基于C8051F060 的智能電導率儀的優化設計

盛國棟，熊肖磊

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

電導率儀屬于電化學分析儀器，以結構簡單、操作方便、價格低廉、易于實現連續分析和自動分析的特點，廣泛應用于院校、科研和水站等領域測量液體介質的電導率，還可以用于電子等工業部門監測純水或高純水的純度［1］。長期以來電導率儀采用模擬或者簡單數字電路測量方式，制約了電導率儀在生產中的應用，而以單片機為核心的智能電導率儀可以有效解決這個問題，從而實現電導率儀的數字化、智能化［2］。而基于單片機技術的電導率儀的測量精度依然是制約電導率儀發展的最主要因素。

1 測量原理

電導G或者電導率K 是電解質溶液導電能力的重要標志，電導G 是電阻R 的倒數，K 是電阻率ρ的倒數。電導的單位是西門子，用字母S 表示。電導和電導率的關系為［3］

式中，A為電極有效面積，L為電極間距，θ=L/A為電極常數。所以測量溶液的電阻就可以得到溶液電導，再乘以電極常數得到電導率。測量示意圖如圖1所示。

式(2)中，VRONG為輸入測量電路的電壓，Uout為輸出電壓，R1為已知電阻，通過測量VRONG和Uout，求出溶液的電阻R 進而得出其電導率G。

圖1

2 系統優化設計

普通的電導率儀包括電源模塊、電導率測量電路、AD 轉換電路、量程轉換電路、溫度測量電路、實時時鐘以及鍵盤、LCD 人機對話模塊等，如圖2［2］。本文基于參考文獻［2］的設計對其中的幾個模塊分別進行優化。

圖2 系統整體框圖

2.1 對交流信號發生器的優化

在測量溶液的電導率過程當中，為了防止電極極化，溶液需要提供交變的信號。原始的交流信號發生器，如文氏橋、MAX038 等，雖然能夠完成正弦波或者方波的發生，但其大大增加了硬件電路的復雜程度，對電導率的測量精度產生負面影響。本文基于C8051F060 單片機的12 bit DA，輸出0～5 V的恒定電壓，再經過反相器(如圖3)，分別將DA 輸出的恒定電壓與反相器輸出的電壓接在多路開關X通道的X0，X1 上，通過單片機控制兩個通道的開斷，輸出較為穩定精密的方波VRONG。如圖4(X通道)，不僅其穩定性好，而且不易失真。

圖3

圖4

2.2 AD 轉換電路的優化設計

C8051F060 有兩路16 bit AD，一路用來測量圖1 中的輸出電壓Uout，一路用來測量圖1 中輸入電壓的精確值URONG。16 bit AD 的分辨率

式中，k為AD 分辨率，Vmax為AD 的參考電壓，n為AD 位數。因此，采用單片機內部AD 完全可以滿足設計要求，避免了采用復雜的AD 轉換電路，減少了硬件間的相互干擾。此外，傳統設計中方波發生器產生的信號的電壓都被視為精確的，直接代入式(2)計算，誤差較大，本設計還對輸入電壓URONG進行了測量，有效減少了輸入電壓的誤差，從而提高了電導率的測量精度。

2.3 量程選擇的優化設計

傳統的電導率儀為了實現量程的自動轉換，經常引入多路開關或者繼電器電路，硬件電路復雜，且繼電器極易受到其他信號的干擾，不能有效的保證電導率儀的精度。本文通過改變DA 輸出的電壓URONG 的大小，調節儀器的量程選擇。具體如下:由式(2)得:

因為溶液電阻大多在50Ω～∞，所以溶液電導率的范圍為0～20 ms。兩個相鄰的量程之間的測量要有一定的重疊區域，否則儀器無法工作。為保證設計精度，可將儀表分為第1 檔:0～21μs、第2檔:20μs～210μs、第3 檔:200μs～2.1 ms、第4檔:2 ms～20 ms。運放上的電流

取R1=100 K。選定URONG，并由式(4)、式(5)計算各檔次的Uout和I 的范圍，如表1所示。

表1

由表1 可見，Uout與URONG的電壓范圍均為0～5 V，DA 也可以滿足運放所需要的電流。

下面計算精度是否能夠達到，Rx的相對測量誤差

若待測電阻值Rx偏移η·R，Uout相應的偏移為ΔUout，滿足［4］:

其中

Δ(η·Rx)為高階無窮小，可略去。

要使偏移量ΔUout能夠被A/D 分辨，應滿足不等式:

其中根據C8051F060 資料，n=16，Vmax=5 V;代入上式得:

第1 檔:η≤0.000 02

第2 檔:η≤－0.000 03

第3 檔:η≤－0.000 02

第4 檔:η≤－0.000 02

所以經計算得知，按0～21μs、20μs～210μs、200μs～2.1 ms、2 ms～20 ms 分成四檔，完全可以達到要求，量程的自動轉換則通過單片機控制從0～21μs 開始依次換擋，直至找到其合適的電導率測試檔。

3 系統軟件流程

系統的軟件流程見圖5，系統上電復位以后，由控制DA 輸出初始電壓1.6 V(0～21μs)，經測量電路及AD 轉換后與m1、m2 比較，其中m1為各檔Uout的下限，m2為各檔Uout的上限，若AD 的結果在上下限范圍內，則量程合適，計算電導率值，若AD結果不在上下限內，則量程提升一檔，URONG賦下一檔值，如此循環，直至找到合適的量程，進而計算電導率值。傳統電導率儀的溫度補償、EEPROM 及USB 接口［2］均保留不變。

圖5

4 測量精度分析

實驗數據如表2所示。

表2

按照以上設計后的電導率儀，經檢測，在儀器的測量范圍以內(0～20ms)，儀器的測量誤差為0.10%，重復誤差為0.05%，精度比傳統電導率儀有了較大提高。

5 結論

用軟件編程的方法代替復雜的硬件電路，從而提高測量精度是可行的。在提高精度的同時，還節約了成本。在當今集成電路產品愈來愈便宜的情況下，通過軟件提高電導率儀的精度的設計方法更顯出其重要意義。

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