【正文】 儀器測(cè)量時(shí)，將電極置于溶液中，使用交流電源 ，通過測(cè)量電流的大小得到溶液的電阻率，由于溫度影響電導(dǎo)率的測(cè)量，因此采用熱敏電阻對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。運(yùn)用軟件擬合電導(dǎo)率和溫度的經(jīng)驗(yàn)公式的方法補(bǔ)償溫度系 數(shù)呈現(xiàn)非線性的高純水。運(yùn)用電解質(zhì)溶液導(dǎo)電產(chǎn)生電流，由電阻與電導(dǎo)率之間的關(guān)系公式，通過測(cè)量電阻間接求得 TDS數(shù)值 的方法。根據(jù)此測(cè)量方法研制的儀器有著成本低、測(cè)量方便，反應(yīng)速度靈敏，使用范圍廣，不破壞被測(cè)物質(zhì)樣品等特點(diǎn)。 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測(cè)試儀的發(fā)展現(xiàn)狀 目前水質(zhì) 檢 測(cè)的方法有分光光度法、熒光法、原子色譜法、電導(dǎo)率法等。前三種由水體吸收折射光譜，估算水體的溶質(zhì)和濃度，測(cè)量精度準(zhǔn)確，但操作不方便 ， 耗時(shí)長(zhǎng) ， 成本高。電導(dǎo)率檢測(cè)法研究成熟、簡(jiǎn)單易用，使用方便。根據(jù)其測(cè)量方法研制的儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、反應(yīng)速度靈敏、實(shí)用性好和成本低廉的特點(diǎn)。電極電導(dǎo)率測(cè)量法根據(jù)電解質(zhì)導(dǎo)電原理，通過測(cè)量電阻得到電導(dǎo)率，測(cè)量電極過程表現(xiàn)為復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，極化效應(yīng)、電容效應(yīng)和溫度影響電導(dǎo)率準(zhǔn)確測(cè)量，使得傳統(tǒng)的電導(dǎo)率檢測(cè)儀精度較低，智能化不夠。這些都有待于進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。 電導(dǎo)率測(cè)量方法按有無電極分為有電極測(cè)量方法與無電極測(cè)量方法，其中有電極的電導(dǎo)率測(cè)量方法用的較多，按電極在測(cè)量電路中的位置可分為電流法、電橋法、分壓法、頻率法［ 1］ 。電流法，電極一般在運(yùn)放的輸入端，原理是：激勵(lì)源在電極中產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流是被測(cè)電導(dǎo)率的 正比，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻產(chǎn)生交流電壓，最后經(jīng)放大、整流、濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。電橋法在實(shí)驗(yàn)分析中電極作為電橋的一臂，高要求的實(shí)驗(yàn)室分析常用此方法。分壓法是一種研發(fā)成熟且應(yīng)用廣泛的測(cè)量方法。電極與分壓電阻串聯(lián)，分壓電阻可調(diào)大小，分出的電壓經(jīng)放大、檢波和濾波電路得到相關(guān)值。頻率法：通過多諧振蕩電路將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，電極作為振蕩電路的一部分。測(cè)得的結(jié)果精度高，并且可遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 2 成本低，易做成便攜式電導(dǎo)儀。 論文研究目標(biāo)與主要研究?jī)?nèi)容 論文研究目標(biāo)： 本畢業(yè)論文研究的目標(biāo)是 基于 AT89C2051單片機(jī)為核心器件，設(shè)計(jì)一個(gè)可測(cè)量水 TDS值的儀表， 論文主要研究的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)主要以下幾點(diǎn)： （ 1）根據(jù)系統(tǒng)要求，研究 TDS值的測(cè)量原理及其傳感器設(shè)計(jì)； （ 2）根據(jù) TDS值非線性特點(diǎn)，研究其補(bǔ)償方法，測(cè)量誤差小于 2%； （ 3）研究溫度與 TDS值的關(guān)系，研究溫度補(bǔ)償方法； （ 4）以 LED數(shù)碼管方式顯示測(cè)量結(jié)果； （ 5） 分析系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)各個(gè)硬件電路模塊電路圖及總體電路圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各子程序流程圖及總體程序流程圖 。 主要研究?jī)?nèi)容： 本課題是 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測(cè)試儀 設(shè)計(jì)，其 具體要研究的內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)： （ 1） 研究 AT89C2051單片機(jī)原理及其應(yīng)用； （ 2） 研究數(shù)碼顯示管的 顯示功能 ； （ 3）研究按鍵模塊，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用按鍵對(duì)各個(gè)功能的切換； （ 4）研究電極電導(dǎo)率測(cè)量法的原理，溫度補(bǔ)償減小測(cè)量誤差的方法； （ 5）研究通過 DS18b20測(cè)量溫度并輸送測(cè)量信號(hào)的方式； （ 6）研究系統(tǒng)整個(gè)電路圖的設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)。 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 3 第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)方案 論文利用單片 機(jī) 實(shí)現(xiàn) TDS值 信號(hào)在線采集， 并 設(shè)置溫度測(cè)量模塊 , 采用數(shù)字溫度傳感器DS18b20 進(jìn)行溫度 測(cè)量 。通過軟件算法補(bǔ)償由于溫度而引起的電導(dǎo)率值測(cè)量誤差， 從而提高了 水質(zhì) 測(cè)量精度。電路主要包括 傳感器、 信號(hào)采集電路、溫度補(bǔ)償電路、控制電路、數(shù)碼管顯示電路和報(bào)警電路。 設(shè)計(jì)原理是通過電導(dǎo)率測(cè)量電路中的探頭采集電導(dǎo)率信號(hào)，同時(shí)采用溫度傳感器DS18b20 測(cè)量水溫，將采集到的信號(hào)傳送到單片機(jī)并對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，運(yùn)用軟件算法補(bǔ)償?shù)姆椒?對(duì) 溫度 引起的 電導(dǎo)率測(cè)量的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，最后將補(bǔ)償后的結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。 系統(tǒng)整體框圖 圖 21 系統(tǒng)整體硬件框圖 AT89C2051單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C2051單片機(jī)是 CMOS 8位微處理器，有著 2k字節(jié)的閃速可以重復(fù)使用的只讀存儲(chǔ)器， 128字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有低電壓，高性能。生產(chǎn)采用 ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，與 MCS51 指令集兼容。內(nèi)含通用閃速存儲(chǔ)單元和位中央處理器。有 15 個(gè)I/O接口， 2個(gè) 16位計(jì)數(shù)器， 6個(gè)中斷源，具有中斷系統(tǒng)，精密電壓比較器，可編程串行通道口，空閑節(jié)電方式和掉電節(jié)電方式。該單片機(jī) VCC口接電源電壓， GND 口接地， RST為復(fù)位輸入。 XTAL1接口是振蕩反相器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 XTAL2接口是振蕩反相放大器的輸出。 AT89C2051開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的方法有兩種。配備一個(gè)編程器，編輯程序，進(jìn)行編譯，實(shí)行固化，將其插到電路板試驗(yàn)，重復(fù)之前的操作，此調(diào)試方法存在對(duì)片內(nèi) RAM的信息無法清楚的缺點(diǎn)。用普通仿真器仿真 2051,便 于 調(diào)試，但存在差距。 傳感器 測(cè)量電路 單片機(jī) 數(shù)碼管顯示 按鍵 DS18b20 報(bào)警電路 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 4 TDS 值測(cè)量原理及電路 TDS值測(cè)量原理 TDS表 示 1升水中溶有多少毫克溶解性總固體，或者說 1升水中的離子總量。水樣經(jīng)過濾 后 , 在一定溫度下烘干 , 所得的固體殘?jiān)Q為溶解性總固體 , 包括不易揮發(fā)的可溶性鹽類、有機(jī)物及能通過過濾器的不溶解微粒等。 導(dǎo)體的導(dǎo)電過程是由于導(dǎo)體本身存在的自由電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的 ,它的導(dǎo)電能力除了與金屬本身性質(zhì)有關(guān)外 ,還與它的長(zhǎng)度和橫截面積有關(guān)。其關(guān)系式為 [2]: R =ρL/A 式中： R 為導(dǎo)體電阻 (Ω), L 為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度 (cm)； A為導(dǎo)體的有效橫截面積 (cm2)； ρ 為電阻率 (Ω． cm)。 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù) ， 用于衡量物質(zhì)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。電阻越大 , 導(dǎo)電能力越弱。反之則越強(qiáng)。因此，可得表 達(dá)式 [3]： S=l／ R=A／ （ ρ?L） =k?A／ L=k/θ 式中： S 是電導(dǎo)，單位為西門子 (s)； k 是電導(dǎo)率，單位為每厘米西門子 (δ?cm)1，或 S／ cm；θ =L/A為電極常數(shù)為電導(dǎo)池常數(shù) (cm1)。電導(dǎo)率是表示物質(zhì)導(dǎo)電性能的物理指標(biāo)。電導(dǎo)率越大則物質(zhì)導(dǎo)電性能越強(qiáng) , 電阻就越小 , 反之導(dǎo)電性能越差 , 電阻越大。溶液的電導(dǎo)率等于溶液中各種離子電導(dǎo)率之和。在溶液的測(cè)量中，由于水質(zhì)測(cè)量?jī)x器確定，使得測(cè)量?jī)x器探針的直徑、長(zhǎng)度都固定，既上式中的 L（導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度）， A（導(dǎo)體的有效橫截面積）不變，探針之間水的體積 就固定，因此，通過測(cè)量電導(dǎo)率 k，即可求出水質(zhì)電阻 R。 由于 TDS與電阻之間存在直接聯(lián)系，電阻與電導(dǎo)率之間又有著顯著相關(guān)關(guān)系，因此電導(dǎo)率與 TDS之間存在著必然的聯(lián)系。通過表達(dá)式可知，當(dāng)測(cè)量?jī)x器固定時(shí)，電阻只與電導(dǎo)率有關(guān)，又由于電阻只與 TDS有關(guān)，因此 TDS只與電導(dǎo)率有關(guān)?？捎?通過測(cè)量電導(dǎo)率估算 TDS，溶解固體與電導(dǎo)之間的關(guān)系 經(jīng)驗(yàn)公式 如下 [4]: TDS = ( ~ )?K 式中 : TDS 為水中溶解固體 （ m g /L） 。 K 為 25℃時(shí)水的電導(dǎo)率 （ S /m） 。 根據(jù) 以上公式 ,可通過待測(cè)溶液的電 導(dǎo)率數(shù)據(jù) , 求出溶解固體與鹽分的濃度。 直接測(cè)量水的溶解性總固體 程序步驟繁多，測(cè)量穩(wěn)定性差，實(shí)行起來 復(fù)雜 。 而電導(dǎo)率的測(cè)定 簡(jiǎn)便 、 穩(wěn)定、快速 ,電導(dǎo)率反映出 溶解固體 量 ， 可通過測(cè) 量 電導(dǎo)率 ,推算出 水中溶解性總固體的 含量 。P / A I N 012P / A I N 113P 14P 15P 16P 17P 18P 19R S T / V pp1P / R X D2P / T X D3P / ^ IN T 06P / ^ IN T 17P / T 08P / T 19P 11X T A L 24X T A L 15GND10V C C20U1a t 89 c 20 51圖 22 單片機(jī) AT89C2051 引腳 圖 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 5 使得 TDS的測(cè)量變得簡(jiǎn)單快速、實(shí)用方便，測(cè)量結(jié)果精度更高。 溫 度 升高，固體雜質(zhì)的溶解度 增大 ，電離度升高 ,離子 總量 增多， 粒子水化作用減弱，溶液粘度降低，運(yùn)動(dòng)阻力減小，離子熱運(yùn)行加快， 使得 TDS變大。所以在 水質(zhì)檢測(cè)儀器的 設(shè)計(jì) 中 , 應(yīng) 加以消除溫度對(duì) TDS的影響。 TDS值 測(cè)量電路 由于被測(cè)溶液 的電導(dǎo)率與 TDS值有一定關(guān)系， 即公式 TDS = ( ~ )?K， 可通過被測(cè)量溶液的電導(dǎo)率推算出水的 TDS值。 測(cè)量電路如圖 23示。 該電路是被測(cè)溶液的電導(dǎo)率諧振檢測(cè)電路。當(dāng) CON2上接的兩根探針（傳感器）插入被測(cè)溶液時(shí)，形成了一個(gè)電極，從而整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)封閉的諧振電路，此時(shí) 555芯片的第三個(gè)引腳向單片機(jī)輸入了一個(gè)與被測(cè)溶液電導(dǎo)率有關(guān)的頻率 f。該多諧振蕩電路中是由 MOS型時(shí)基電路、探針與被測(cè)液構(gòu)成的電極和定式電容 C4組成。而時(shí)基電路的輸出端引腳 3接入的開關(guān)晶體管 Q1，具有擴(kuò)展時(shí)基 電路的帶載能 力。這一功能保證了電導(dǎo)率在大范圍測(cè)量時(shí)，輸出頻率 f具有很好的線性。 T R I G2Q3R4C V ol t5T H R6D IS7VCC8GND1U255512J1C O N 2V C CB1C2E3Q1805 0C3103C4104P 圖 23TDS 值測(cè)量電路 555 定時(shí)器是由電壓比較器， RS 觸發(fā)器，放電管，相同大小的串聯(lián)電阻和輸出端組成。有兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，分別為 VCC/3， 2VCC/3。有較大的電源電壓范圍。是構(gòu)成多諧振蕩器的主要器件。 555 定時(shí)器的使用存在著模擬和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。擁有可靠的測(cè)量功能，使用方便，并且價(jià)格低。 如圖 24所示，為 555定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖。 圖 24 555 定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖 湖州師范學(xué)院求真學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 555 定時(shí)器中的 RS 觸發(fā)器和放電管都受比較器輸出電壓控制。 1腳接地， 8腳接電源，控制電壓端 5 腳懸空，使基準(zhǔn)電壓不變，電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓是 2VCC/3，電壓比較器 C2 的反相輸入端電壓是 VCC/3。當(dāng)滿足高觸發(fā)端 TH 的電壓 V22VCC/3，低觸發(fā)端 TR的電壓 V1VCC/3，電壓比較器 C1和電壓比較器 C2分別輸出 0和 1，此時(shí) RS 觸發(fā)器置 0，使輸出端為 0。當(dāng)端口 TR的電壓 V1VCC/3，電壓比較器 C2輸出 0， RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端為 1。 555定時(shí)器的功能表， 如 表 21所示。 表 21 555 定時(shí)器的功能表 清零端 高觸發(fā)端 TH 低觸發(fā)端 Q 放電管 T 功能 0 0 導(dǎo)通 直接清零 1 0 1 保持上一狀態(tài) 保持上一狀態(tài) 1 1 0 1 截止 置 1 1 0 0 1 截止 置 1 1 1 1 0 導(dǎo)通 清零 該電路由具有低功耗、高輸入阻抗、寬電壓范圍特點(diǎn)的 MOS 型時(shí)基電路與電極 CE 及定時(shí)電容 Ct 一 起構(gòu)成多諧振蕩電路，并在時(shí)基電路的輸出端引腳 3 接入開關(guān)晶體管 Tl，用來擴(kuò)展時(shí)基電路的帶載能力，保證電導(dǎo)率在大范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，輸出頻率 fo具有很好的線性。電路工作原理：電路開始運(yùn)行時(shí)電容 C4上的電壓為 0，實(shí)際電路處在置位狀態(tài)，引腳 3 輸出高電平， Q1 導(dǎo)通。 充電 過程： VCC— Q1— 電極 J1— C4， 按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到Vc≥ 2／ 3Vcc 時(shí)， 6 腳內(nèi)部高限比較器反轉(zhuǎn)，時(shí)基電路復(fù)位， 3腳輸出低電平， Q1截止，同時(shí) 7 腳內(nèi)集電極開路放電管導(dǎo)通，放電過程： C4— J1— 7 腳。 按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng) 放電至Vc≤ 1／ 3Vcc 時(shí)，腳 2 內(nèi) 低限比較器反轉(zhuǎn)，引腳 3 再次輸出高電平， 電容再次充電 。如此以上過程反復(fù)循環(huán)， 周而復(fù)始 形成振蕩輸出 fo。 經(jīng)分析 得出以下公式 [5]： f0=(t) G(t)=1 /Rx一電極實(shí)測(cè)的電導(dǎo)值； K0=。 輸出頻率 fo與電導(dǎo) G(t)成正比，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率到輸出頻率的線性轉(zhuǎn)換。 如圖 23測(cè)量電路， 運(yùn)用 555定時(shí)器、 CON2上接上一對(duì)固定長(zhǎng)度的探針并將它們接入到被測(cè)溶液中 ， 定時(shí)電容 C C3和 開關(guān)晶體管 Q1構(gòu)成多諧振蕩電路。分析電路工作原理得到 f=（ RC4），其中 R為被測(cè)溶液的電阻。由于， lR s?? ，其中 ? 是被測(cè)溶液的電阻 率，在設(shè)計(jì)過程中，探針尺寸固定，故 ls 是常數(shù)。 l 是兩根探頭的間距， s是探頭插入被測(cè)液的深度與探頭橫截面直徑的乘積 。本試驗(yàn)中的 l =15mm， s=40mm? =60mm2，則ls =； C4= F。