采用嵌入式技術的智能電導率儀設計

邱春毓，黃 皎，2

(1.河海大學物聯網工程學院，常州213022; 2.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022)

采用嵌入式技術的智能電導率儀設計

邱春毓1，黃 皎1，2

(1.河海大學物聯網工程學院，常州213022; 2.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022)

為了實時精確地測量水溶液的電導率，設計了一種高精度的智能電導率儀。系統采用S3C2440為核心控制處理器，包含時鐘模塊、正弦交流激勵模塊、精密整流模塊、A/D采樣模塊、觸摸屏顯示模塊、以太網接口模塊、數據存儲模塊、故障報警模塊等。提供數據采集和處理、觸摸屏顯示、以太網通信、故障報警等功能。實驗數據表明，該儀表能準確測量水溶液的電導率，測量精度高、工作穩定可靠、重復性好，有較高的實用價值和推廣意義。

電導率;S3C2440;嵌入式Linux;A/D轉換

1 引言

當下，人們的生活節奏不斷加快，對生活質量和健康越來越關注，飲用純凈水、生物制品用水、藥用蒸餾水的需求量在急劇增加。更多的產品、技術開始對介質導電性能的優劣程度有了更高的要求，使電導率儀需要更高的實時性和準確度。因此電導率的測量被很廣泛地運用在工業流程控制、環境監測、醫藥衛生、產品質量檢驗和科學研究過程。國家公布的電解質電導率國家計量基準對農業生產、工業生產、高端的科學研究和國家安全各部門都有很重要的意義。電導率儀表是利用溶液成分和電導率之間的關系分析溶液的成分，可用于測量酸、堿溶液的濃度，也可以用于測量鍋爐和大型發電機組補給水中的含鹽量［1］，同時也是飲用水和制藥過程中不可或缺的分析儀表。

2 儀表系統總體概述

2.1 儀表測量原理

溶液電導率反映溶液的導電性能，電導率越大，導電性能越好，電導率越小，導電性能越差，電導率計算公式如下:

式中:G為電導，單位為西門子(S);A為導體的有效橫截面積;σ為電導率，單位為西門子每厘米S/cm;K為電導池常數(cm－1)，它是電導電極兩極片之間的距離l與極片面積A之比值［2］。

由于溶液的電導率受溫度影響，所以溶液標準電導率規定在標準25℃下，進而需要將當前溫度下的電導率值轉化成25℃下的電導率［3］。對于一般電解質溶液，在濃度較低時電導率與溫度的關系可以近似表示為:

kt=k25(1+α1(t－25)+α2(t－25)2)

kt和k25分別為溶液溫度在t℃和25℃時的電導率;α1和α2為溶液電導率的溫度系數，用%℃表示。式中α2(t－25)2一項的數值很小，可忽略不計，上式簡化為:

kt=k25(1+α(t－25))

一般情況下溶液溫度系數α為0.022，酸類α為0.016，鹽類α為0.024，堿類α為0.019。

電極等效物理模型如圖1所示。

圖1 電極等效物理模型

測量方法是采用電壓幅值穩定，頻率固定的正弦信號對電極進行激勵。對激勵電壓信號和電極響應的電流信號同時進行雙通道高速A/D變換，計算電壓有效值U、電流有效值I、有功功率P。用電壓有效值U除于電流有效值I得到視在電阻m，計算功率因數comθ，功率因數角θ的正切絕對值n［4］。電導率測量公式:

式中，g為電導率值，ω為激勵信號的角頻率，Cp為電極間以及電極引線的分布電容之和，K為電極常數。

2.2 儀表系統設計

儀表結構如圖2所示。電導率儀以S3C2440為微處理器，包含電源模塊、時鐘模塊、正弦交流激勵模塊、精密整流模塊、A/D采樣模塊、觸摸屏顯示模塊、以太網接口模塊、數據存儲模塊、故障報警模塊等。

圖2 儀表總體結構圖

本系統設計采用基于ARM920T內核的微控制器S3C2440。該微控制器功能強大，提供24通道外部中斷源、外部存儲控制器、多達130個通用I/O口、3個通道的UART和2通道SPI等功能，特別適用于工業控制、醫療等系統。

微控制器S3C2440控制正弦交流激勵模塊產生電路產生兩個頻率的正弦交流激勵;精密整流電路完成將交流信號轉化為直流信號;A/D采樣模塊完成對直流信號的采集和轉化;存儲模塊負責存儲儀表相應的參數和測量值等數據;觸摸屏顯示模塊可以給用戶提供友好的人機交互界面;以太網接口實現儀表的網絡化，避免出現信息孤島。

3 儀表主要模塊設計

3.1 正弦交流激勵模塊

正弦交流激勵模塊是通過微控制器S3C2440控制AD9833輸出正弦信號。AD9833是可編程波形發生器［5］，能夠產生正弦波、三角波、方波輸出。波形發生器廣泛應用于各種測量、激勵和時域響應領域，AD9833無需外接元件，輸出頻率和相位都可通過軟件編程，易于調節，頻率寄存器是28位，主頻時鐘為25MHz時，精度為0.1Hz，主頻時鐘為1MHz時，精度可以達到0.004Hz。可以通過3個串行接口將數據寫入AD9833，這3個串口的最高工作頻率可以達到40Hz，AD9833的工作電壓范圍為2.3V～5.5V，AD9833還具有休眠功能，可使沒被使用的部分休眠，減少該部分的電流損耗。正弦交流激勵模塊電路圖如圖3所示。

3.2 A/D采樣模塊

為了達到儀表測量的精度和穩定性，A/D采集模塊采用美國ADI公司生產的20位模數轉換器AD7703。它的非線性為0.0003%，具有可選的校驗方式以及溫度工作范圍寬(一般為－40℃ ～85℃)、抗干擾能力強等特點。AD7703具有靈活的串行接口可與微控制器相連接，輸出準確的數據。適用于工業測控過程、便攜式儀表等領域的信號采樣。AD7703采用 ±5V供電，A/D轉換參考電壓為2.5 V。AD7703電路連接圖如圖4所示。

圖3 正弦交流激勵模塊電路圖

圖4 AD7703電路連接圖

4 儀表軟件設計

4.1 總體控制流程

儀表的控制流程程序內容主要分為系統初始化、參數設置、測量、報警、信息存儲和觸摸屏顯示。其中初始化主要包括觸摸屏初始化、A/D初始化及存儲器初始化等。系統具體測量流程圖如圖5所示。

4.2 系統平臺建立和數據庫移植

儀表采用Linux作為系統平臺。Linux最大的優勢是其開源性質。Linux系統的移植包括交叉編譯環境的搭建，Bootloader引導程序的移植［6］，對內核進行裁剪、建立依賴關系、生成文件并加載內核，最后通過超級終端將信息下載至 S3C2440硬件平臺。

圖5 系統具體測量流程圖

為了對測量的數據、儀表報警和警告等記錄進行管理，在系統中移植了嵌入式MYSQL數據庫。該數據庫提供了豐富的用C語言編寫的API函數，使用戶的使用和編程更加便利。

5 實驗結果

課題已成功完成了電導率儀的研制，并進行了大量實驗，完成了儀表可靠性、準確性、重復性測試，測量結果如表1所示。

表1 電導率儀的測量結果

從表1數據可以看出，電導率儀的測量值和標準值的誤差小于0.5%，其精度高于國家標準及部分國內外儀表廠的同類產品。

6 結束語

筆者結合電導率測量原理、嵌入式電子技術、嵌入式數據庫技術等技術，設計了一種電導率儀。儀表采用32位高性能嵌入式微處理器S3C2440和嵌入式實時操作系統為核心，采用可編程波形發生器AD9833作為激勵信號源，采用20位高精度A/D轉換器，具有精度高、穩定性高、功耗低和實時性好等特點。經測試，電導率儀的測量精度高，穩定性好，應用前景廣闊。

［1］ 陳光利.工業鍋爐水質不良的危害及實質控制環節［J］.特鋼技術，2007，13(51):49－51.

［2］ 曾明敏.基于嵌入式系統電導率儀的設計及應用研究［D］.廣州:華南理工大學，2012.

［3］ 孫喜榮.關于電導率儀中的溫度補償問題［J］.計量技術，2004(6):46－47.

［4］ 福建師范大學.溶液電導率的測量方法［P］.中國: ZL200910113046.3，2010－06－09.

［5］ 李應，祁欣.基于AD9833的電導率儀激勵源的設計［J］.北京化工大學學報(自然科學版)，2013(2): 80－83.

［6］ 趙敏.基于S3C2440嵌入式Linux系統的研究與應用［D］.湘潭:湘潭大學，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，四川瀘州人，碩士研究生，主研方向:網絡化智能儀表。

2013－10－8