電導(dǎo)率是一個衡量水溶液導(dǎo)電能力的電學(xué)物理量， 電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率，用希臘字母κ表示，κ=1/ρ。一般意義上，電導(dǎo)率的測量溫度是標(biāo)準(zhǔn)溫度(25℃)。在液體中，水的電導(dǎo)率是衡量水質(zhì)的一個重要指標(biāo)。電導(dǎo)率的測量在日常生產(chǎn)和生活中有著比較廣泛的應(yīng)用，如測量飲用水的電導(dǎo)率用來檢測水中所含電解質(zhì)的濃度，用來測量沿海地下水的電導(dǎo)率來查看其地下水收海水的入侵程度，還可以用測量電導(dǎo)率的方式來辨別地溝油等。本文就是鑒于測量電導(dǎo)率的廣泛應(yīng)用而設(shè)計出了一種測量溶液電導(dǎo)率的智能測量儀。

電導(dǎo)率測量儀測量所需要的正弦激勵是由芯片AD5933($21.7080)來實現(xiàn)的。正弦信號的幅值和頻率可以通過該芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)AD5933的外部接入負(fù)載時，負(fù)載阻抗經(jīng)過傅里葉變換后的實部R和虛部I可以由AD5933計算出來并保存在內(nèi)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鐘，芯片的頻率為16.384MHz。AD5933內(nèi)部ADC的采樣頻率是外部時鐘MCLK的1/16，這樣最終進(jìn)入內(nèi)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(shù)倍，這樣就可以防止DFT計算時發(fā)生頻譜泄露，保障其變換后結(jié)果的正確性。最后經(jīng)過DFT變換后阻抗的實部和虛部保存到AD5933的寄存器中，單片機(jī)可以通過AD5933的SCL引腳和SDA引腳用總線的方式讀取寄存器中的結(jié)果。AD5933輸出的正弦波經(jīng)過兩個大小為100μF和100nF的電容并聯(lián)進(jìn)行直流分量的隔離，對運(yùn)算放大器AD8605($0.7080) 的輸出端也采取了同樣的措施來隔離輸出信號中的直流分量。由于AD5933內(nèi)部運(yùn)放的同相輸入端有一個1/2VDD的正向偏置電壓，所以在AD8605的同相輸入端也加入了一個1/2VDD的正向偏置電壓，以保證正弦信號在達(dá)到峰值3V時不失真。

溫度測量電路

由于水溶液的溫度對測量結(jié)果有比較大的影響，所以需要測量出水溶液的溫度，以對結(jié)果進(jìn)行校正。電導(dǎo)率測量儀測量溫度時采用了PT100($5.8752)鉑電阻，其阻值隨著溫度的升高而變大，是正溫度系數(shù)熱敏電阻。將鉑電阻和其他三個高精度電阻連接起來組成電橋電路，當(dāng)電橋平衡時輸出電壓為0;當(dāng)溫度變化時電橋輸出的電壓也會發(fā)生變化。電橋的輸出電壓輸入到由集成運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器輸入端，經(jīng)過放大后送入AD轉(zhuǎn)換器。該部分電路如圖2所示。

圖2 溫度測量電路

AD轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)所用的AD轉(zhuǎn)換芯片為AD7705($5.1240)。AD7705可以提供兩個轉(zhuǎn)換通道，同時對兩路模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其輸入信號的范圍比較大，精度也比較高，而且還能夠轉(zhuǎn)換差分輸入信號，應(yīng)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)過運(yùn)放放大后的電橋的輸出電壓，這樣就可以轉(zhuǎn)化成對電橋輸出電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由引腳DOUT以串行的方式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)也可以由引腳DIN對AD7705進(jìn)行配置。AD7705的基準(zhǔn)電壓由穩(wěn)壓二極管 LM336($0.2750)穩(wěn)壓后得到，其穩(wěn)壓值為2.5V，外部時鐘由頻率為2.456 7MHz的晶振電路提供。

供電電路

電導(dǎo)率儀所需的電壓主要有5V和3V，通過穩(wěn)壓芯片HT7150和HT7130來實現(xiàn)。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(tǒng)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

為了方便多個電導(dǎo)率儀組成測量網(wǎng)絡(luò)，在硬件設(shè)計時加入M-bus通信電路，這樣多個電導(dǎo)率儀就可以以M-bus總線的方式組網(wǎng)，達(dá)到檢測多個測點的目的。電導(dǎo)率測量儀的M-bus總線采用的供電方式為遠(yuǎn)程供電，電導(dǎo)率測量儀通過一條四芯電纜和其他M-bus主設(shè)備相連。其中，紅白兩條線用來供電，藍(lán)綠兩條線用來傳輸信號。主設(shè)備向電導(dǎo)率測量儀發(fā)送信號時用電壓的變化來表示數(shù)字1和數(shù)字0。而電導(dǎo)率測量儀向主設(shè)備發(fā)送信號時則采用電流的變化來表示數(shù)字0和數(shù)字1。這樣有利于減少干擾，提高通信的穩(wěn)定性。在設(shè)計時，傳感器本著節(jié)能、高效、低成本的原則進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)過調(diào)試改進(jìn)后能對大多數(shù)水溶液進(jìn)行電導(dǎo)率的測量，使用方便，穩(wěn)定可靠，基本實現(xiàn)了設(shè)計時的要求。

編輯點評：電導(dǎo)率測量儀采用的微控制器是LPC932單片機(jī)，LPC932具有集成度高和成本低的特點。該單片機(jī)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(jī)外圍器件的數(shù)量。LPC932只需要二到四個時鐘周期的指令執(zhí)行時間，與普通的80C51器件相比，其速度要快很多。