【正文】 儀器測量時，將電極置于溶液中，使用交流電源 ，通過測量電流的大小得到溶液的電阻率，由于溫度影響電導率的測量，因此采用熱敏電阻對溫度進行補償。運用軟件擬合電導率和溫度的經(jīng)驗公式的方法補償溫度系 數(shù)呈現(xiàn)非線性的高純水。運用電解質(zhì)溶液導電產(chǎn)生電流，由電阻與電導率之間的關(guān)系公式，通過測量電阻間接求得 TDS數(shù)值 的方法。根據(jù)此測量方法研制的儀器有著成本低、測量方便，反應(yīng)速度靈敏，使用范圍廣，不破壞被測物質(zhì)樣品等特點。 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測試儀的發(fā)展現(xiàn)狀 目前水質(zhì) 檢 測的方法有分光光度法、熒光法、原子色譜法、電導率法等。前三種由水體吸收折射光譜，估算水體的溶質(zhì)和濃度，測量精度準確，但操作不方便 ， 耗時長 ， 成本高。電導率檢測法研究成熟、簡單易用，使用方便。根據(jù)其測量方法研制的儀器具有結(jié)構(gòu)簡單 、反應(yīng)速度靈敏、實用性好和成本低廉的特點。電極電導率測量法根據(jù)電解質(zhì)導電原理，通過測量電阻得到電導率，測量電極過程表現(xiàn)為復雜的電化學系統(tǒng)，極化效應(yīng)、電容效應(yīng)和溫度影響電導率準確測量，使得傳統(tǒng)的電導率檢測儀精度較低，智能化不夠。這些都有待于進一步的研究與改進。 電導率測量方法按有無電極分為有電極測量方法與無電極測量方法，其中有電極的電導率測量方法用的較多，按電極在測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，電極一般在運放的輸入端，原理是：激勵源在電極中產(chǎn)生一個電流，該電流是被測電導率的 正比，再經(jīng)標準采樣電阻產(chǎn)生交流電壓，最后經(jīng)放大、整流、濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。電橋法在實驗分析中電極作為電橋的一臂，高要求的實驗室分析常用此方法。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率轉(zhuǎn)化為頻率信號，電極作為振蕩電路的一部分。測得的結(jié)果精度高，并且可遠程傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，湖州師范學院求真學院本科畢業(yè)論文 2 成本低，易做成便攜式電導儀。 論文研究目標與主要研究內(nèi)容 論文研究目標： 本畢業(yè)論文研究的目標是 基于 AT89C2051單片機為核心器件，設(shè)計一個可測量水 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： （ 1）根據(jù)系統(tǒng)要求，研究 TDS值的測量原理及其傳感器設(shè)計； （ 2）根據(jù) TDS值非線性特點，研究其補償方法，測量誤差小于 2%； （ 3）研究溫度與 TDS值的關(guān)系，研究溫度補償方法； （ 4）以 LED數(shù)碼管方式顯示測量結(jié)果； （ 5） 分析系統(tǒng)功能需求，設(shè)計各個硬件電路模塊電路圖及總體電路圖；設(shè)計系統(tǒng)各子程序流程圖及總體程序流程圖 。 主要研究內(nèi)容： 本課題是 基于 AT89C2051的 TDS水質(zhì)測試儀 設(shè)計，其 具體要研究的內(nèi)容主要有以下幾點： （ 1） 研究 AT89C2051單片機原理及其應(yīng)用； （ 2） 研究數(shù)碼顯示管的 顯示功能 ； （ 3）研究按鍵模塊，并實現(xiàn)應(yīng)用按鍵對各個功能的切換； （ 4）研究電極電導率測量法的原理，溫度補償減小測量誤差的方法； （ 5）研究通過 DS18b20測量溫度并輸送測量信號的方式； （ 6）研究系統(tǒng)整個電路圖的設(shè)計及程序設(shè)計。 湖州師范學院求真學院本科畢業(yè)論文 3 第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)主要設(shè)計方案 論文利用單片 機 實現(xiàn) TDS值 信號在線采集， 并 設(shè)置溫度測量模塊 , 采用數(shù)字溫度傳感器DS18b20 進行溫度 測量 。通過軟件算法補償由于溫度而引起的電導率值測量誤差， 從而提高了 水質(zhì) 測量精度。電路主要包括 傳感器、 信號采集電路、溫度補償電路、控制電路、數(shù)碼管顯示電路和報警電路。 設(shè)計原理是通過電導率測量電路中的探頭采集電導率信號，同時采用溫度傳感器DS18b20 測量水溫，將采集到的信號傳送到單片機并對這兩個信號進行處理，運用軟件算法補償?shù)姆椒?對 溫度 引起的 電導率測量的誤差進行補償，最后將補償后的結(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單片機簡介 AT89C2051單片機是 CMOS 8位微處理器，有著 2k字節(jié)的閃速可以重復使用的只讀存儲器， 128字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器，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技術(shù)，與 MCS51 指令集兼容。內(nèi)含通用閃速存儲單元和位中央處理器。有 15 個I/O接口， 2個 16位計數(shù)器， 6個中斷源，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 VCC口接電源電壓， GND 口接地， RST為復位輸入。 XTAL1接口是振蕩反相器和內(nèi)部時鐘發(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。配備一個編程器，編輯程序，進行編譯，實行固化，將其插到電路板試驗，重復之前的操作，此調(diào)試方法存在對片內(nèi) RAM的信息無法清楚的缺點。用普通仿真器仿真 2051,便 于 調(diào)試，但存在差距。 傳感器 測量電路 單片機 數(shù)碼管顯示 按鍵 DS18b20 報警電路 湖州師范學院求真學院本科畢業(yè)論文 4 TDS 值測量原理及電路 TDS值測量原理 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 , 所得的固體殘渣稱為溶解性總固體 , 包括不易揮發(fā)的可溶性鹽類、有機物及能通過過濾器的不溶解微粒等。 導體的導電過程是由于導體本身存在的自由電子在電場作用下運動而產(chǎn)生的 ,它的導電能力除了與金屬本身性質(zhì)有關(guān)外 ,還與它的長度和橫截面積有關(guān)。其關(guān)系式為 [2]: R =ρL/A 式中： R 為導體電阻 (Ω), L 為導體的有效長度 (cm)； A為導體的有效橫截面積 (cm2)； ρ 為電阻率 (Ω． cm)。 電導是電阻的倒數(shù) ， 用于衡量物質(zhì)導電能力的強弱。電阻越大 , 導電能力越弱。反之則越強。因此，可得表 達式 [3]： S=l／ R=A／ （ ρ?L） =k?A／ L=k/θ 式中： S 是電導，單位為西門子 (s)； k 是電導率，單位為每厘米西門子 (δ?cm)1，或 S／ cm；θ =L/A為電極常數(shù)為電導池常數(shù) (cm1)。電導率是表示物質(zhì)導電性能的物理指標。電導率越大則物質(zhì)導電性能越強 , 電阻就越小 , 反之導電性能越差 , 電阻越大。溶液的電導率等于溶液中各種離子電導率之和。在溶液的測量中，由于水質(zhì)測量儀器確定，使得測量儀器探針的直徑、長度都固定，既上式中的 L（導體的有效長度）， A（導體的有效橫截面積）不變，探針之間水的體積 就固定，因此，通過測量電導率 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，電阻與電導率之間又有著顯著相關(guān)關(guān)系，因此電導率與 TDS之間存在著必然的聯(lián)系。通過表達式可知，當測量儀器固定時，電阻只與電導率有關(guān)，又由于電阻只與 TDS有關(guān)，因此 TDS只與電導率有關(guān)?？捎?通過測量電導率估算 TDS，溶解固體與電導之間的關(guān)系 經(jīng)驗公式 如下 [4]: TDS = ( ~ )?K 式中 : TDS 為水中溶解固體 （ m g /L） 。 K 為 25℃時水的電導率 （ S /m） 。 根據(jù) 以上公式 ,可通過待測溶液的電 導率數(shù)據(jù) , 求出溶解固體與鹽分的濃度。 直接測量水的溶解性總固體 程序步驟繁多，測量穩(wěn)定性差，實行起來 復雜 。 而電導率的測定 簡便 、 穩(wěn)定、快速 ,電導率反映出 溶解固體 量 ， 可通過測 量 電導率 ,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 AT89C2051 引腳 圖 湖州師范學院求真學院本科畢業(yè)論文 5 使得 TDS的測量變得簡單快速、實用方便，測量結(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，運動阻力減小，離子熱運行加快， 使得 TDS變大。所以在 水質(zhì)檢測儀器的 設(shè)計 中 , 應(yīng) 加以消除溫度對 TDS的影響。 TDS值 測量電路 由于被測溶液 的電導率與 TDS值有一定關(guān)系， 即公式 TDS = ( ~ )?K， 可通過被測量溶液的電導率推算出水的 TDS值。 測量電路如圖 23示。 該電路是被測溶液的電導率諧振檢測電路。當 CON2上接的兩根探針（傳感器）插入被測溶液時，形成了一個電極，從而整個電路構(gòu)成一個封閉的諧振電路，此時 555芯片的第三個引腳向單片機輸入了一個與被測溶液電導率有關(guān)的頻率 f。該多諧振蕩電路中是由 MOS型時基電路、探針與被測液構(gòu)成的電極和定式電容 C4組成。而時基電路的輸出端引腳 3接入的開關(guān)晶體管 Q1，具有擴展時基 電路的帶載能 力。這一功能保證了電導率在大范圍測量時，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 值測量電路 555 定時器是由電壓比較器， RS 觸發(fā)器，放電管，相同大小的串聯(lián)電阻和輸出端組成。有兩個基準電壓，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 定時器的使用存在著模擬和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。擁有可靠的測量功能，使用方便，并且價格低。 如圖 24所示，為 555定時器結(jié)構(gòu)圖。 圖 24 555 定時器結(jié)構(gòu)圖 湖州師范學院求真學院本科畢業(yè)論文 6 555 定時器中的 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 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出端為 0。當端口 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定時器的功能表， 如 表 21所示。 表 21 555 定時器的功能表 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 導通 清零 該電路由具有低功耗、高輸入阻抗、寬電壓范圍特點的 MOS 型時基電路與電極 CE 及定時電容 Ct 一 起構(gòu)成多諧振蕩電路，并在時基電路的輸出端引腳 3 接入開關(guān)晶體管 Tl，用來擴展時基電路的帶載能力，保證電導率在大范圍內(nèi)測量時，輸出頻率 fo具有很好的線性。電路工作原理：電路開始運行時電容 C4上的電壓為 0，實際電路處在置位狀態(tài)，引腳 3 輸出高電平， Q1 導通。 充電 過程： VCC— Q1— 電極 J1— C4， 按指數(shù)規(guī)律上升，當上升到Vc≥ 2／ 3Vcc 時， 6 腳內(nèi)部高限比較器反轉(zhuǎn)，時基電路復位， 3腳輸出低電平， Q1截止，同時 7 腳內(nèi)集電極開路放電管導通，放電過程： C4— J1— 7 腳。 按指數(shù)規(guī)律下降，當 放電至Vc≤ 1／ 3Vcc 時，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 。如此以上過程反復循環(huán)， 周而復始 形成振蕩輸出 fo。 經(jīng)分析 得出以下公式 [5]： f0=(t) G(t)=1 /Rx一電極實測的電導值； K0=。 輸出頻率 fo與電導 G(t)成正比，實現(xiàn)了電導率到輸出頻率的線性轉(zhuǎn)換。 如圖 23測量電路， 運用 555定時器、 CON2上接上一對固定長度的探針并將它們接入到被測溶液中 ， 定時電容 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為被測溶液的電阻。由于， lR s?? ，其中 ? 是被測溶液的電阻 率，在設(shè)計過程中，探針尺寸固定，故 ls 是常數(shù)。 l 是兩根探頭的間距， s是探頭插入被測液的深度與探頭橫截面直徑的乘積 。本試驗中的 l =15mm， s=40mm? =60mm2，則ls =； C4= F。