摘要：本文阐述了一种智能型电导率仪的软硬件结构及工作原理。本设计综合应用了低功耗、高性能的微控制器及外围芯片，并采用了灵敏度高、稳定性强的电化学传感器。整个系统测量精度高、检测速度快、功耗低、稳定性好，同时具有智能化处理和中英文操作的界面.
关键字：电导率分析仪；在线；电化学；ATmega128
0 引言
近年来，随着电力、石油化工等行业的工业生产过程自动化与智能化程度的不断提高，水质分析和水质监督工作与设备的安全经济运行、技术进步和环境保护等方面的联系愈加密切。电导率的测量广泛应用于电厂、制药、纯水处理、过程水和工业污水处理中。通过对电导率的监测，可以监控蒸汽和凝结水中的含盐量，保证锅炉和汽轮机设备的安全、经济运行；可以监控交换器工作情况，监测水净化设备的运行效果，分析异常情况及事故原因，为废水按环保标准排放提供依据，并且可以防止水汽系统设备的泄漏。由于在线电导率分析仪的准确、灵敏、及时、连续等优点，所以其应用前景非常广阔。因此，设计了基于ATmega128微控制器的智能在线电导率分析仪，该系统具有功耗低、精度高和稳定性好等特点。
1测量原理
把两块金属板（称为电极）放在电解质溶液中，就构成电导池。在两块电极上加上电源，溶液中就有电流流过，溶液所呈现的阻抗（用电阻表示）与两电极间的间距L（cm）成正比，与电极的横截面积A(cm2)成反比，即用式（1）表示，其中，ρ是溶液的电阻率（Ω·cm）。
对于电极而言，电极间距L和电极截面积A是固定不变的，即Ｌ／Ａ是一常数，称为电极常数K（cm-1）。溶液的导电能力用电阻率ρ的倒数k（S·cm-1）来表示，工业上常用µS·cm-1 表示。则式（1）可以变换为式（2），其中，G是溶液的电导。
由式（2）可知，电导率k与电阻的倒数G有关，因此只要测出溶液的电阻，就可计算出k。图1是分压法测量溶液电阻的原理示意图。为避免电极极化带来的测量误差，采用交流电源作为电导池的电源,Rx、Rm分别表示溶液电阻和分压电阻，Em表示Rm上的电压，由式（3）、（4）可知，当K/k»Rm时，Em与k近似呈线性关系，其中，Rm根据k值测量范围的变化而变化。
2硬件电路的设计分析
根据上述测量原理，硬件电路以8位低功耗微控制器ATmega128为核心，包括方波产生单元、电导池、前置放大器、检波器、温度补偿电路、多路开关、A/D转换、显示输出、存储，总体设计框图如图（2）所示。
图2系统结构框图
微控制器ATmega128是基于AVR RISC结构的8位CMOS微处理器，命令语句与C语言完全兼容。ATmega128内嵌128K字节的可编程Flash程序存储器、4K字节的EEPROM；4个具有比较模式和PWM 功能的定时器/ 计数器(T/C)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口可用于片上调试。
模数转换器采用可编程∑－△技术的ADC系列的AD7715。AD7715具有16位无误码输出、0.0015%非线性度、前端增益可编程、内设自校准电路和低功耗等优点。用单片机控制实现AD7715的初始化和数据采集。在本设计中，由电导池测得的反映电导率大小的信号经放大、检波后，与恒流源温敏元件测得的温度信号一起，经多路开关 CD4051选通，输入AD7715进行模数转换，将转换后的信号输入到单片机的PE4口进行数据处理。电路原理图如图3所示。
存储器采用低功耗、低供电电压的AT24C512芯片。AT24C512提供64K字节的EEPROM，可以连续存储一个月的电导率数值，以便查询，可以发现问题和解决问题。
显示部分采用了TFT3224b液晶显示控制模块，用于驱动控制分辨率为320x240的真彩液
晶显示器，可实现256色，并可触摸显示。色彩柔和、无按键使显示系统更简洁方便。TFT3224b与单片机的接口芯片选用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取样模数转换器，通过标准SPI协议和CPU通信，如图4所示，适用于4线制触摸屏，操作简单、精度高。
本设计采用改变分压电阻Rm的大小来改变测量量程。选用不同电极常数（0.01、0.1、1）cm-1的电极，可分别测量（0.01~20、0.1~200、1~2000）µS·cm-1的电导率量值。由于电极加工工艺的不同，电极常数并非精确的数值如0.01，而是在其左右如0.0103等，因此，测量前需根据电极设置电极常数，以便测量准确。温度补偿电路测得溶液的温度t与25℃折算公式如式(4)。其中，kt、k25℃分别表示t和25℃时的电导率值，α是被测溶液的温度系数。
3系统软件设计
本系统的软件主要有系统主程序和包括模数转换、存储、电导率测量、显示、菜单、触摸屏和延时子程序等。设计流程图如图5所示。
开机后首先进行系统初始化并且进行开机自检，完毕之后，即开始对待测液体进行测量。主测量程序流程如图6所示。主测量界面能同时显示电导率测量值、温度、输出电流、时间和状态，这样可以使各种参数清晰直观的反应出来，方便了数据的连续监测。
树状结构的菜单设计，使操作简单明了，按照屏幕上的提示就可以完成对仪表的所有操作。可以对电极常数及温度系数进行调整，减少了测量误差。同样可以执行清除存储、设置报警值、设置电流输出值等其它菜单操作。用C语言编写整个系统的软件，编译系统提供的丰富的库函数，用于编程时直接调用。软件对采集的测量数据的处理采用了浮点数的算法，保证了数据的复现精度。
4实验结果
用电极常数为0.01cm-1的电极测量近似浓度0.001mol/L的氯化钾标准溶液（溶液恒温至25.0±0.1℃），测量结果见表1。
表1 仪器测量值与理论值比对表
|
0.001mol/L氯化钾标液 |
仪器1 |
仪器2 |
仪器3 |
|
理论值（µS·cm-1） |
146.93 |
146.93 |
146.93 |
|
测量值（µS·cm-1） |
147.82 |
147.39 |
145.56 |
将仪表温补系数设置为0.02，测量量程在（0-20）µS·cm-1，在温度变化时与进口仪表比对温度及电导率值，测量结果见表2。
表2 设计仪表与进口仪表比对表
|
温度计温度
（℃） |
进口表温度
（℃） |
进口表电导率值
（µS·cm-1） |
仪表温度
（℃） |
仪表电导率值
（µS·cm-1） |
|
21.0 |
20.9 |
2.544 |
20.9 |
2.530 |
|
21.0 |
20.9 |
4.422 |
20.9 |
4.440 |
|
26.4 |
26.5 |
3.250 |
26.5 |
3.340 |
|
34.5 |
34.5 |
3.27 |
34.6 |
3.360 |
|
41.3 |
41.4 |
3.327 |
41.3 |
3.400 |
分析实验结果,基本误差在±1(F·S)左右,且测量精度已接近进口仪表，完全符合国家标准所要求的各项指标。
5结论
本电导率仪采用单片机ATmega128进行自动量程控制、参数修正、数据处理和温度补偿等。电导率的温度系数由用户设定后,将检测到的电导率和温度在微机内按照电导率-温度数学公式进行计算,能够完成纯水及其他状态下的温度补偿问题。真彩触摸屏显示与传统的LCD显示、指针式显示相比，读数方便准确、无按键、操作简单。另外存储量大可实现历史数据查询，因此在工业生产中有着广泛的应用前景。
本文创新点是：本设计应用了低功耗、高性能的单片机ATmega128及高精度的模数转换芯片AD7715，并采用了灵敏度高、稳定性强的电化学传感器。特别是在显示部分采用了液晶触摸显示屏，可以实现256色。整个系统实现了测量精度高、检测速度快、功耗低、稳定性好。
参考文献：
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[4] 左月明等 一种智能型电导率仪的设计与研究 农业工程学报 2001年3月第17卷第2期
[5] 刘志壮等. 一种智能液位检测仪的设计. 微计算机信息，2007，2-1：P156-157。
[6] 宋连义等. 基于ATmega128的多通道生化分析仪测控系统. 微计算机信息，2007，5-1：P166-167。
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