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1、1 引言在当今社会，随着人们的生产水平不断的提高，大量先进的技术手段不断地应用到各个领域。在我们国家，在自动化技术、计算机技术等先进技术迅速发展的带领下，国民生产总值得以稳步提升。在“十一五”期间，提高农业生产水平被列位一个新的发展重点，这为相关领域的从业人员和技术工作者提出了许多新的课题。为提高农业综合生产水平，保障农业资源高效利用和环境保护，促进农业结构调整增加农民收入，农业部和技术部联合提出，把“多功能农业装备与设施研制”工作作为“十一五”国家科技基础计划发展的重大项目，并希望通过技术创新，开发出一批可以用在工业化养殖、农产品质量检测等方面的实用性设备，通过使用这些设备保障农业增产增效、
2、促进资源高效利用和可持续发展，为农业现代化和社会主义新农村建设提供技术装备基础。这些都为液晶屏显示的电导仪的设计与制作这一课题的研究提供了指导思想和研究方向。 液晶屏显示的电导仪的设计与制作是实现食盐加工厂自动化生产的一个具体体现，是作为研究智能化生产管理系统的一个典型事例来进行研究的。整个系统由：盐水过滤系统、食盐水电导自动检测系统，称重分群系统等部分组成。整个系统要求实现一个及自动化管理、生产过程监测、产品品质保障于一体，并可以用于实际生产的智能化生产管理系统。其中，盐水电导自动检测系统这一部分是为最终生产合格的食盐的提供监测和控制功能的。检测顾名思义就是检验和测量，智能化检测就是利用计算
3、机的计算处理能力对产品的各种属性进行测量，并通过分析、判断得出一个结果。从而输出相应的控制信号。智能化检测系统在各个领域的生产过程中都起到了至关重要的作用。它所涉及的主要学科包括，传感技术、自动控制技术、计算机技术等，而近年来，信号分析处理、数据通信技术、抗干扰技术等先进的技术也被应用到其中，以提高智能检测控制系统的可靠性和实用性。一个典型的智能化检测、控制系统的基本组成如图所示：被测对象检测传感器 执 行 器AD计算机DA 图：智能化检测控制系统基本组成(1)、检测传感器检测传感器是用来把被测对象的各种被测参量转换成电信号的装置。我们可以把它形象地比喻成整个系统的感觉器官。传感器可以检测的信
4、号有模拟量、数字量和开关量三种形式，这些信号由传感器转换成为电信号之后，还必须经过放大、滤波、调制等相应的信号处理电路才能够与后面的电路相适配。(2)、计算机计算机部分完成的主要任务是对检测信号进行读取、计算和分析，并通过计算结果输出相应的控制信号，各端口的启动以及计算的过程都是在程序的控制下自动进行的。我们可以把它比作系统的大脑。现在，单片机已经作为最常用的计算机电路，被广泛地应用在各种集成化的系统中。另外，计算机电路还可以连接显示器、键盘、绘图机、等外围设备，使整个系统更加人性化。(3)、执行器用于按照计算机输出控制信号完成相应的执行动作。(4)、AD和DA转换电路AD转换是为了把非数字信
5、号转换成能被计算机识别的数字信号。DA转换是为了把计算机输出的数字控制信号与执行器相适配的信号。智能检测与控制技术的广泛应用确实为各领域的生产带来了跨越式的发展，它不仅合理地利用了现有资源，节省了大量劳动力，还提高了生产效率并提供了极高的可靠性保障。在农业，养殖业和乡镇小型制造业的生产过程中，这一技术的使用还较少。由于缺少经验，要把该技术合理地运用到农业、养殖业和制造业的生产中，将面临着许多的困难。课题中所讨论的盐水电导自动检测系统就存在着一些问题，系统要求能够适应生产环境，适应采集合格盐度的整个生产流程，能应付一些不确定因素带来的干扰（例如通电时容易使盐水电解，不但影响食盐质量还对测量造成干
6、扰）。这些问题在研究系统解决方案的过程中必须对这些问题加以考虑。论文的内容中引用了很多参考文献中给出的原理作为论述的依据。为对此课题的研究提供了丰富而强大的理论基础。另外，论文还把实际操作过程作为发现问题和验证各种理论的一平台；把实验作为研究的辅助手段，按照实验数据讨论相应的解决方法，并依靠创新的思维方法，合理的将各个有力的论据进行整合，还提出了一些创新的观点，从而得出了最终的研究结论。2 课题概述21课题研究背景现在越来越来的人们从工农业，养殖业等各种繁重、复杂的生产劳动中解放出来了。人们不用再拿着各种工具亲自深入到各个生产环节，更多的是人们只需坐办公室内进行一些简单的操作，就能监测和控制整
7、个生产过程。而代替人“走到”第一线生产线的是一个个智能化的自动生产系统。这些系统不但可以减轻劳动者的工作强度，还能提高生产效率、保证生产安全、提升产品质量。正是这些自动化生产系统的广泛应用，才使得社会的生产水平得到了进步，继而提高了社会的生活水平。与此同时，我们可以看到在当今工业高度自动化的时代，农业、养殖业和手工业的自动化水平还是相对落后的，而我国是农业大国，农业、养殖业的生产水平是关系我国综合国力发展的一个关键因素。党中央也提出要加强对乡镇企业的建设力度，用有效的技术手段发展农村，解决三农问题。提高我国农民的生活水平。故可以预见，在未来几年中，各种智能化的自动生产管理系统将在乡镇得到越来越
8、广泛的应用。液晶屏显示的电导仪的设计与制作这一课题正是对实现一个智能化生产管理系统中所遇到的各种问题进行深入地研究和讨论，并设计制作出一个可以应用于实际生产中的完整的系统。智能检测与控制技术已被广泛应用到各个生产领域中，它已成为自动化生产系统中必不可少的一部分。分别应用它来对生产的条件（如工作电压、现场温度等）或产品的属性（如产品数量、质量等）进行检测，然后通过计算机对检测结果的分析，就可以对生产过程作出相应的控制。例如在液晶屏显示的电导仪的设计与制作这一课题中的盐水电导自动检测系统就应用了智能检测和控制的技术。生产合格的食盐提高食盐制造厂的生产目的，因此对盐水电导进行检测是非常重要的生产环节
9、。利用智能检测和控制技术对盐水的检测、采集过程进行控制，既可以使产品质量得到保障，又能有效地提高生产效率。所以在整个生产管理系统中盐水电导自动检测系统是关系到生产效益的关键部分。22系统设计的要求本课题设计的系统要求具有以下功能：(1) 能完成对盐水电导的测量工作；(2) 对盐水采集进行实时的控制，即把符合电导率的盐水和不符合电导率的分别出来；(3) 实现自动盐水采集工作，即在容器装满时对盐水进行相应的处理；(4) 有较强的抗干扰能力，能适应生产环境的变化； 3课题说明 在实验设计中将应用液晶屏显示的电导仪来测量盐水的电导。电导仪的种类很多，但液晶电导仪更适用于乡镇企业食盐制造厂的实际生产。3
10、. 1液晶屏显示器3. 1.1液晶显示器的显著特点1、 低压、微功耗液晶显示器的工作电压极低，只要2V-3V即可工作，而工作电流仅几个微安，这是其他任何显示器件无法比拟的。，只有低压、微功耗的显示器件才可能深入人间的每个角落，伴随人们生活和工作。在工作电压和功耗上液晶显示正好与集成电路的发展相适应，从而使电子手表、计算器、便携仪表、以至手提电脑成为可能。2、被动型显示液晶显示器件本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。它不像主动型显示器件那样，靠发光刺激人眼实现显示，而是单纯依靠对外界光的不同反射形成的不同对比度来达到显示目的。故称其为被动显示。虽然被动型的显示本身是不发光的，在黑暗处不能看
11、清，但在自然界中，人类所感知的视觉信息中，90以上是靠外部物体的反射光，而并非靠物体本身的发光。所以，被动显示更适合于人的眼视觉，更不易引起疲劳。这个优点在大信息量、高密度、快速变换、长时间观察的显示时尤为重要。此外，被动显示还不怕光冲刷。所谓光冲刷，是指当环境光较亮时，被显示的信息被冲淡，从而显示不清晰。而被动型显示，由于它是靠反射外部光达到显示目的的，所以，外部光越强，反射的光也超强，显示的内容也就越清晰。诚然液晶显示不仅可以用于室外进行显示，而且可以在阳光等强烈照明环境下也可以显示得很清晰。对于黑暗中不能观看的缺点，只要配上背光源，就可以克服。3、无辐射，无污染液晶显示器件在使用时不会像
12、CRT使用中产生的软X射线及电磁波辐射。这种辐射不仅污染环境还会产生信息泄露，而液晶显示不会产生这类问题，它对于人身安全和信息保密都是十分理想的。3. 1.2液晶显示器的基本原理。1、背光源（Backlight） 液晶本身并不发光，液晶显示器能够显示出高亮度高对比度的画面的前提是需要强大的背光系统。由于液晶显示器件本身具有纯平面、显示精细等特性，所以它需要一个亮度高且均匀的背光源。目前各个领域常用的背光源主要有：发光二极管（LED）、卤钨灯、电致发光器件（ELD）、冷阴极荧光灯、阴极发射灯（CLL）和金属卤化物灯等。其中作为面光源的EL显示器件完全符合亮度高且均匀的条件，但目前由于其成本高且尺
13、寸小而并不适合在液晶显示器上使用。因此相对来说工艺成熟、亮度高、成本低、性能好的冷阴极荧光灯就成为目前彩色薄膜液晶显示器（TFT-LCD）上使用最广泛的背光源。冷阴极荧光灯（Cold Cathode Fluorescent Lamps，简称CCFL），其实就是霓虹灯，不过这种管径小于6mm的“霓虹灯”跟普通霓虹灯的工艺已经完全不同。霓虹灯是一种线光源，导光板是呈锲形的平板，负责把线光源雾化成均匀的面光源。可见，背光模组的作用无非就是把线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。背光模组里的反射板用于将没有直接散射出去的杂乱光线再次引入导光板以提高光源的利用率；它上面的扩散膜同样具备把光线形成漫反射
14、并均匀扩散的能力；而作为背光模组另一重要组件的棱镜片（垂直和水平相间隔）则负责把光线聚拢，使其垂直进入液晶模块以提高辉度，所以又称增亮膜。经过处理，冷阴极荧光灯组成的线光源就可以形成亮度均匀并垂直射出的面光源。 2、液晶面板（Panel）在得到均匀的面光源之后，紧贴在背光模组上的液晶面板就负责对光线进行调制以得到最终画面。跟背光模组一样，液晶面板同样很薄（厚度从数毫米到零点几毫米不等），但其结构并不简单。因为液晶面板比较脆弱，所以需要加入几层玻璃基板来增加强度并起到保护作用。在液晶盒（通过特定浇铸并扭曲了的液晶分子槽）之下的是主动驱动矩阵TFT电路，TFT电路具有响应速度快并可记忆的功能，正是
15、由于TFT驱动的成熟，才使液晶显示器的几个性能瓶颈得到重大突破。 上下两层相互垂直的偏振膜和被扭转的液晶分子相配合使光线得以被显示信号调制成不同强度的输出信号，液晶上的RGB滤色片（Color Filter，CF）把可见光滤成三原色，进而组成各种颜色来还原画面液晶显示器(LCD)是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使
16、光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。下面介绍一种“扭曲向列型液晶显示器”的工作原理。 “扭曲向列型液晶显示器”（Twisted Nematic Liquid crystal display）,“扭曲向列型液晶显示器”简称“TN型液晶显示器”。这种显示器的液晶组件构造如图11所示。 向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟（Indium）和锡（Tin）的氧化物（Oxide），简称ITO。然后再在有ITO的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。（图11 a）中左边玻璃使液晶排成上下的方向
17、，右边玻璃则使液晶排成垂直于图面之方向。此组件中之液晶的自然状态具有从左到右共的扭曲, 这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因。利用电场可使液晶旋转的原理，在两电极上加上电压则会使得液晶偏振化方向转向与电场方向平行。 因为液态晶的折射率随液晶的方向而改变，其结果是光经过TN型液晶盒以后其偏振性会发生变化。我们可以选择适当的厚度使光的偏振化方向刚好改变。那么，我们就可利用两个平行偏振片使得光完全不能通过（如图12所示）。若外加足够大的电压使得液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振性就不会改变。因此光可顺利通过第二个偏光器。于是，我们可利用电的开关达到控制光的明暗。这样会形成透光时为白、不透光时为
18、黑，字符就可以显示在屏幕上了。3. 2电导仪3.2.1电导仪的测量原理引起离子在被测溶液中运动的电场是由与溶液直接接触的二个电极产生的。此对测量电极必须由抗化学腐蚀的材料制成。实际中经常用到的材料有钛等。由二个电极组成的测量电极被称为尔劳施（Kohlrausch）电极。 电导率的测量需要弄清两方面。一个是溶液的电导，另一个是溶液中1/A的几何关系，电导可以通过电流、电压的测量得到。这一测量原理在当今直接显示测量仪表中得到应用。 而 K= L A (A测量电极的有效极板, L两极板的距离),这一值则被称为电极常数。在电极间存在均匀电场的情况下,电极常数可以通过几何尺寸算出。当两个面积为1cm2的
19、方形极板，之间相隔1 cm组成电极时，此电极的常数K=1cm-1。如果用此对电极测得电导值G=1000S，则被测溶液的电导率K=1000S/ cm。 一般情况下，电极常形成部分非均匀电场。此时，电极常数必须用标准溶液进行确定。标准溶液一般都使用KCl溶液这是因为KCl的电导率的不同的温度和浓度情况下非常稳定，准确。0.1 mol/l的KCl溶液在25时电导率为12.88mS/CM。 所谓非均匀电场（也称作杂散场，漏泄场）没有常数，而是与离子的种类和浓度有关。因此，一个纯杂散场电极是最糟糕的电极，它通过一次校准不能满足宽的测量范围的需要。3. 2. 2电导率测量系统的组成 一个完整的电导率测量系
20、统包含一支电感式或电导式测量电极，电缆和测量仪表。电导电极与pH电极不同，由于它是机械性能稳定的材料制成的，所以不需要特殊结构件进行保护。选择电导电极时需要注意如下事项： 、电极的测量范围 、 测量的形式，电导式还是电感式。在使用电导式电极时，要选择合适的电极常数“K”、 温度、 与机械结构有关的压力、耐化学腐蚀性、安装结构（螺纹、法兰、三夹头连接等） 所有测量电缆都必须屏蔽。特别对于电导式电极（此种电极与被测溶液有直接接触），在电导值高于100 mS时，要考虑电缆长度和电缆横截面面积的影响，这是因为电缆的电阻也处在测量回路中）。4 方案验证在明确了设计的目的和要求之后，选择一个好的设计方案，
21、就成了实现设计要的关键。一个好的设计方案要求有很高的可行性，并尽量便于操作。在任何系统设计的过程中都应该有多个备选方案，选择方案的过程中要对这些备选方案进行逐个分析，对每个方案的各方面因素（包括电路结构复杂程度、电路调试的难度、性价比、功耗等因素）进行比较，还要尽量利用现有的仪器仪表按照方案中的方法进行试验，观察试验中出现的各种问题和实验数据的规律，在进行综合考虑之后，得出一个可行的方案。41方案一：直流分压法411原理 直流分压法的电路示意图如下： 图4-1-1 直流分压法示意图直流分压法就是把被测的对象当作一个分压电阻，并把一个固定的直流电压加在分压电阻和一个已知阻值的电阻上，使这两部分电
22、阻上分别获得一定的压降，然后测量A点的电压值，并对这个电压值信号进行AD转换，将转换之后的信号输入单片机电路进行分析和计算。通过公式 可得出 。412试验过程及现象 把两个金属电极插在容器适当的位置，电极间的距离不宜过近，在容器中注入盐水。用一台稳压电源作为提供直流电压的装置。另外还需要一台电压表（测量精度要求在毫伏极）、一支100的可变电阻。按照电路图把电源提供直流电压加在测量电极和已知电阻的串联电路上。把电压源的电压幅度调整至不同的值，测量A点的电压，再把这几次测得的电压值带入公式计算出盐水的电导值（实验数据见附录）。实验过程中会发现，随着电压加在测量电极上的时间越长，测量的结果越不稳定，
23、在将盐水倒出之后，仔细的观察还会发现，在测量电极上还有少量附着物，需要用水清洗才能清除。413直流分压法的方案研究通过对电路原理以及试验现象的分析，可以总结出该方案具有以下特点：(1)、电路结构简单。此方案采用的是最常用的测量电阻的方法直流分压测电阻法，其原理很容易理解，其电路电路结构也非常简单，这些都为制作电路和调试电路提供了方便。而且，越简单的电路工作起来越稳定，不易出现故障。(2)、容易发生极化现象在实验中可以观察到这样的现象，在对测量电极通电一段时间后，电极上产生一定量的附着物，测量的准确度也随之大幅降低。通过认真地分析可知，这种现象是由于长时间在测量电极上加直流电压，这就会使正负两个
24、测量电极之间形成一个电场，而电场存在于盐水这种介质中，盐水中含有的金属离子（如离子、离子等）都会在这一强大的电场势能作用下向负电极附近集中，另外一些负离子也会在电场势能的作用下向正点附近极集中，最终会有一定量的离子附着在测量电极上，就形成了我们所看到的附着物。 正极+电场 负极-孙正 图3-1-2 极化现象示意图这种在直流电压作用下，正负离子分别向两极集中的现象称作被极化。产生极化现象直接导致的不良后果有三点：盐水被离解之后导致盐水的结构被破坏，从而影响了食盐的品质；盐水发生离解现象时引起的两电极周围电场的不确定变化，以及电极上的附着物都会影响测量的准确性；电极上的附着物如不及时清洗，就会对测
25、量电极造成破坏，使整个测量装置无法正常工作，必须更换电极才能解决，造成不必要的损失。(3)、高电压容易造成食盐水炭化在此方案中，会用到1.5V的直流电压，这样高的电压会时食盐水产生炭化现象，对生产质量造成影响。42方案二：电容-电导转换法421原理电容-电导转换法的电路示意图如下： 图4-2 电导-电容转换电路示意图在盛有盐水的容器外加上两块电极板，将盐水块极板一同作为一个以盐水为介质被测电容，电容和一个已知阻值的电阻串联，并在此串联电路上加一交流电压，使被测电容两端产生一个波形信号，把这一信号经过滤波、放大、AD转换等处理电路输入单片机电路进行计算，可以得出电容的值，再根据公式，导出盐水介质
26、的介电常数，从而计算出盐水的电导值。422实验过程及现象盐水正极板负极板制作一形状如图所示的容器，要求最好使用方形的容器，这样便于电极板的安装，电极板应与容器壁贴紧，以保证检测的准确度。用信号发生器产生一个正弦交流信号，将此信号加在带极板的容器和一支100电阻组成的串联电路上，用一台示波器观察A、B两点之间的电压波形，为得到一个稳定的波形还要改变装在容器两侧的极板的大小，以及信号发生器的频率和幅度。当使用面积较大的电极板时，测得的信号波形很不稳定，很难获得一个准确的测量值。当使用面积较小的电极板时，会使测得信号波形变得很微弱。当将交流信号频率和幅度调高的时候，输出的信号相对容易测量。423电导
27、-电容转换法的方案研究(1)、该方案避免了极化现象本方案采用交流信号作为检测信号，而且电极未与盐水直接接触，从而避免了方案一中由于在两极通直流而造成的极化现象。(2)、计算复杂 由于本方案是采用测量电容，再通过公式导出应测的电导值的方法，使得计算过程非常复杂，这就增加了对单片机编程的难度。(3)、很难确定极板的尺寸 根据公式可知，极板面积S越大，电容C就越大，从而越容易测量；但根据对实验现象的分析可知，由于容器中的盐水难以保持静止状态，所以极板面积S较大时，存在于极板之间的盐水的截面面积越大，盐水的流动性所造成的影响就越明显，所以又应该使用面积很小的极板以保证测量的准确性。这就造成了矛盾。(4
28、)、极板间距离d应尽量小根据公式可知，极板之间的距离越小，电容C就越大，从而越便于测量，但这就需要容器的横截面积足够小，显然在生产中使用这种形状的容器是不符合生产要求的。(5)、高频会导致电路调试困难 在调高信号发生器的频率和难度后会使测量变得简单一些，但是信号的频率越高，电路的制作和调试就越困难。(6)、不便于产生开关信号根据系统要求的功能，要在容器中的盐水快装满时产生一个开关信号，控制检测的开始，使用电极时可以采用多加一个电极的方法来产生此信号，但在本方案中不容易产生此开关量。43方案三：脉冲测量法431原理脉冲测量法的电路示意图如下：vv图4-3-1 脉冲测量法电路示意图将一支激励电极和
29、两支检测电极接入盐水，从激励电极输入一个10kHz的脉冲信号，在两个检测电极上就会分别产生一个检测信号，其中一个还要用作控制检测启动的开关量。将检测信号通过放大、滤波、AD转换等处理，输入单片机电路进行计算，即可得到盐水的电导值。432实验过程及现象将盐水注入带有电极的容器，用一台信号发生器产生一个脉冲信号，并将此信号通过激励电极输入待测的盐水示波器观察检测电路输出的信号波形。将脉冲信号的幅度逐渐调高，观察在不同幅值区间内，输出的检测信号波形。（实验数据见附录）为模拟实际生产中采集盐水的过程，还要使盐水在容器中振动，可以发现，在盐水震动时，输出检测信号会产生很强的波动。433脉冲测量法的方案研
30、究(1)、容易获得较稳定的检测信号 用脉冲信号进行测量时，只要选择适当的频率和幅度就能使从盐水中输出的检测信号比较稳定，在经过相应的处理就会得到一个可以用于分析盐水电导率的检测信号。(2)、有效地避免极化现象 由于此方案采用的是交流的检测信号，所以就避免了在电极周围形成固定电场，从而有效地避免了产生极化现象。(3)、可产生控制检测开始的开关量在实际生产中盐水注入容器时，会使电极周围的盐水不停地振动，这会造成对测量的干扰，在容器上部加一个检测电极，使其在与盐水接触时产生一个开关信号，控制检测的启动，就能提高系统的可靠性。44总结 在对这三个方案进行了比较之后，综合它们的设计难度、系统性能、和实际
31、生产对该系统的要求等因素进行考虑，确定方案三为最终的设计方案。虽然此方案的实现依然存在难点，但此方案的可行性和可靠性较高，为今后用于实际生产打下了基础，也为实际测量的准确性提供了保证。5 电路分析 整个电路由三部分组成，这三个部分分别负责产生检测信号、检测信号的预处理和检测信号的采集。系统的组成示意图如下： 检测电极激励电极 检测电极 检测信号产生 产生1kHz脉冲孙正孙正孙正放大电路A=10放大电路A=10线性光耦线性光耦低通滤波低通滤波ADAD C P U 检测 信号 采集 检 测 信 号 预处理驱动 图5-0-1 系统模块示意图51测量信号的产生测量信号是指将一脉冲信号输入接在盐水中的激
32、励电极后，在检测电极上产生的信号。系统中有两路检测信号，接在容器上方的电极产生的信号还要用于控制检测信号采集的开始。输入盐水的脉冲信号是由单片机经编程实现的，脉冲频率为10kHz，幅度为50mV。它主要使用了单片机的定时计数的资源，通过程序控制其输出每0.1ms跳变一次，即周期等于0.1ms，从而得到所需的频率为10kHz的脉冲信号。在输入盐水之前，由单片机输出的脉冲信号要经过一个驱动电路对其进行阻抗匹配和光电隔离，经过这一驱动电路的信号才能作为激励信号输入盐水，以保证输出的检测信号可以是稳定的信号，同时也易于采集。电路中这一驱动电路包括了光耦隔离芯片TL2521-4组成的隔离电路和由集成运放
33、芯片LM324组成的电压跟随器。 图5-1-1驱动电路52测量信号的预处理从盐水中输出的测量信号是一个很微弱且不十分稳定的信号。需要经过一系列的预处理之后，才能进行AD转换输入单片机。信号预处理的过程一般包括放大、滤波和隔离等步奏。这部分电路是为后面能正常、准确地采集到检测信号做的准备。521初级放大电路初级放大电路是用来对微弱的检测信号进行放大的电路，采用的是运算放大器芯片LM324组成的反向放大器，放大倍数=10，电路如图5-2-1所示。放大器采用单电源供电, 由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出
34、信号与输入信号相位相反。按图中所给数值, Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数再选定Rf。Co和Ci为耦合电容。电路如图5-2-1所示 图5-2-1反相放大电路522线性光耦电路线性光耦电路是用来进行隔离的电路，其作用是使前后电路独立，从而减少相互之间的影响带来的干扰。为达到线性耦合的目的，系统中使用的是由线性光耦芯片HCNR201构成的耦合电路。电路如图5-2-2所示。 图5-2-2线性光耦电路HCNR201线性光耦芯片的光耦原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路进行反馈。这样,虽然
35、两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。芯片的1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。523滤波电路滤波电路则可以把检测信号中的高频部分滤去，使信号变得平滑，便于进行AD转换。系统中的这部分电路是利用运算放大器构成的低通放大器，电路如图5-2-3所示。 图4-2-3 滤波电路53检测信号的采集检测信号的采集工作是由AD转换芯片、单片机组成的电路完成的，并对单片机编写的程序控制采集的过程。531 AD转换电路系统中用到的AD转换芯片是TLC0831，它的典型
36、的应用电路如下图4-3-1所示。图4-3-1 TLC0831AD转换芯片的应用电路TLC0831是8位逐次逼近电压型A/D转换器，支持单信道输入串口输出，极性设置固定，不需寻址。其内部有一采样数据比较器将输入的摸拟信号微分比较后转换为数字信号。摸拟电压的差分输入方式有利于抑制共摸信号和减少或消除转换的偏移误差。而且，电压基准输入可调，使得小范围摸拟电压信号转化时的分辨率更高。由标准移位寄存器或微处理器将时间变化的数字信号分配到串口输出，当IN-接地时为单端工作，此时IN+为输入，也可将信号差分后输入到N+与N-之间，此时器件处于双端工作状态。其主要特点如下：(1) 8位分辨率；(2) 单信道差
37、分输入；(3) 5V的电源提供0-5V可调基准电压；(4) 输入输出可与TTL和MOS兼容；(5) 总失调误差为1SB532单片机电路系统中使用的单片机的型号为W78E58B，芯片引脚如图5-3-2所示。W78E58B是具有带 ISP功能的Flash EPROM的低功耗8位微控制器；ISP功能的 Flash EPROM可用于固件升级。它的指令集同标准8052指令集完全兼容。W78E58B包含32K字节的主ROM、4K字节的辅助 ROM。（位于 4K 字节辅助ROM中的装载（loader）程序，可以让用户更新位于32K主ROM中的程序内容。）512字节片内 RAM；4个8位双向、可位寻址的 I/
38、O 口；一个附加的4 位 I/O 口 P4；3个16位定时/计数器及一个串行口。这些外围设备都由有8个中断源和2级中断能力的中断系统支持。为了方便用户进行编程和验证，W78E58B内含的ROM允许电编程和电读写。一旦代码确定后，用户就可以对代码进行保护。图5-3-2 W78E58B引脚图W78E58B有两种节电模式，空闲模式和掉电模式，两种模式均可由软件来控制选择。空闲模式下，处理器时钟被关闭，但外设仍继续工作。在掉电模式下晶体振荡器停止工作，以将功耗降至最低。外部时钟可以在任何时间及状态下被关闭，而不影响处理器运行。W78E58B的体系结构包括一个外围有多个寄存器的核心控制器，4个通用 I/
39、O口，一个4位可编程特殊功能 I/O口，512字节的 RAM，3个定时器/计数器和一个串行口。处理器支持 111 条不同的操作码，并可访问64K的程序地址空间和64K的数据存储空间。W78E58B有512字节的片内RAM，它被分成了2个区，一个256字节的暂存RAM区，和一个256字节的辅助RAM区。这些RAM通过不同的方式寻址。地址为0H-7FH的RAM。这些RAM可以用与8051相同的直接或间接寻址方式来寻址。在选定的RAM区内，寻址指针是R0和R1。地址为80H-FFH的RAM 只能以与8051相同的间接寻址方式来寻址，在选定的RAM区内，寻址指针是R0和R1。定时器0、1、2 分别包含
40、2个8位数据寄存器。它们是定时器0下的TL0、TH0，定时器1 下的 TL1、TH1，定时器2下的 TL2、TH2。采集数据的工作流程图如图5-3-3所示：注入盐水采集检测电极1的数据容器是否装满？采集检测电极2的数据电导率是否符合标准？NoYes输出OUTPUT信号另作处理NoYes图5-3-3采集数据的工作流程图采集数据的程序用C51编写。（程序见附录二）系统的电路图如图：6统优化-提高系统的抗干扰能力自动检测系统在工作的过程中， 有时可能会出现某些不正常的现象，这表明存在着来自内部或外部的影响其正常工作的各种因素，尤其是被测信号很微弱时，问题就更加突出了。这样一些因素总称为干扰。干扰不仅
41、能使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至造成全系统无法正常工作，对生产造成损失和事故。而随着电子装置的小型化、集成化、数字化和智能化的迅速发展，干扰的抑制和排除工作就变得更为重要了。提高系统抗干扰的能力，首先应分析干扰产生的原因、干扰的引入方式及途径，才能有针对地的解决系统抗干扰的问题。61关于干扰6.1.1 干扰的分类研究干扰的分类是为了让我们更好地了解各种干扰产生的原因，从而学会分析系统中出现的或可能出现干扰的成因，在改进方案时做到追根溯源，对症下药。外部干扰：由于系统工作的外部环境所造成的干扰。主要有温度、光、湿度和化学变化等产生的干扰。这些干扰对于要求高测量精度的系统来说是必须
42、设法控制的。内部干扰：由系统内部的各种元器件、信道、负载和电源等引起的各种干扰。常见的有信号通道干扰，电源干扰和数字电路干扰。6.1.2干扰的引入途径 研究干扰的引入途径是因为噪声要通过一定的途径侵入传感器装置才会对测量结果造成影响，因此我们只有了解了干扰的这些引入途径和作用方式，才能有效地切断这些途径，以达到消除、抑制干扰的目的。干扰的引入途径主要有从“路”引入和从“场”引入两种形式。从“路”引入的干扰(1) 漏电流耦合形成的干扰：它是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的。漏电流耦合干扰经常发生的情况如下：当用传感器测量较高的直流电压时；在传感器附近有较高的直流电压时；在高输入阻抗的
43、直流放大电路中；(2) 传导耦合形成的干扰：噪声是经导线耦合到电路中去的，是最明显的干扰现象。当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线送到电路而造成干扰。传导耦合的主要现象是噪声经电源线传到电路中来，通常交流供电线路在生产现场的分布，实际上构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声可十分方便地以电路传导的形式传到各处，并经过电源引入线进入各种电子装置，造成干扰。实践证明，经电源线引入电子装置的干扰无论从广泛性和严重性来说都十分明显，但常常被人们忽视。(3) 共阻抗耦合形成的干扰：共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，当一个电路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另一个电路上产生的电压。例如，几个电路由
44、同一个电源供电时，会通过电源内阻相互干扰，在放大极通过接地线电阻相互干扰。从“场”引入的干扰(1) 静电耦合形成的干扰：电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于在两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响另一个电路。当有几个噪声源同时经静电耦合干扰同意接受电路时，只要是现行电路，就可以使用叠加远离分别对格在生源干扰进行分析。(2) 电磁耦合形成的干扰：电磁耦合又称互感耦合，它是由于在两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁铰链会影响到另一个电路，例如在传感器内部线圈或变压器的漏磁是对邻近电路的一种很严重的干扰，在电子装置外部线圈在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁耦合干扰。(3
45、) 辐射电磁场耦合形成的干扰：辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备，管波发射台，电视发射台等，如果再辐射电磁场中方只一个导体，则在导体上产生正比强电磁场强度的感应电动势，输配电线路，特别是架空输配电线路都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并且通过供电线路侵入传感器，造成干扰，在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器外壳或传感器内壁尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电动势，例如，当中波广播发射的垂直极化波的强度为100mV/m、长度为10cm的垂直导体可以产生5mV的感应电动势。6.1.3干扰的量度与计算各种干扰在传感器系统的输出端往往反映为一些与检测量无关的电信号，这些无用的电信号称为噪声，当噪声达到检测电路无法正常工作时，该噪声电压称为干扰电压。信噪比在测量过程中，人们不希望有噪声，但是人们
