之間的關 系用下式表示L1 = L0[l+a (t_t0) + i3 (t_t0)2]，其中LO為溶液在溫度t0時的電導率，a 與β為參數(shù)。由于第二項β (t-to)2之值較小，可忽略不計，故在低溫時的電導率與溫度 的關系可用以下近似值Ll = LO [1+a (t-tO)]表示。在環(huán)保要求日益提升的情況下，迫切需要提供一種對液體尤其是對水的電導率的 測量系統(tǒng)及方法，測量到其電導率后，方可確定其純凈度為多少。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于單片機的液體電導率測量方法，實現(xiàn)了對液體電導 率的準確測量。本發(fā)明提供一種基于單片機的液體電導率測量方法，包括以下步驟1. 1、將具有第一繞組和第二繞組的變壓器置于被測液體中，并準備單片機和與其 連接的信號發(fā)生器；1. 2、對步驟1. 1中的硬件系統(tǒng)初始化并從所述單片機的存儲器中至少讀取零點 值以及表征當前電導率測量范圍的信息；1.3、所述單片機控制所述信號發(fā)生器輸出波形信號至所述變壓器的第二繞組，對 所述變壓器第一繞組產(chǎn)生的波形信號感應電壓進行放大，將放大后的波形信號感應電壓的 最大值輸出至一 A/D轉換器并轉化為數(shù)字信號輸出；1.4、依據(jù)所述A/D轉換器輸出的感應電壓數(shù)字信號，并根據(jù)標準的電壓與電導率 的對應關系輸出所述液體在當前溫度下的電導率；1. 5、若步驟1. 3輸出的轉化為數(shù)字信號的波形信號感應電壓的最大值大于零點 且和上次讀取值不同，則重新設置步驟1. 3中波形信號的頻率值并轉步驟1. 3。所述方法還包括溫度補償步驟將溫度傳感器設置在所述液體中并與所述單片機 連接，所述溫度傳感器采集所述液體的溫度并傳輸至所述單片機，所述單片機根據(jù)標準的溫度與電導率的關系將被測液體的電導率自動補償?shù)綐藴蕼囟葧r的電導率值。所述方法在進行溫度補償步驟時，所述步驟1. 2在硬件系統(tǒng)初始化時，還從所述 單片機的存儲器中讀取溫度補償表，并且所述溫度傳感器采集的溫度若較上次有變化時， 則根據(jù)溫度補償表和溫度與頻率的線性關系重新設置步驟1. 3中波形信號的頻率值并轉 步驟1.3。所述方法還包括設置步驟1. 2中電導率測量范圍及/或設置步驟1. 2中零點值及 /或設置步驟1. 3中波形信號的頻率步進的步驟。所述方法在進行設置步驟1. 3中波形信號的頻率步進的步驟時，通過串口向所述 單片機發(fā)送兩個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為0x01，第二個字節(jié)為步進設置字節(jié)，具體為頻率步 進X 100所得結果的十六進制形式。所述方法在進行設置步驟1. 2中零點值的步驟時，通過串口向所述單片機發(fā)出三 個字節(jié)的十六進制，其中第一個字節(jié)與第二個字節(jié)表征參考零點值，第三個字節(jié)為當前的 溫度值。所述方法在進行設置步驟1. 2中電導率測量范圍的步驟時，通過串口向所述單片 機發(fā)送兩個字節(jié)的十六進制數(shù)，其中第一個字節(jié)為0x03，第二個字節(jié)為測量范圍，第二個字 節(jié)中0x01表示測量范圍為0 500mg/L，0x02表示0 3000mg/L，0x03表示0 6000mg/ L，0x04 表示 0 18000mg/L。所述溫度補償表的溫度范圍為0°C 40°C。所述步驟1. 1中的信號發(fā)生器為DDS正弦信號發(fā)生器。所述方法還包括通過設置增益調節(jié)電路對經(jīng)所述步驟1. 3放大的波形信號感應 電壓進行增益調節(jié)的步驟。采用本發(fā)明所述的一種基于單片機的液體電導率測量方法，可適用于測量水的電 導率，其通過單片機驅動信號發(fā)生器發(fā)出波形信號，如正弦波信號，該信號加在放置在液體 中的變壓器的初級繞組時，由于水體在通過耦合線圈中間構成一個閉合的回路，所以在水 的該單通回路中感應出感應電動勢，在該閉合回路中必然會產(chǎn)生電流，當水質的電導率不 同時，流過單通回路的電流也不同，這樣就在所述變壓器的次級繞組上感應出依賴水質電 導率變化而變化的交變感應電壓，由于交變感應電壓和水體電導率是一一對應的關系，所 以只要測出交變感應電壓值，通過定標就能測出水質的電導率。由于通過單片機控制，所以 可以很方便的對其中的電導率測量范圍、零點值及波形信號的頻率步進進行設置。
圖1是本發(fā)明所述測量方法的主流程圖；圖2是本發(fā)明所述測量方法的原理框圖；圖3是本發(fā)明所述信號發(fā)生器電路原理圖；圖4是本發(fā)明所述放大電路原理圖；圖5是本發(fā)明所述檢波電路及A/D轉換器的原理圖；圖6是本發(fā)明所述單片機及溫度傳感器電路原理圖；圖7是本發(fā)明所述的電源電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術方案。本發(fā)明提供一種液體電導率測量方法200，參見圖1，包括以下步驟201、將變壓器置于被測液體中，并準備單片機和信號發(fā)生器。將具有第一繞組和第二繞組的變壓器置于被測液體中，并準備單片機和與其連接 的信號發(fā)生器。202、初始化硬件系統(tǒng)并讀取配置信息。對步驟201中的硬件系統(tǒng)初始化并從所述單片機的存儲器中至少讀取零點值以 及表征當前電導率測量范圍的信息203、輸出波形信號并對產(chǎn)生的波形信號感應電壓進行放大，并轉化為數(shù)字信號輸
出ο所述單片機控制所述信號發(fā)生器輸出波形信號至所述變壓器的第二繞組，對所述 變壓器第一繞組產(chǎn)生的波形信號感應電壓進行放大，將放大后的波形信號感應電壓的最大 值輸出至一 A/D轉換器并轉化為數(shù)字信號輸出。204、根據(jù)標準的電壓與電導率的對應關系輸出電導率。依據(jù)所述A/D轉換器輸出的感應電壓數(shù)字信號，并根據(jù)標準的電壓與電導率的對 應關系輸出所述液體在當前溫度下的電導率。205、若步驟203輸出值大于零點且和上次讀取值不同，則重新設置波形信號的頻 率值并轉步驟203。若步驟203輸出的轉化為數(shù)字信號的波形信號感應電壓的最大值大于零點且和 上次讀取值不同，則重新設置步驟203中波形信號的頻率值并轉步驟203。參見圖2，圖2顯示了本發(fā)明所述測量方法原理框圖100 單片機110和與其連接 的信號發(fā)生器120，所述單片機110用以向所述測量系統(tǒng)各單元輸出控制命令，所述信號發(fā) 生器120用以在所述單片機110的控制下輸出波形信號。參見圖3，作為一實施例，所述信 號發(fā)生器120為DDS正弦信號發(fā)生器(數(shù)字合成正弦信號發(fā)生器)，DDS正弦信號發(fā)生器在 單片機110的控制下發(fā)出正弦波信號。DDS正弦信號發(fā)生器由DDS直接數(shù)字頻率合成器Ul 和運算放大器U2組成。DDS直接數(shù)字頻率合成器Ul通過SPI總路線與單片機110相連，可 由單片機110控制產(chǎn)生0 10M，步進0. 01Hz、峰峰值0. 4V的正弦信號。由于其產(chǎn)生的信 號電壓都為正，若將其直接放大后驅動變壓器130線圈，則其直流分量會燒壞線圈或運算 放大器。若想用該信號放大后驅動線圈，則需先將其調整為標準正弦信號，然后放大到合適 的峰值后驅動線圈。此處的運放應選擇驅動能力較強，信噪比較大的運放，見圖3中的運算 放大器U2。需要說明的是，作為其他實施例，所述信號發(fā)生器120也可以產(chǎn)生其他波形(方 波等)，此時就可以選擇能產(chǎn)生相應波形的信號發(fā)生器120 了。同軸變壓器130，置于被測的所述液體中，包括第一繞組和第二繞組，其第二繞組 連接所述信號發(fā)生器120的輸出端以接收所述正弦波信號。放大電路140，其輸入端連接所述變壓器130的第一繞組以接收所述正弦波信號 的感應電壓并進行放大。正弦波信號加在同軸變壓器130的第二繞組上，則第一繞組上會 感覺出大小依賴于電導率和溫度的正弦信號，通常情況下該信號是很微小的，若直接對其 進行檢波可能會檢測不到或是影響測量的準確性。由于測量范圍分為幾檔，電導率變化范圍很大，運放電路若采用固定增益很難滿足設計的要求，但用手動方法進行增益調整又是 不現(xiàn)實，采用數(shù)字電位器則可由單片機110根據(jù)需要隨時對放大電路140的增益進行調整， 適應不同的應用場合。參見圖4，圖4中的放大電路140選用了運算放大器TO與U11，其采 用的數(shù)字電位器為U12A和U12B。檢波電路150及與其連接的A/D轉換器160 (模數(shù)轉換器)，檢波電路150的輸入 端連接所述放大電路140的輸出端以接收所述放大的正弦波信號感應電壓，檢測所述正弦 波信號感應電壓的最大值并輸出；A/D轉換器160的輸入端連接所述檢波電路150，輸出端 連接所述單片機110，用以將所述檢波電路150輸出的模擬信號轉化為數(shù)字信號并輸出至 所述單片機110。參見圖5，圖5中的運算放大器U3、U4和晶體管Ql及相關外圍電路組成 檢波電路150進行檢波，并采用了高精度串行A/D轉換器160TO進行模數(shù)轉換。A/D轉換器160將電壓信號有模擬信號轉化為數(shù)字信號后，所述單片機110處理所 述A/D轉換器160輸出的感應電壓信號，并根據(jù)標準的電壓與電導率的對應關系輸出所述 液體在當前溫度下的電導率。參見圖6，單片機110是整個硬件電路的中樞，負責控制激勵信號的頻率，控制放 大電路140的增益，檢測A/D轉換器160采樣的值，讀取溫度傳感器180的溫度，保存各種 參數(shù)在其內(nèi)嵌的存儲器中，根據(jù)串口接收的指令設置傳感器的工作模式、運放增益、檢測零 點值、以及步進頻率值。與其對應的外部接口為串行通信接口，采用RS-232電平。作為一 實施例，所述測量方法200還包括溫度補償步驟，設置在所述液體中并與所述單片機110連 接的溫度傳感器180，所述溫度傳感器180采集所述液體的溫度并傳輸至所述單片機110， 所述單片機110根據(jù)標準的溫度與電導率的關系將被測液體的電導率自動補償?shù)綐藴蕼?度時的電導率值。這個溫度傳感器180所起的作用是溫度補償作用。在圖1的步驟202中，上電后對硬件系統(tǒng)進行初始化設置，包括看門狗設置、串口 初始化、A/D轉換器160初始化、定時器初始化以及信號發(fā)生器120的初始化。硬件初始化 完成后從單片機110讀取配置信息，包括溫度補償表、零點值以及表征當前測量范圍的參 數(shù)。然后設置信號發(fā)生器120的初始輸出頻率為6000Hz。讀取感應電壓經(jīng)放大后通過A/ D轉換后的值、讀取溫度值，若AD值大于零點并且和上次讀取值不同或是溫度值有所變化， 則根據(jù)溫度補償表和線性關系重新設置輸出頻率值。判斷作為單片機110輸入接口的串口 是否接收到參數(shù)設置數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后可設置的參數(shù)有溫度補償表、起始零點值、頻率 增長斜率(頻率步進值)以及電導率測量范圍。設置參數(shù)保存在單片機110的存儲器中， 防止重新上電后新的配置信息丟失。所述方法在進行溫度補償步驟時，所述步驟202在硬件系統(tǒng)初始化時，還從所述 單片機110的存儲器中讀取溫度補償表，并且所述溫度傳感器180采集的溫度若較上次有 變化時，則根據(jù)溫度補償表和溫度與頻率的線性關系重新設置步驟203中波形信號的頻率 值并轉步驟203。所述方法中設置步驟202中電導率測量范圍及/或設置步驟202中零點值及/或 設置步驟203中波形信號的頻率步進的步驟，詳見以下對單片機110進行相關參數(shù)的設置時需要用到RS232接口，單片機的RS-232接口 定義為綠線為RS 232-T )、藍線為RS232-RXD、白線接地。按照接口定義連接好串口，上位 機打開串口助手或超級終端等串口調試工具，波特率設為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。打開串口后對整個系統(tǒng)加電(請勿帶電插拔串口)，傳感器上電后會從串口發(fā)出一些十六進 制的數(shù)據(jù)。一、頻率步進設置通過串口向所述單片機110發(fā)送兩個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為0x01，第二個字節(jié) 為步進設置字節(jié)，具體為頻率步進X 100所得結果的十六進制形式。例如要設置頻率步進為1. 5Hz，則步進設置字節(jié)的值為1. 5X100 = 150，將其轉換 為十六進制為96。只需通過串口向單片機110發(fā)送十六進制0196就可以將頻率步進設置 為 1. 5Hz。二、參考零點值設置參考零點值需要根據(jù)系統(tǒng)空載時發(fā)出的數(shù)據(jù)來設定，空載上電穩(wěn)定后串口每個會 發(fā)出三個字節(jié)的十六進制，其中第一個字節(jié)與第二個字節(jié)表征參考零點值(十六進制)，第 三個字節(jié)為當前的溫度值(BCD碼)。穩(wěn)定后每次發(fā)出的數(shù)據(jù)應該都是一樣的。設置參考零點需通過串口向單片機110發(fā)送三個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為0x02， 第二個字節(jié)是單片機110每次發(fā)出的第一個字節(jié)，第三個字節(jié)為單片機110每次發(fā)出的第 二個字節(jié)。例如空載時每次單片機110發(fā)出數(shù)據(jù)為十六進制39 2C 31，則設置參考零點時只 需向單片機110發(fā)送十六進制02 39 2C即可。三、測量范圍設置設置測量范圍需通過串口向單片機110發(fā)送兩個字節(jié)的16進制數(shù)，第一個字節(jié)為 0x03，第二個字節(jié)為測量范圍，0x01表示測量范圍為0 500mg/L，0x02表示0 3000mg/ L，0x03 表示 0 6000mg/L，0x04 表示 0 18000mg/L。例如要設置測量范圍為0 500mg/L時，只需要向單片機110發(fā)送十六進制03 01即可。另外，所述測量方法200還包括增益調節(jié)步驟，通過增設增益調節(jié)電路170，參見 圖2，其輸入端連接所述單片機110，其輸出端連接所述放大電路140，用以對所述正弦波信 號的感應電壓進行增益調節(jié)。參見圖7，所述測量方法200的電源部分要解決的主要問題是單電源供電與激勵 信號需要采用交流信號的矛盾，雙電源運放的電源對稱性和穩(wěn)定性，A/D轉換器160電壓基 準的穩(wěn)定性等。為能從單電源供電中獲取正負電源，需要采用DC-DC模塊U10，來控制電源 模塊 V1、V2、V 3 及 V4。本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明， 而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質精神范圍內(nèi)，對以上實施例的變化、變 型都將落在本發(fā)明的權利要求書范圍內(nèi)。
權利要求
1. 一種基于單片機的液體電導率測量方法，其特征在于，包括以下步驟1.1、將具有第一繞組和第二繞組的變壓器置于被測液體中，并準備單片機和與其連接 的信號發(fā)生器；1. 2、對步驟1. 1中的硬件系統(tǒng)初始化并從所述單片機的存儲器中至少讀取零點值以 及表征當前電導率測量范圍的信息；1. 3、所述單片機控制所述信號發(fā)生器輸出波形信號至所述變壓器的第二繞組，對所述 變壓器第一繞組產(chǎn)生的波形信號感應電壓進行放大，將放大后的波形信號感應電壓的最大 值輸出至一 A/D轉換器并轉化為數(shù)字信號輸出；1.4、依據(jù)所述A/D轉換器輸出的感應電壓數(shù)字信號，并根據(jù)標準的電壓與電導率的對 應關系輸出所述液體在當前溫度下的電導率；1.5、若步驟1. 3輸出的轉化為數(shù)字信號的波形信號感應電壓的最大值大于零點且和 上次讀取值不同，則重新設置步驟1. 3中波形信號的頻率值并轉步驟1. 3。
2.如權利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述方法還包括溫度補償步驟將溫度 傳感器設置在所述液體中并與所述單片機連接，所述溫度傳感器采集所述液體的溫度并傳 輸至所述單片機，所述單片機根據(jù)標準的溫度與電導率的關系將被測液體的電導率自動補 償?shù)綐藴蕼囟葧r的電導率值。
3.如權利要求2所述的測量方法，其特征在于，所述方法在進行溫度補償步驟時，所述 步驟1. 2在硬件系統(tǒng)初始化時，還從所述單片機的存儲器中讀取溫度補償表，并且所述溫 度傳感器采集的溫度若較上次有變化時，則根據(jù)溫度補償表和溫度與頻率的線性關系重新 設置步驟1. 3中波形信號的頻率值并轉步驟1. 3。
4.如權利要求3所述的測量方法，其特征在于，所述方法還包括設置步驟1.2中電導 率測量范圍及/或設置步驟1. 2中零點值及/或設置步驟1. 3中波形信號的頻率步進的步 驟。
5.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，所述方法在進行設置步驟1.3中波形信 號的頻率步進的步驟時，通過串口向所述單片機發(fā)送兩個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為0x01，第 二個字節(jié)為步進設置字節(jié)，具體為頻率步進X100所得結果的十六進制形式。
6.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，所述方法在進行設置步驟1.2中零點值 的步驟時，通過串口向所述單片機發(fā)出三個字節(jié)的十六進制，其中第一個字節(jié)與第二個字 節(jié)表征參考零點值，第三個字節(jié)為當前的溫度值。
7.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，所述方法在進行設置步驟1.2中電導率 測量范圍的步驟時，通過串口向所述單片機發(fā)送兩個字節(jié)的十六進制數(shù)，其中第一個字節(jié) 為0x03，第二個字節(jié)為測量范圍，第二個字節(jié)中0x01表示測量范圍為0 500mg/L，0x02 表示 0 3000mg/L，0x03 表示 0 6000mg/L, 0x04 表示 0 18000mg/L。
8.如權利要求3所述的測量方法，其特征在于，所述溫度補償表的溫度范圍為0°C 40 "C。
9.如權利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟1.1中的信號發(fā)生器為DDS正 弦信號發(fā)生器。
10.如權利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述方法還包括通過設置增益調節(jié)電 路對經(jīng)所述步驟1. 3放大的波形信號感應電壓進行增益調節(jié)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種基于單片機的液體電導率測量方法，可適用于測量水的電導率，其通過單片機驅動信號發(fā)生器發(fā)出波形信號，該信號加在放置在液體中的變壓器的初級繞組時，由于水體在通過耦合線圈中間構成一個閉合的回路，所以在水的該單通回路中感應出感應電動勢，在該閉合回路中必然會產(chǎn)生電流，當水質的電導率不同時，流過單通回路的電流也不同，這樣就在所述變壓器的次級繞組上感應出依賴水質電導率變化而變化的交變感應電壓，由于交變感應電壓和水體電導率是一一對應的關系，所以只要測出交變感應電壓值，通過定標就能測出水質的電導率。由于通過單片機控制，所以可以對其中的電導率測量范圍、零點值及波形信號的頻率步進進行設置。
文檔編號G01N27/06GK102116756SQ20091024771
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權日2009年12月30日
發(fā)明者張欣, 李國平, 王國峰, 王幸呈, 王懷君, 王紹祥, 申一塵 申請人:上海眾毅工業(yè)控制技術有限公司, 上海城投原水有限公司