電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)及其控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)，其特征在于，由控制器模塊、電導(dǎo)率電極、電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊、溫度采集模塊、電源模塊、RS485通信模塊、RS232通信模塊構(gòu)成；其中電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊由ICL8038方波發(fā)生器、OPA2704運(yùn)放反饋電路、AD637真有效值電路構(gòu)成；所述的電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制器模塊(1)的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序、控制算法子程序、控制量輸出子程序、通信接口子程序。本發(fā)明克服了以往數(shù)據(jù)傳輸速度慢的缺陷，選用了意法半導(dǎo)體公司出品的STM32F103系列微處理器，32位數(shù)據(jù)串行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸，具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電導(dǎo)率分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)及其控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 二次供水作為高層用戶(hù)供水的"最后一公里"，由于其管理主體不明確，甚至存在 無(wú)人管理的情況，很多管理單位難以保證二次供水設(shè)施的定期清洗消毒。此外，由于二次供 水設(shè)施本身的特點(diǎn)，如設(shè)施材質(zhì)、水的存放時(shí)間、外界環(huán)境條件和人為等多方面影響，極易 產(chǎn)生二次污染，影響供水范圍內(nèi)用水戶(hù)飲水安全。
[0003] 測(cè)量溶液的電導(dǎo)率的方法有很多種。從施加在電導(dǎo)率傳感器上的激勵(lì)信號(hào)的角度 來(lái)看，包括直流激勵(lì)信號(hào)和交流激勵(lì)信號(hào)兩大類(lèi)。直流激勵(lì)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的極化誤差(將在第 二章中進(jìn)行分析），一般采用交流激勵(lì)為主，所采用的波形也多為雙極性正弦波或方波。從 使用的電導(dǎo)率傳感器數(shù)量的角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)普遍使用雙電極測(cè)量模式，而國(guó)外大都采用準(zhǔn) 確度和精度更高的四電極測(cè)量模式，在這種模式中，電流電極和電壓電極各有一對(duì)，兩者分 開(kāi)施加或測(cè)量，避免了相互干擾，能較好的提高電導(dǎo)率測(cè)量的精度。從使用的傳感器類(lèi)型的 角度來(lái)看，有圓柱形電極，有平行雙電極，其中平行雙電極的邊緣電場(chǎng)不均勻?qū)е铝穗姌O常 數(shù)需要使用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，而圓柱形的電極具有更加穩(wěn)定均一的電場(chǎng)，電極常數(shù)更加 穩(wěn)定。從電導(dǎo)率測(cè)量原理上劃分，大致有四種形式：
[0004] (1)平衡電橋法：電橋方法的精度比較高，適合高級(jí)實(shí)驗(yàn)室使用。電導(dǎo)率傳感器的 作為電橋的一臂，其余三個(gè)電阻采用高精度的電阻，并且具有較好的一致性，有類(lèi)似的溫漂 特性，以確保高精度，采用此種測(cè)量原理的儀器有雷磁27型和D5906電導(dǎo)率儀器。
[0005] (2)電阻分壓法：電導(dǎo)率傳感器與固定電阻（分檔可調(diào)，適應(yīng)不同的量程）串聯(lián)，在 施加激勵(lì)信號(hào)之后，從固定電阻或者電導(dǎo)率傳感器兩側(cè)獲得電壓。電壓信號(hào)經(jīng)由模擬信號(hào) 鏈路處理之后，送往ADC模塊采樣轉(zhuǎn)換，最后由MCU處理得到電導(dǎo)率數(shù)值。采用此種測(cè)量原理 的儀器有DD-11，DDS-11A電導(dǎo)率儀器。（3)運(yùn)放法:運(yùn)算放大器的性能越來(lái)越強(qiáng)，可以滿(mǎn)足高 精度的設(shè)計(jì)要求，而無(wú)需使用分立元件來(lái)構(gòu)建電路。運(yùn)放一般配置成反相比例放大器，反饋 電阻為分檔可調(diào)，電導(dǎo)率傳感器接入運(yùn)算放大器的反相輸入端。運(yùn)放的輸出端將輸出和施 加在電導(dǎo)率傳感器上的激勵(lì)信號(hào)成比例的輸出信號(hào)。采用此種測(cè)量原理的儀器有工業(yè)電導(dǎo) 率儀 DDG-5205。
[0006] (4)頻率法:利用555等構(gòu)成的多諧振蕩電路將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，電極作為 多諧振蕩器的一部分（以電阻的身份接入），這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度一般。溫度對(duì)迀移數(shù)有 較強(qiáng)的影響，而離子的迀移率依賴(lài)于電解質(zhì)的濃度和溫度，溫度越高，離子的迀移率就會(huì)升 高，離子的電導(dǎo)也越高。因此必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，常見(jiàn)的幾種補(bǔ)償方法有恒溫方法、手動(dòng)溫 度補(bǔ)償方法、自動(dòng)溫度補(bǔ)償方法。隨著微控制器的不斷發(fā)展，自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)某杀疽苍絹?lái)越 低，實(shí)施起來(lái)也越方便。自動(dòng)溫度補(bǔ)償中還細(xì)分了熱敏電阻補(bǔ)償法、參比補(bǔ)償法、逐點(diǎn)逼近 補(bǔ)償?shù)确椒ā?br>[0007] 針對(duì)現(xiàn)有的電導(dǎo)率計(jì)，采集數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確，一方面，是測(cè)量時(shí)電極產(chǎn)生的極化電 壓影響測(cè)量結(jié)果，本課題采用了頻率為2.6KHZ，幅值為± 2V的交流方波激勵(lì)信號(hào)，有效的克 服了電導(dǎo)率電極在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的極化誤差，提高了電極測(cè)量的精度。另一方面，在電路中產(chǎn) 生的紋波影響了 A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果，本課題在AD637的外圍電路中采取Sallen-Key二階低通濾 波器，有效的濾除紋波，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有電導(dǎo)率分析儀，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，本發(fā)明選用了意法半導(dǎo)體公司出品的 STM32F103系列微處理器，32位數(shù)據(jù)串行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí) 性傳輸。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] 電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)由控制器模塊1、電導(dǎo)率電極2、電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊3、溫度采 集模塊4、電源模塊5、RS485通信模塊6、RS232通信模塊7構(gòu)成;其中電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊3由 ICL8038方波發(fā)生器8、0PA2704運(yùn)放反饋電路9、AD637真有效值電路10構(gòu)成；電導(dǎo)率分析儀 系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。
[0011] 圖中各模塊說(shuō)明如下：
[0012] 控制器模塊1:該控制模塊采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，該 芯片具有尚性能、低功耗、成本低等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)搭配相應(yīng)的外圍電路即可完成相關(guān)功能。 STM32F103CB控制模塊如圖2所示。
[0013] 電導(dǎo)率電極2:采用HACH電導(dǎo)率電極，該電極的K~1，測(cè)量范圍為5~10000yS/cm， 測(cè)量范圍較寬；電導(dǎo)率分析儀的測(cè)量原理是將兩塊平行的電極，放到被測(cè)溶液中，在極板的 兩端加上一定的電動(dòng)勢(shì)，然后測(cè)量極板間流過(guò)的電流，根據(jù)歐姆定律，電導(dǎo)率G-一電阻R的 倒數(shù)，是由電壓和電流決定的。
[0014] 電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊3:由ICL8038方波發(fā)生器電路8、0PA2704運(yùn)放反饋電路9、 AD637真有效值電路10組成。其中ICL8038方波發(fā)生器電路8為電導(dǎo)率電極提供頻率為 2.6KHZ，幅值為± 2V的交流方波激勵(lì)信號(hào)，有效的克服了電導(dǎo)率電極在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的極化 誤差，提高了電極測(cè)量的精度;0PA2704運(yùn)放反饋電路9,利用運(yùn)放間電壓與電阻的線(xiàn)性關(guān) 系，求出輸入電壓的值，從而得到電導(dǎo)率的電導(dǎo)量;AD637真有效值電路10,將0PA2704的輸 出的交流電壓的有效值提取，提取的有效值為直流信號(hào)，提供給ARM芯片做A/D轉(zhuǎn)換；其中 AD6 37的外圍電路采用Sa 11 en-Key二階低通濾波器，有效的濾除紋波，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn) 確性。ICL8038方波發(fā)生器電路8如圖3所示，0PA2704運(yùn)放反饋電路9如圖4所示，AD637真有 效值電路10如圖5所示。
[0015]溫度采集模塊4:溫度對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定的準(zhǔn)確性影響較大，其原因是由于溫度旳變 化，引起了眾多影響電導(dǎo)率值得因素變化，為了準(zhǔn)確的測(cè)量電導(dǎo)率值，在儀器上添加了的溫 度補(bǔ)償?shù)墓δ埽挥蒔T100溫度傳感器和TL062運(yùn)算放大器組成的溫度測(cè)量電路可以準(zhǔn)確的 測(cè)量當(dāng)前溫度;溫度采集模塊如圖6所示。
[0016]電源模塊5分為四各部分:如圖7所示，12V轉(zhuǎn)5V的LM7805電路如圖7(a)所示;5V轉(zhuǎn) 3.3V的AMS1113-3.3電路(該電路給STM32F103CB芯片提供工作電壓)如圖7(b)所示;5V轉(zhuǎn)一 5V的ICL7660電路（該電路給AD549提供±5V的工作電壓）如圖7(c)所示；12V轉(zhuǎn)-12V的 ICL7662電路(該電路給AD637提供±12V的工作電壓)如圖7(d)所示。
[0017] RS485通信模塊6:支持MODBUS協(xié)議，方便下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信，RS485模塊 如圖8所示。
[0018] RS232通信模塊7:電路板增加 RS232模塊，提高了系統(tǒng)的兼容性，便于用戶(hù)使用， RS232通信模塊如圖9所示。
[0019] 所述控制器模塊1的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序、控制算法 子程序、控制量輸出子程序、通信接口子程序，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 〇所示；
[0020] 所述控制器模塊1的控制方法步驟依次為啟動(dòng)系統(tǒng)初始化子程序自校準(zhǔn);A/D轉(zhuǎn)換 采樣子程序，測(cè)量PH值;控制算法子程序、控制量輸出子程序以及通信接口子程序，如圖11 所示；
[0021] 所述A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序的步驟依次包括啟動(dòng)A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波 校正、關(guān)閉A/D采樣、分析警告范圍及處理，如圖12所示；
[0022] A/D轉(zhuǎn)換采樣主要涉及ADC的幾個(gè)寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采樣事件 寄存器(ADC_SMPR)、ADC規(guī)則序列寄存器(ADC_SQR)以及ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器(ADCDR)。在ADC 采樣子程序中，數(shù)據(jù)采樣模塊主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，首先把模擬信號(hào)采集過(guò)來(lái)，然后 單片機(jī)通過(guò)計(jì)算獲得參數(shù)值后，將其存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，對(duì)該參數(shù)值與其報(bào)警上限和下 限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置報(bào)警范圍，則發(fā)出報(bào)警信息。
[0023] void ADCl_configuration(void)
[0024] {
[0025] ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure；
[0026] ADC_InitStructure · ADC_Mode =ADC_Mode_Independent; //獨(dú)立模式
[0027] ADC_InitStructure · ADC_ScanConvMode = DISABLE; //連續(xù)多通道模式
[0028] ADC_InitStructure · ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //單次轉(zhuǎn)換
[0029] ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_N
[0030] one;//轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng)
[0031 ] ADC_InitStructure · ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;//右對(duì)齊
[0032] ADC_InitStructure · ADC_Nbr0fChannel = 1;//掃描通道數(shù)
[0033] ADC_Init(ADCl,&ADC_InitStructure)；
[0034] ADC_Cmd(ADCl，ENABLE);//使能或者失能指定的ADC1
[0035] ADC_ResetCalibration(ADCl);//重置指定的ADC1 的校準(zhǔn)寄存器
[0036] while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待ADC1 校準(zhǔn)寄存器初始化
[0037] ADC_StartCalibration(ADCl);//開(kāi)始校準(zhǔn)ADC1
[0038] whi le (ADC_GetCal ibrat ionStatus (ADC1)); //等待ADC1 校準(zhǔn)完成
[0039] }
[0040] 所述控制算法子程序是整個(gè)控制器模塊軟件的核心部分，根據(jù)水的電導(dǎo)值的非線(xiàn) 性特點(diǎn)，基于改進(jìn)的數(shù)字Pro控制算法，采用分段式變?cè)鲆鍼ro控制算法進(jìn)行計(jì)算。此算法的 思想是:根據(jù)電導(dǎo)率值的特性曲線(xiàn)，用五段相接的直線(xiàn)構(gòu)成的折線(xiàn)來(lái)近似電導(dǎo)率值的特性 曲線(xiàn)，本文根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了分段式變?cè)鲆鍼。電導(dǎo)率值的高增益區(qū)控制器采用較低的比 例增益，不同的低增益區(qū)控制器采用不同的高比例增益，使開(kāi)環(huán)總增益為一個(gè)常數(shù)，最后與 被控對(duì)象的非線(xiàn)性特性相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電導(dǎo)率過(guò)程的最優(yōu)控制。
[0041] 分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法中，程序首先利用采集到的數(shù)據(jù)輸入判斷控制器處于 明卜段的增益中，然后到PID處理程序中，調(diào)用以前整理好的HTd的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在值、 PID參數(shù)、設(shè)定值然后使用微分先行PID控制和輸出限幅相結(jié)合的控制方法，分別計(jì)算比例 項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，最后得到輸出控制量?？刂扑惴ǖ牧鞒虉D如圖13所示:其中K D = KPTd/ T，Ki = KPTD/T，a = Tf/(T+Tf)〇
[0042] 有益效果：
[0043] 1、傳感器采用HACH出品的電導(dǎo)率電極準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高，該電極的K~1，測(cè)量 范圍為5~10000yS/cm，測(cè)量范圍較寬。
[0044] 2、微處理器采用意法半導(dǎo)體公司出品的STM32F103增強(qiáng)版芯片，該款芯片集成了 A/D轉(zhuǎn)換電路，有效的精簡(jiǎn)了電路，數(shù)據(jù)處理速度快。
[0045] 3、電導(dǎo)率信號(hào)處理電路由ICL8038方波發(fā)生器電路、0PA2704運(yùn)放反饋電路、AD637 真有效值電路組成;其中ICL8038電路為電導(dǎo)率電極提供頻率為2.6KHZ，幅值為± 2V的交流 方波激勵(lì)信號(hào)，有效的克服了電導(dǎo)率電極在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的極化誤差，提高了電極測(cè)量的精 度;0PA2704運(yùn)放組成的反饋電路，利用運(yùn)放間電壓與電阻的線(xiàn)性關(guān)系，求出輸入電壓的值， 從而得到電導(dǎo)率的電導(dǎo)量;AD637真有效值電路，將0PA2704的輸出的交流電壓的有效值提 取，提取的有效值為直流信號(hào)，提供給ARM芯片做A/D轉(zhuǎn)換；其中AD6 3 7的外圍電路采用 Sal len-Key二階低通濾波器，有效的濾除紋波，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
[0046] 4、本發(fā)明克服了以往數(shù)據(jù)傳輸速度慢的缺陷，選用了意法半導(dǎo)體公司出品的 STM32F103系列微處理器，32位數(shù)據(jù)串行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí) 性傳輸，具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。
【附圖說(shuō)明】
[0047]圖1是本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0048] 圖2是本發(fā)明的控制器STM32F103CB模塊的電路圖。
[0049]圖3是本發(fā)明的ICL8038方波發(fā)生器的電路圖。
[0050]圖4是本發(fā)明的0PA2704運(yùn)放反饋電路圖。
[00511圖5是本發(fā)明的AD637真有效值電路圖。
[0052]圖6是本發(fā)明的溫度采集模塊電路圖。
[0053]圖7是本發(fā)明的電源模塊電路圖：
[0054] &)12￥轉(zhuǎn)5￥的1^7805電路圖；13)5￥轉(zhuǎn)3.3￥的厶151113-3.3電路；(3)5￥轉(zhuǎn)-5￥的 ICL7660 電路;d)12V 轉(zhuǎn)一 12V 的 ICL7663 電路。
[0055]圖8是本發(fā)明的RS485通信模塊電路圖。
[0056]圖9是本發(fā)明的RS232模塊電路圖。
[0057]圖10是本發(fā)明的系統(tǒng)控制器模塊的工作流程圖。
[0058]圖11是本發(fā)明的系統(tǒng)控制方法的主流程圖。
[0059]圖12是本發(fā)明的A/D采樣子程序流程圖。
[0060]圖13是本發(fā)明的控制算法子程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 下面結(jié)合各附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0062] 實(shí)施例
[0063] 本發(fā)明為電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)，由控制器模塊1、電導(dǎo)率電極2、電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊 3、溫度采集模塊4、電源模塊5、RS485通信模塊6、RS232通信模塊7構(gòu)成;其中電導(dǎo)率信號(hào)處 理模塊3由ICL8038方波發(fā)生器8、0PA2704運(yùn)放反饋電路9、AD637真有效值電路10構(gòu)成；電導(dǎo) 率分析儀系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。
[0064]圖中各模塊說(shuō)明如下：
[0065] 控制器模塊1:該控制模塊采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，該 芯片具有尚性能、低功耗、成本低等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)搭配相應(yīng)的外圍電路即可完成相關(guān)功能。 STM32F103CB控制模塊如圖2所示。
[0066] 電導(dǎo)率電極2:采用HACH電導(dǎo)率電極，該電極的K~1，測(cè)量范圍為5~10000yS/cm， 測(cè)量范圍較寬；電導(dǎo)率分析儀的測(cè)量原理是將兩塊平行的電極，放到被測(cè)溶液中，在極板的 兩端加上一定的電動(dòng)勢(shì)，然后測(cè)量極板間流過(guò)的電流，根據(jù)歐姆定律，電導(dǎo)率G-一電阻R的 倒數(shù)，是由電壓和電流決定的。
[0067] 電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊3:由ICL8038方波發(fā)生器電路8、0PA2704運(yùn)放反饋電路9、 AD637真有效值電路10組成。其中ICL8038方波發(fā)生器電路8為電導(dǎo)率電極提供頻率為 2.6KHZ，幅值為± 2V的交流方波激勵(lì)信號(hào)，有效的克服了電導(dǎo)率電極在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的極化 誤差，提高了電極測(cè)量的精度;0PA2704運(yùn)放反饋電路9,利用運(yùn)放間電壓與電阻的線(xiàn)性關(guān) 系，求出輸入電壓的值，從而得到電導(dǎo)率的電導(dǎo)量;AD637真有效值電路10,將0PA2704的輸 出的交流電壓的有效值提取，提取的有效值為直流信號(hào)，提供給ARM芯片做A/D轉(zhuǎn)換；其中 AD6 37的外圍電路采用Sa 11 en-Key二階低通濾波器，有效的濾除紋波，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn) 確性。ICL8038方波發(fā)生器電路8如圖3所示，0PA2704運(yùn)放反饋電路9如圖4所示，AD637真有 效值電路10如圖5所示。
[0068] 溫度采集模塊4:溫度對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定的準(zhǔn)確性影響較大，其原因是由于溫度旳變 化，引起了眾多影響電導(dǎo)率值得因素變化，為了準(zhǔn)確的測(cè)量電導(dǎo)率值，在儀器上添加了的溫 度補(bǔ)償?shù)墓δ?；由PT100溫度傳感器和TL062運(yùn)算放大器組成的溫度測(cè)量電路可以準(zhǔn)確的測(cè) 量當(dāng)前溫度;溫度采集模塊如圖6所示。
[0069] 電源模塊5分為四各部分:如圖7所示，12V轉(zhuǎn)5V的LM7805電路如圖7(a)所示;5V轉(zhuǎn) 3.3V的AMS1113-3.3電路(該電路給STM32F103CB芯片提供工作電壓)如圖7(b)所示;5V轉(zhuǎn)一 5V的ICL7660電路（該電路給AD549提供±5V的工作電壓）如圖7(c)所示；12V轉(zhuǎn)-12V的 ICL7662電路(該電路給AD637提供±12V的工作電壓)如圖7(d)所示。
[0070] RS485通信模塊6:支持MODBUS協(xié)議，方便下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信，RS485模塊 如圖8所示。
[0071] RS232通信模塊7:電路板增加 RS232模塊，提高了系統(tǒng)的兼容性，便于用戶(hù)使用， RS232通信模塊如圖9所示。
[0072]本發(fā)明的電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)的控制器模塊1的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn) 換采樣子程序、控制算法子程序、控制量輸出子程序、通信接口子程序，其結(jié)構(gòu)圖如圖10所 示；
[0073] 所述控制器模塊1的控制方法步驟依次為啟動(dòng)系統(tǒng)初始化子程序自校準(zhǔn);A/D轉(zhuǎn)換 采樣子程序，測(cè)量PH值;控制算法子程序、控制量輸出子程序以及通信接口子程序，如圖11 所示；
[0074] 所述A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序的步驟依次包括啟動(dòng)A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波 校正、關(guān)閉A/D采樣、分析警告范圍及處理，如圖12所示；
[0075] A/D轉(zhuǎn)換采樣主要涉及ADC的幾個(gè)寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采樣事件 寄存器(ADC_SMPR)、ADC規(guī)則序列寄存器(ADC_SQR)以及ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器(ADCDR)。在刀D 采樣子程序中，數(shù)據(jù)采樣模塊主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，首先把模擬信號(hào)采集過(guò)來(lái)，然后 單片機(jī)通過(guò)計(jì)算獲得參數(shù)值后，將其存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，對(duì)該參數(shù)值與其報(bào)警上限和下 限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置報(bào)警范圍，則發(fā)出報(bào)警信息。
[0076] void ADCl_configuration(void)
[0077] {
[0078] ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure；
[0079] ADC_InitStructure · ADC_Mode =ADC_Mode_Independent; //獨(dú)立模式
[0080] ADC_InitStructure · ADC_ScanConvMode = DISABLE; //連續(xù)多通道模式 [0081 ] ADC_InitStructure .ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//單次轉(zhuǎn)換
[0082] ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_N
[0083] one;//轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng)
[0084] ADC_InitStructure · ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;//右對(duì)齊
[0085] ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = l;//掃描通道數(shù)
[0086] ADC_Init(ADCl,&ADC_InitStructure)；
[0087] ADC_Cmd(ADCl，ENABLE);//使能或者失能指定的ADC1
[0088] ADC_ResetCalibration(ADCl);//重置指定的ADC1 的校準(zhǔn)寄存器
[0089] while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADCl));//等待ADC1 校準(zhǔn)寄存器初始化
[0090] ADC_StartCalibration(ADCl);//開(kāi)始校準(zhǔn)ADC1
[0091 ] while(ADC_GetCalibrationStatus(ADCl));//等待ADC1 校準(zhǔn)完成 [0092] }
[0093]所述控制算法子程序
[0094]控制算法是整個(gè)控制器模塊軟件的核心部分，根據(jù)水的電導(dǎo)值的非線(xiàn)性特點(diǎn)，基 于改進(jìn)的數(shù)字Pro控制算法，采用分段式變?cè)鲆鍼ro控制算法進(jìn)行計(jì)算。此算法的思想是:根 據(jù)電導(dǎo)率值的特性曲線(xiàn)，用五段相接的直線(xiàn)構(gòu)成的折線(xiàn)來(lái)近似電導(dǎo)率值的特性曲線(xiàn)，本文 根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了分段式變?cè)鲆鍼。電導(dǎo)率值的高增益區(qū)控制器采用較低的比例增益，不 同的低增益區(qū)控制器采用不同的高比例增益，使開(kāi)環(huán)總增益為一個(gè)常數(shù)，最后與被控對(duì)象 的非線(xiàn)性特性相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電導(dǎo)率過(guò)程的最優(yōu)控制。
[0095]分段式變?cè)鲆鍼ID控制算法中，程序首先利用采集到的數(shù)據(jù)輸入判斷控制器處于 明卜段的增益中，然后到PID處理程序中，調(diào)用以前整理好的HTd的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在值、 PID參數(shù)、設(shè)定值然后使用微分先行PID控制和輸出限幅相結(jié)合的控制方法，分別計(jì)算比例 項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，最后得到輸出控制量。控制算法的流程圖如圖13所示:其中K D = KPTd/ T，Ki = KPTD/T，a = Tf/(T+Tf)〇
[0096]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú) 需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù) 人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)，其特征在于，由控制器模塊（1)、電導(dǎo)率電極(2)、電導(dǎo)率信號(hào)處 理模塊(3)、溫度采集模塊(4)、電源模塊(5)、RS485通信模塊(6)、RS232通信模塊(7)構(gòu)成； 其中電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊(3)由ICL8038方波發(fā)生器(8)、0PA2704運(yùn)放反饋電路(9)、AD637 真有效值電路(10)構(gòu)成； 所述控制器模塊（1)采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，通過(guò)搭配相 應(yīng)的外圍電路即可完成相關(guān)功能； 所述電導(dǎo)率電極(2)采用HACH電導(dǎo)率電極，該電極的K~1，測(cè)量范圍為5~lOOOOyS/cm， 測(cè)量范圍較寬； 所述電導(dǎo)率信號(hào)處理模塊（3)由ICL8038方波發(fā)生器電路（8)、0PA2704運(yùn)放反饋電路 (9) 、AD637真有效值電路（10)組成;其中ICL8038方波發(fā)生器電路(8)為電導(dǎo)率電極提供頻 率為2.6KHZ，幅值為±2V的交流方波激勵(lì)信號(hào);0PA2704運(yùn)放反饋電路(9)，利用運(yùn)放間電壓 與電阻的線(xiàn)性關(guān)系，求出輸入電壓的值，從而得到電導(dǎo)率的電導(dǎo)量;A D 6 3 7真有效值電路 (10) 將0PA2704的輸出的交流電壓的有效值提取，提取的有效值為直流信號(hào)，提供給ARM芯 片做A/D轉(zhuǎn)換;其中AD637的外圍電路采用Sallen-Key二階低通濾波器，有效的濾除紋波，提 高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性； 所述溫度采集模塊(4):由PT100溫度傳感器和TL062運(yùn)算放大器組成的溫度測(cè)量電路 可以準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)前溫度； 所述電源模塊（5)分為四各部分：12 V轉(zhuǎn)5V的LM7805電路；5V轉(zhuǎn)3.3V的AMS1113-3.3電 路;5V轉(zhuǎn)一5V的ICL7660電路； 所述RS485通信模塊(6):支持MODBUS協(xié)議，方便下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信； 所述RS232通信模塊(7):電路板增加RS232模塊，提高了系統(tǒng)的兼容性，便于用戶(hù)使用。2. 如權(quán)利要求1所述的電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制器模塊 (1)的工作流程包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換米樣子程序、控制算法子程序、控制量輸出子程 序、通信接口子程序； 所述控制器模塊（1)的控制方法步驟依次為啟動(dòng)系統(tǒng)初始化子程序自校準(zhǔn);A/D轉(zhuǎn)換采 樣子程序，測(cè)量PH值;控制算法子程序、控制量輸出子程序以及通信接口子程序； 所述A/D轉(zhuǎn)換采樣子程序的步驟依次包括啟動(dòng)A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波校正、 關(guān)閉A/D采樣、分析警告范圍及處理。3. 如權(quán)利要求2所述的電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換采樣主要 涉及ADC的幾個(gè)寄存器:如ADC控制器、ADC的采樣事件寄存器、ADC規(guī)則序列寄存器以及ADC 規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器;在ADC采樣子程序中，數(shù)據(jù)采樣模塊主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，首先把 模擬信號(hào)采集過(guò)來(lái)，然后單片機(jī)通過(guò)計(jì)算獲得參數(shù)值后，將其存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，對(duì)該參 數(shù)值與其報(bào)警上限和下限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置報(bào)警范圍，則發(fā)出報(bào) 警信息；所述控制算法子程序:根據(jù)水的電導(dǎo)值的非線(xiàn)性特點(diǎn)，基于改進(jìn)的數(shù)字Pro控制算法， 采用分段式變?cè)鲆鍼ro控制算法進(jìn)行計(jì)算。4. 如權(quán)利要求2所述的電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述采用分段式變 增益Pro控制算法的思想是:根據(jù)電導(dǎo)率值的特性曲線(xiàn)，用五段相接的直線(xiàn)構(gòu)成的折線(xiàn)來(lái)近 似電導(dǎo)率值的特性曲線(xiàn)，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了分段式變?cè)鲆鍼，電導(dǎo)率值的高增益區(qū)控制器 采用較低的比例增益，不同的低增益區(qū)控制器采用不同的高比例增益，使開(kāi)環(huán)總增益為一 個(gè)常數(shù)，最后與被控對(duì)象的非線(xiàn)性特性相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電導(dǎo)率過(guò)程的最優(yōu)控制。5. 如權(quán)利要求2所述的電導(dǎo)率分析儀系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，分段式變?cè)鲆鍼ID 控制算法中，程序首先利用采集到的數(shù)據(jù)輸入判斷控制器處于哪一段的增益中，然后到PID 處理程序中，調(diào)用以前整理好的K^T^Td的參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在值、PID參數(shù)、設(shè)定值然后使用微 分先行PID控制和輸出限幅相結(jié)合的控制方法，分別計(jì)算比例項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，最后得 到輸出控制量。
【文檔編號(hào)】G01N27/07GK106053545SQ201610446788
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】程曉亮, 李巍, 于磊, 徐友順, 張瑞, 習(xí)宏權(quán), 郭晶晶
【申請(qǐng)人】天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司