智能電導率系統電路設計

電導率是一個(gè)衡量水溶液導電能力的電學(xué)物理量， 電阻率的倒數為電導率，用希臘字母κ表示，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(zhì)的一個(gè)重要指標。電導率的測量在日常生產(chǎn)和生活中有著(zhù)比較廣泛的應用，如測量飲用水的電導率用來(lái)檢測水中所含電解質(zhì)的濃度，用來(lái)測量沿海地下水的電導率來(lái)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(lái)辨別地溝油等。本文就是鑒于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?jì)x。

電導率測量?jì)x測量所需要的正弦激勵是由芯片AD5933($21.7080)來(lái)實(shí)現的。正弦信號的幅值和頻率可以通過(guò)該芯片進(jìn)行調節。當AD5933的外部接入負載時(shí)，負載阻抗經(jīng)過(guò)傅里葉變換后的實(shí)部R和虛部I可以由AD5933計算出來(lái)并保存在內部寄存器中。由此可以計算出傅里葉變換后的幅值為：

AD5933的硬件連接圖如圖1所示。

圖1 AD5933的硬件連接圖

為了提高AD5933輸出信號的精度，采用有源晶振芯片為其提供外部時(shí)鐘，芯片的頻率為16.384MHz。AD5933內部ADC的采樣頻率是外部時(shí)鐘MCLK的1/16，這樣最終進(jìn)入內部ADC的頻率就是16.384/16=1.204MHz，由此得到芯片的分辨率為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(shí)發(fā)生頻譜泄露，保障其變換后結果的正確性。最后經(jīng)過(guò)DFT變換后阻抗的實(shí)部和虛部保存到AD5933的寄存器中，單片機可以通過(guò)AD5933的SCL引腳和SDA引腳用總線(xiàn)的方式讀取寄存器中的結果。AD5933輸出的正弦波經(jīng)過(guò)兩個(gè)大小為100μF和100nF的電容并聯(lián)進(jìn)行直流分量的隔離，對運算放大器AD8605($0.7080) 的輸出端也采取了同樣的措施來(lái)隔離輸出信號中的直流分量。由于A(yíng)D5933內部運放的同相輸入端有一個(gè)1/2VDD的正向偏置電壓，所以在A(yíng)D8605的同相輸入端也加入了一個(gè)1/2VDD的正向偏置電壓，以保證正弦信號在達到峰值3V時(shí)不失真。

溫度測量電路

由于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(jìn)行校正。電導率測量?jì)x測量溫度時(shí)采用了PT100($5.8752)鉑電阻，其阻值隨著(zhù)溫度的升高而變大，是正溫度系數熱敏電阻。將鉑電阻和其他三個(gè)高精度電阻連接起來(lái)組成電橋電路，當電橋平衡時(shí)輸出電壓為0;當溫度變化時(shí)電橋輸出的電壓也會(huì )發(fā)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(jīng)過(guò)放大后送入AD轉換器。該部分電路如圖2所示。

圖2 溫度測量電路

AD轉換電路

系統所用的AD轉換芯片為AD7705($5.1240)。AD7705可以提供兩個(gè)轉換通道，同時(shí)對兩路模擬信號進(jìn)行轉換。其輸入信號的范圍比較大，精度也比較高，而且還能夠轉換差分輸入信號，應用比較廣泛。其硬件電路如圖3所示。

圖3 AD7705的硬件連接圖

AD7705是差分輸入，將通道1的AIN-引腳接地，AIN+引腳接經(jīng)過(guò)運放放大后的電橋的輸出電壓，這樣就可以轉化成對電橋輸出電壓的模數轉換。轉換后的數據由引腳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(jìn)行配置。AD7705的基準電壓由穩壓二極管 LM336($0.2750)穩壓后得到，其穩壓值為2.5V，外部時(shí)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(guò)穩壓芯片HT7150和HT7130來(lái)實(shí)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。供電電路的硬件連接圖如圖4所示。

圖4 供電電路

為了方便多個(gè)電導率儀組成測量網(wǎng)絡(luò )，在硬件設計時(shí)加入M-bus通信電路，這樣多個(gè)電導率儀就可以以M-bus總線(xiàn)的方式組網(wǎng)，達到檢測多個(gè)測點(diǎn)的目的。電導率測量?jì)x的M-bus總線(xiàn)采用的供電方式為遠程供電，電導率測量?jì)x通過(guò)一條四芯電纜和其他M-bus主設備相連。其中，紅白兩條線(xiàn)用來(lái)供電，藍綠兩條線(xiàn)用來(lái)傳輸信號。主設備向電導率測量?jì)x發(fā)送信號時(shí)用電壓的變化來(lái)表示數字1和數字0。而電導率測量?jì)x向主設備發(fā)送信號時(shí)則采用電流的變化來(lái)表示數字0和數字1。這樣有利于減少干擾，提高通信的穩定性。在設計時(shí)，傳感器本著(zhù)節能、高效、低成本的原則進(jìn)行設計，經(jīng)過(guò)調試改進(jìn)后能對大多數水溶液進(jìn)行電導率的測量，使用方便，穩定可靠，基本實(shí)現了設計時(shí)的要求。

編輯點(diǎn)評：電導率測量?jì)x采用的微控制器是LPC932單片機，LPC932具有集成度高和成本低的特點(diǎn)。該單片機的封裝體積比較小，有利于減小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只需要二到四個(gè)時(shí)鐘周期的指令執行時(shí)間，與普通的80C51器件相比，其速度要快很多。