【文章內容簡介】 溫度補償原理 溶液電導率測量受溫度影響很大，電解質的電離常數(shù)、離子運動速度、溶解度等都直接受溫度的影響，從而溫度直接影響溶液電導率測量的精度。溶液溫度升高時，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，電場作用下，離子的定向運動也加快，導電能力增加，溶液電導率增大。反之亦然。由于溶液的電導率隨溫度升高而增大 , 因此溶液電導率的溫度系數(shù)是正的。 在被測溶液固定的情況下，為了使所測電導率數(shù)值之間具有可比性，需要溶液統(tǒng)一在25℃這個基準溫度下的電導率進行比較以判斷水質。因此，溶液在電導率測定時，要求被測溶液溫度調至 25℃，但實際測量過程往往受各種因素影響，無法將溶液樣品溫度控制 并穩(wěn)定在基準溫度范圍內，此時，對測量所得結果，需要進行溫度補償。 恒溫法 是將被測水 樣恒溫到 25℃，測得其基準溫度下的電導率。恒溫法原理簡單，測量效果好，但需要復雜的精密恒溫裝置，設備昂貴，難以推廣于實際的使用。手動補償法需先測出溶液溫度 , 再將測量儀上的溫度補償旋鈕調至所測得的溫度數(shù)值 ,儀表所顯示的是基準溫度下該水樣的電導率，由于其溶液溫度系數(shù)只考慮為 ，溫度補償誤差較大。 自動溫度補償法，在測量儀器中設置自動溫度補償電路，在測量任意溫度的溶液時，都能自動進行溫度補償并顯示出補償至基準溫度 25℃ 時該溶液的電導率值。該方法分為熱敏電阻補償法和擬合經(jīng)驗公式補償法 。 熱敏電阻補償法其運用 熱敏電阻隨溫度的變化將抵消溶液電阻隨溫度的變化的原理，使所測電導率不受溫度變化影響。但實際設計復雜，有局限性，很難找到一款與不同溶液有相同電導率溫度特性的熱敏電阻。 使用軟件擬合電導率和溫度的經(jīng)驗公式對測得的電導率及水溫進行數(shù)據(jù)處理 ,可以較好的做到溫度補償，直接得到補償后的數(shù)值。 論文采用軟件補償法。 溶液的溫度每升高 1℃，電導率增加約 2%，溫度校正系數(shù)與溫度成一元線性關系， 當測量溫度為 25℃ 左右時， 溫度補償公式為： Ks=Kt/[+)] 式中 Kt和 Ks分別為 t℃ 和 25℃下溶液的電導率 ， t為 測量時的 溫度。 當測量溫度 偏離 25℃時 ，根據(jù)以上公式計算所得的電導率誤差較大，為了提高測量精度，對不同的溫度范圍，采用不同的 溫度校正系數(shù)公式 進行計算： Ks=Kt/(+) 1℃≤ t≤ 10℃ Ks=Kt/(+) 10℃≤ t≤ 20℃ Ks=Kt/(+) 20℃≤ t≤ 30℃ Ks=Kt/(+) 其他溫度范圍 [6] 本設計通過溫度測量電 路精確測量電導率和溶液溫度，借助數(shù)據(jù)擬合的方法擬合出經(jīng)驗公式進行軟 件溫度補償。該方法不僅減少了硬件電路的復雜性，還使水質測試儀更 方便 使用和精確。 本科畢業(yè)論文 8 溫度測量電路 123D S2D S18b2 0R 14 KVC CVccDAGNDP 圖 25 溫度測量電路 溫度測量電路，如圖 25 所示。 TDS18b20數(shù)字溫度傳感器 采用 單線接口方式，具有 3引腳，測溫范圍為－ 55～ +125℃，工作電壓范圍為 3~ 5V，采用外部電源供電方式， VCC引腳接工作電源， GND引腳接地 ,DA引腳接單片機 ，在 VCC引腳與 DA引腳之間接一個約 的上拉電阻，使系統(tǒng)不工作時為高電平。 DS18b20 采集溫度數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器轉換為相應數(shù)字信號，再將 轉換后的信號傳送給單片機，單片機接受信號并進行相應的數(shù)據(jù)處理后得到溫度值 。 共陽極數(shù)碼管工作原理 本設計采用 3 位八段數(shù)碼管，數(shù)碼管是一種以發(fā)光二極管為基本單元的半導體發(fā)光器件。每一顯示筆劃用一個字母對應表示， DP是小數(shù)點。如圖 26所示： . 圖 26LED 數(shù)碼管引腳定義 此電路使用的是共陽極數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管，在應用時，將共陽數(shù)碼管公共端 COM接 +5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當為高電平時，對應字段就不亮。該電路采用動態(tài)顯示驅動，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的 a,b,c,d,e,f,g,dp這 8個字段的同名端連在一起，每個數(shù)碼管的公共極 COM 都對應一個位選通控制電路，每個位選通控制電路由各自獨立的I/O 線控制，運行 時，所有數(shù)碼管接收單片機輸出的相同字形碼，由于單片機對位選通 COM端電路實行控制，決定了哪個數(shù)碼管會顯示出字形，打開需要顯示的數(shù)碼管的選通控制，該位就會顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。對各個數(shù)碼管的的 COM端分時輪流控制，使各個數(shù)碼管輪流受控顯示。實際顯示過程中，各位數(shù)碼管并非同時點亮，但由于每位數(shù)碼本科畢業(yè)論文 9 管的點亮時間僅為 1～ 2ms，掃描的速度足夠快，再加上發(fā)光二極管的余輝效應及人的視覺暫留現(xiàn)象，看上去就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。動態(tài)顯示驅動效果好，能夠節(jié)省大量的 I/O端口，編程簡單，顯示亮度高， 而且功耗低。 如圖 27所示為顯示電路， ， 此數(shù)碼管為共陽級數(shù)碼管，所以需要外部低電平才能使相應的內部二極管點亮。 數(shù)碼管的 8個腳 ah接到單片機的 P1口，位選控制端 13分別接三極管 Q2Q4的集電極，三極管的基極分別接到單片機的 ，三極管的發(fā)射極連接在一起接 +5V電源。通過 P3口可以使相應的數(shù)碼管位被選中，然后通過 P1口送入相應的段碼顯示。數(shù)碼管顯示 TDS值。 e1d246c4a11b73829f10112h3g5A B CU4L E D 3DE2C3B1Q2P N PE2C3B1Q385 5 0E2C3B185 5 0P N PR1470R2470R3470R4470R5470R6470R7470R8R9V C CV C CV C CR 1110kP 3. 2P 3. 1P 3. 0P 1. 6P 1. 5P 1. 4P 1. 3P 1. 2P 1. 1P 1. 0 圖 27 顯示電路 按鍵與報警電路 R 1 3R E S 2Q5P N PD1LEDR 1 2R E S 2L S 1S P E A K E RV C CP 3 .3 圖 28 報警電路 報警電路如圖 28所示， 由于蜂鳴器工作需要較大的電流 ， 一個管腳 難以使蜂鳴器發(fā)聲，因此設置一個三極管進行電流放大，增加通過蜂鳴器的電流，驅動蜂鳴器發(fā)聲。 當 腳本科畢業(yè)論文 10 為低電平時，三極管導通，然后 LED導通， 電流經(jīng)過電阻 R12， 電路電流形成回路，蜂鳴器發(fā)聲 ；當 ，三極管 截止 ，蜂鳴器沒有響應。 按鍵電路如圖 29所示， 當 8腳為低電平時，電路導通， 按鍵第一次按下，儀器開始測量，測量完成后，再次按下按鈕，蜂鳴器發(fā)出測量成功信號，系統(tǒng)保存并顯示所測結果。如再次按下按鈕，程序清空被測數(shù)據(jù)。 S1SWPBP3.4 圖 29 按鍵電路 本科畢業(yè)論文 11 第三章 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)總體流程圖 系統(tǒng)軟件流程如圖 31所示。系統(tǒng)進行初始化 , 當按鍵開始測量時，計數(shù)器開始工作，測量并計算電導率的數(shù)值，讀取溫度值，對采集來的溫度信號運用軟件算法補償?shù)姆椒▽囟犬a(chǎn)生的電導率測量誤差進行補償，運用軟件算法對所得數(shù)據(jù)進行處理和計算 ， 按鍵鎖定計算結果，最后將計算得到的結果存儲并顯示在數(shù)碼管上。測量過程中，為了 方便 測量儀器 的使用 ，當儀器浸入溶液 測量成功后 ，系統(tǒng)接受相應數(shù)據(jù) 并 發(fā)出報警 信號，提醒使用者測量完成 。測量結束后，關閉計數(shù)器，系統(tǒng)清零。系統(tǒng)對信號進行一系列的 檢測、分析、轉換、計算處理，并將數(shù)據(jù)結果傳送給相關的模塊。軟件通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提高儀器精確度和可靠度。 N Y N Y 圖 31 系統(tǒng)總體流程圖 關閉計數(shù) 器、清零 開始 初始化 按鍵掃描 是否開始測量 啟動計數(shù) 器 電導率計算 溫度補償 TDS 值計算 是否鎖存結果 顯示結果 結束 本科畢業(yè)論文 12 電導率測量 對電導率進行測量，此程序開始運行時，首先啟動 T0、 T1， T0為系統(tǒng)設置的定時時間 值，當測量時間到設定時間 T0時，關閉 T0、 T1輸出端口，系統(tǒng)自動讀取 T1，既 T0時間內 所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)值。從而得到周期，既得到輸出頻率，系統(tǒng)運用電導率與輸出頻率之間的計算公式程序得到電導率值。從而系統(tǒng)通過頻率輸出轉換得到電導率值。 如圖 32所示，為電導率測量流程框圖。 圖 32 電導率測量流程框圖 DS18B20溫度采集 溫度采集的流程 中 ，單片機通過 口向 DS18b20發(fā)出復位脈沖，完成對此系統(tǒng)初始化，傳感器準備接收命令。單片機發(fā) skipROM命令，使傳感器能夠接收并響應之 后系統(tǒng)發(fā)出啟動 T0、 T1 開 始 T0定時時間是否到 讀取 T1計數(shù)值 關 T0、 T1 計算電導率 返回 計算頻率 本科畢業(yè)論文 13 的命令。發(fā)溫度轉換命令，傳感器進行溫度轉換，傳感器將轉換后的溫度值發(fā)送到數(shù)據(jù)線，單片機讀取溫度值，最后對采集的數(shù)據(jù)進行處理。 圖 33為 DS18b20溫度采集流程框圖。 圖 33 DS18B20 溫度采集流程框圖 TDS值測量 TDS與電阻之間存在直接聯(lián)系，而電阻與電導率有關，當導體的有效長度，導體的有效橫截面積已知的情況下，電阻只與電導率有關。結合 TDS與電阻之間的算術關系，可由系統(tǒng)測得的電 導率值通過相關公式求出 TDS值。讀取采集到的溫度值，使用軟件擬合電導率和溫度的經(jīng)驗公式對測得的電導率及水溫進行數(shù)據(jù)處理 實現(xiàn) 溫度補償，直接得到補償后的 TDS值。 TDS值測量流程框圖，如圖 34所示。 開 始 初始化 發(fā)讀取溫度命令 讀取溫度值 發(fā) skipROM 命令 發(fā)溫度轉換命令 數(shù)據(jù)處理 發(fā) skipROM 命令 返回 本科畢業(yè)論文 14 開 始返 回T e m p 是 否 大 于 或 等 于 1且 小 于 1 0T e m p 是 否 大 于 或 等 于 1 0且 小 于 2 0T e m p 是 否 大 于 或 等 于 2 0且 小 于 3 0K s = K t / ( 0 . 0 0 1 6 9 t + 0 . 5 5 8 3 )K s = K t / ( 0 . 0 1 8 t + 0 . 5 4 7 3 ) K s = K t / ( 0 . 0 0 1 8 9 t + 0 . 5 2 8 1 )K s = K t / ( 0 . 0 2 2 t + 0 . 4 5 )K s 的 值 給 ρT D S = 0 . 5 5 ρYNYNYN讀 取 溫 度 值 圖 34 TDS 值測量 流程框圖 數(shù)碼管顯示 將測量所得的 TDS數(shù)據(jù)傳送給數(shù)碼管，運行時，所有數(shù)碼管接收單片機輸出的相同字形碼，對數(shù)碼管進行位選擇，選擇需要顯示的數(shù)碼管，該位就會顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。由測量所得的 TDS值軟件查 找單片機 LED段碼表，找出相對應的段碼，再將查找出的段碼輸送至數(shù)碼管，數(shù)碼管根據(jù)接收到的段碼，選擇相應的字段進行顯示。這樣數(shù)碼管就完成了顯示功能。 數(shù)碼管顯示流程框圖，如圖 35所示。 本科畢業(yè)論文 15 圖 35 數(shù)碼管顯示流程框圖 按鍵與報警 程序判斷按鍵是否已按下，若按下，運行相關程序，檢測按鍵所按次數(shù)，當按鍵次數(shù)為奇數(shù)次時，系統(tǒng)鎖存本次測得的 TDS值，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒 TDS值鎖定成功，當系統(tǒng)檢測到按鍵次數(shù)為偶數(shù)次時，系統(tǒng)中 DTS 值清零，程序初始化。按鍵報 警流程框圖，如圖 36所示。 N Y N Y