專利名稱：一種水質(zhì)pH值智能變送裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水質(zhì)pH值智能變送裝置，尤其涉及一種適用于 集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)pH值網(wǎng)絡(luò)化智能變送裝置。
背景技術(shù)：
酸堿度值是反應(yīng)水溶液性質(zhì)的重要電化學(xué)參數(shù)，而溫度又對(duì)酸堿 度有至關(guān)重要的影響。因此監(jiān)測(cè)和控制影響水體環(huán)境正常進(jìn)行的水質(zhì) 參數(shù)具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
由于我國(guó)在水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚，在實(shí)際工作中，大 量釆用的監(jiān)測(cè)手段仍然是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室手工分析方法，測(cè)試數(shù)據(jù)滯后 數(shù)小時(shí)甚至更多。對(duì)于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中使用的監(jiān)測(cè)儀器，主要以 傳統(tǒng)的兩線制變送器為主。目前我國(guó)已先后研制和生產(chǎn)了各種型號(hào)的 工業(yè)pH計(jì)。但普遍存在造價(jià)高、功能單一、無(wú)法和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系 統(tǒng)連接的問(wèn)題。隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，測(cè)控儀 表正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展。同時(shí)，我國(guó)許多行業(yè) 的高端儀表巿場(chǎng)，幾乎全部被國(guó)外公司所占領(lǐng)。因此，研制一種水質(zhì) pH值智能變送器，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和巿場(chǎng)前景。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述造價(jià)高、功能單一、無(wú)法和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)連接的 問(wèn)題，本發(fā)明提供一種智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的水質(zhì)pH值智能變 送裝置。
本發(fā)明釆用的技術(shù)方案如下
一種水質(zhì)pH值智能變送裝置，該裝置包括
p
H探頭，選用工業(yè)在線pH探頭，用于釆集待測(cè)水質(zhì)的pH信號(hào)；
溫度探頭，選用具有一定精度的溫度敏感元件，用于釆集所述待測(cè)水質(zhì)的溫度信號(hào)；
變送調(diào)理模塊，將所述pH探頭和溫度探頭采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)
準(zhǔn)pH模擬信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)溫度模擬信號(hào)；
A/D轉(zhuǎn)換模塊，將標(biāo)準(zhǔn)pH模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為pH數(shù)字信號(hào)，將標(biāo)準(zhǔn)溫 度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)字信號(hào)，并將pH數(shù)字信號(hào)和溫度數(shù)字信號(hào) 傳送至微處理模塊；
所述微處理模塊，根據(jù)接收的溫度數(shù)字信號(hào)，對(duì)pH數(shù)字信號(hào)進(jìn) 行校正；
電子數(shù)據(jù)表格模塊，與微處理模塊相連，供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器識(shí)別
水質(zhì)pH值智能變送裝置。
其中，該裝置還包括
總線接口模塊，用于水質(zhì)pH值智能變送裝置與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
其中，所述pH探頭和所述溫度探頭為復(fù)合探頭。
其中，所述電子數(shù)據(jù)表格模塊包括
設(shè)備表格子模塊，用于存儲(chǔ)所述水質(zhì)pH值智能變送裝置的產(chǎn)品 號(hào)、地址、通道數(shù)、版本信息；
通道表格子模塊，用于存儲(chǔ)pH探頭和溫度探頭的參數(shù)。
其中，所述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器通過(guò)讀取所述通道表格子模塊識(shí)別所 述pH探頭和所述溫度探頭。
其中，所述電子數(shù)據(jù)表格模塊還包括
標(biāo)定表格子模塊，用于存儲(chǔ)采集的pH信號(hào)受溫度影響的參數(shù)。
其中，所述微處理模塊讀取所述標(biāo)定表格子模塊，對(duì)測(cè)量的pH 值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
其中，所述變送調(diào)理模塊，包括兩個(gè)同相放大器和一個(gè)差分放 大器，用于對(duì)采集的pH信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行阻抗變換與信號(hào)放大。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)智能化和標(biāo)準(zhǔn)化?；谕瑫r(shí)測(cè)量的溫度和 酸堿度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償功能，提供測(cè)量準(zhǔn)確性；通過(guò)電子數(shù)據(jù)表格進(jìn) 行傳感器數(shù)據(jù)的讀入和執(zhí)行器參數(shù)的設(shè)定，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的"即插 即用"。


圖l是本發(fā)明水質(zhì)pH值智能變送裝置原理示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例的水質(zhì)pH值智能變送裝置原理示意圖3是本發(fā)明變送調(diào)理模塊的電子線路圖4是本發(fā)明微處理器與RS485接口芯片LBC184的通信示意圖5是本發(fā)明主程序流程圖。
圖中10、 pH探頭；15、溫度探頭；20、變送調(diào)理模塊；25、 電源調(diào)理模塊；30、 A/D轉(zhuǎn)換模塊；35、電源管理模塊；40、微處理 模塊；50、電子數(shù)據(jù)表格模塊；60、總線接口模塊。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖1和圖2對(duì)本發(fā)明 一種水質(zhì)pH值智能變送器的具體 實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
如圖l所示，本發(fā)明的水質(zhì)pH值智能變送裝置包括pH探頭10, 溫度探頭15,變送調(diào)理模塊20, A/D轉(zhuǎn)換模塊25，微處理模塊40,電 子數(shù)據(jù)表格模塊50，總線接口模塊60，其中，pH探頭10和溫度探頭 15構(gòu)成傳感器模塊，變送調(diào)理模塊20， A/D轉(zhuǎn)換模塊30，微處理模塊 40,電子數(shù)據(jù)表格模塊50構(gòu)成智能變送裝置接口模塊STIM (Smart Transducer Interface Module )。
pH探頭和溫度探頭用于測(cè)量集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)水質(zhì)的pH值和溫 度值，兩個(gè)探頭集成為一個(gè)總的溫度pH值傳感器，同時(shí)對(duì)一個(gè)測(cè)點(diǎn) 進(jìn)行溫度和酸堿度測(cè)量，保證被測(cè)點(diǎn)位置上的同一性和參數(shù)在時(shí)間上 的實(shí)時(shí)性，適應(yīng)自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的檢測(cè)要求。
本實(shí)施例中，釆用的pH探頭和溫度傳感器參數(shù)如下pH探頭型號(hào)為pH-1074玻璃電極，量程為0-10pH，分辨率為0.01pH，基本誤差為士0.03pH;溫度傳感器感應(yīng)頭型號(hào)為Pt1OO，量程為0-100℃，精度為0.3℃。
變送調(diào)理模塊20，變送調(diào)理模塊20主要作用是把不同性質(zhì)的、不 同輸入阻抗信號(hào)通過(guò)放大、濾波等電子技術(shù)變換到標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。由 于水質(zhì)pH探頭具有高輸出阻抗特性，微弱信號(hào)的特點(diǎn)，因此，本發(fā) 明的變送調(diào)理模塊20的變送調(diào)理電路如圖3所示，變送調(diào)理電路由集 成電路U1 集成電路U3、 R1 R9連接構(gòu)成。pH探頭輸出信號(hào)通過(guò)Rl 從集成電路U1的同相輸入端(IN1)輸入、溫度傳感器輸出信號(hào)通過(guò) R4從集成電路U2的同相輸入端(IN2)輸入。集成電路U1的反相輸入 端通過(guò)R2接集成電路U2的反相輸入端并通過(guò)R3接集成電路U1的輸 出端、集成電路U1的輸出端通過(guò)R6接集成電路U3的反相輸入端并通 過(guò)R8接集成電路U3的輸出端，集成電路U2的反相輸入端通過(guò)R5接集 成電路U2的輸出端、集成電路U2的輸出端通過(guò)R7接集成電路U3的同 相輸入端并通過(guò)R9接地。集成電路U1與R1、 R2、 R3連接成一個(gè)同相 放大器，集成電路U2與R2、 R4、 R5連接成一個(gè)同相放大器，這樣就 可以保證輸入信號(hào)不受電阻變化影響。集成電路U3與R6、 R7、 R8、 R9連接構(gòu)成差動(dòng)放大器，可獲得較高共模抑制比，增強(qiáng)了放大器的抗 干擾能力，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境。
上述變送調(diào)理模塊20同時(shí)連接上述pH探頭和溫度傳感器，同步 變送釆集兩路信號(hào)，利用微處理器自動(dòng)校準(zhǔn)通道差異，提高pH值變 送裝置的一致性，同時(shí)利用同步獲取的溫度信號(hào)，自動(dòng)補(bǔ)償pH測(cè)量 值，提高pH值測(cè)量精度。
A/D轉(zhuǎn)換模塊30和微處理模塊40， A/D轉(zhuǎn)換模塊主要用于將標(biāo)準(zhǔn) 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，微處理模塊對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算 和存儲(chǔ)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的集成度，本發(fā)明釆用美國(guó)TI公司的MSP430 作為主控芯片。MSP430單片機(jī)具有12位8路A/D轉(zhuǎn)換器功能，使得系統(tǒng)的硬件電路更加集成化、小型化。并且轉(zhuǎn)換后的結(jié)果在微控制器內(nèi) 部進(jìn)行，根據(jù)溫度、酸堿度之間的相互影響進(jìn)行擬合，通過(guò)軟件的方 法來(lái)消除傳感器自身由于工作環(huán)境改變而引起的變化，因此數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。
電源調(diào)理模塊25,如圖3所示，本發(fā)明還設(shè)有電源調(diào)理模塊25， 該模塊直接輸入供電電壓，通過(guò)電阻分壓方法，滿足A/D轉(zhuǎn)換模塊輸 入電壓要求，為供電狀況自診斷提供依據(jù)。設(shè)置電源管理模塊35， 一 方面通過(guò)穩(wěn)壓電路提高輸入電壓適應(yīng)范圍，增強(qiáng)芯片電壓的穩(wěn)定性， 另一方面與微處理模塊40配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路各模塊的脈沖式供 電，使水質(zhì)pH值智能變送裝置在超低功耗下運(yùn)行。
總線接口模塊60,本發(fā)明設(shè)計(jì)了RS485、 CAN和SDI-12三種總線 連接。下面以RS485為例，介紹一下單片機(jī)MSP430與RS485接口芯片 LBC184的連接與通訊。由于CPU不能直接與RS485接口連接，因此還 須加上RS232C與RS485的轉(zhuǎn)換電路。RS232C與RS485轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的 一 種RS485接口芯片SN75LBC184芯片。 SN75LBC184采用單一電源Vcc，電壓在+3 ~十5.5V范圍內(nèi)都能正常工 作。
圖4是本發(fā)明微處理器與RS485接口芯片LBC184的通信示意圖。 選用PC機(jī)的COM2接口，但COM2的9個(gè)端口只使用其中的RTS、 RXD 、 TXD與GND四個(gè)端口，以構(gòu)成簡(jiǎn)易的四線通信線路。四位一 體的光電耦合器TLP521讓單片機(jī)與SN75LBC184芯片之間完全沒有 了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性質(zhì)?；竟ぷ髟懋?dāng)單片機(jī)P3.4i 時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓 (+5V),選中RS-485接口芯片的DE端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)P3.44 時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電 壓(OV),選中RS-485接口芯片的RE端，允許接收。SN75LBC184的 R端(接收端)和D端(發(fā)送端)的原理與上述類似?？紤]到線路的 特殊情況(如某一節(jié)點(diǎn)的RS-485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其 他分機(jī)的通信受到影響，在SN75LBC184的信號(hào)輸出端串聯(lián)了 2個(gè)20 n 的電阻R1和R5,這樣本發(fā)明的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受 到影響。在應(yīng)用工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特 性阻抗為120Q左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端 和末端應(yīng)接一個(gè)與120Q的匹配電阻R3，以減少線路上傳輸信號(hào)的反 射。
電子數(shù)據(jù)表格模塊50，與微處理模塊40相連，電子數(shù)據(jù)表格TEDS (Transducer Electronic Datasheet )完整定義了智能變送裝置接口模塊 的各個(gè)部分邏輯信息存儲(chǔ)和互操作格式，也是對(duì)STIM各通道傳感器 數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的變送裝置自身帶有內(nèi) 部信息，包括制造商、數(shù)據(jù)代碼、序列號(hào)、使用的極限以及標(biāo)準(zhǔn)系 數(shù)等。當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，這些數(shù)據(jù)可以提供給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器NCAP (Network Capable Application Porcessor)以及系統(tǒng)其他部分。TEDS 把對(duì)傳感器的標(biāo)定，以及數(shù)據(jù)的校正等工作轉(zhuǎn)化為微處理器承擔(dān)的例 行任務(wù)，它是智能傳感器自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償?shù)戎悄芄δ艿幕A(chǔ)。NCAP 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，STIM的控制和信號(hào)處理等功能。
TEDS分為8個(gè)可尋址部分，其中兩個(gè)必備的電子數(shù)據(jù)表格是設(shè) 備電子數(shù)據(jù)表格Meta-TEDS和通道電子數(shù)據(jù)表格Channel-TEDS，其 余可按需選擇。Meta-TEDS，描繪TEDS信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及支持的通 道數(shù)和通道極限時(shí)間參數(shù)等有關(guān)STIM的總體信息；每個(gè)STIM通道 包括1個(gè)Channel-TEDS,主要用來(lái)對(duì)每個(gè)通道具體信息，如描述通 道物理屬性、糾正類型、返回?cái)?shù)據(jù)類型和格式通道的定時(shí)信息等。由 于用到傳感器自校正功能，故此發(fā)明也用到標(biāo)定電子數(shù)據(jù)表格 Calibration-TEDS。 一般TEDS占用的存儲(chǔ)空間較小，用單片機(jī)中 FLASH是存放TEDS最理想的地方。
由于Meta-TEDS和Channel-TEDS都是只讀不可修改的，因此，可以將這兩個(gè)表格隨程序直接固化到MSP430內(nèi)部集成的FLASH作 為TEDS的存儲(chǔ)器。通過(guò)片內(nèi)存儲(chǔ)器映射器來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)寄存器組并保 存數(shù)據(jù)。通過(guò)控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)各種讀、寫擦除和校驗(yàn)操作。而 Calibration-TEDS等電子數(shù)據(jù)表格是可以修改的，用戶可以讀取下載 這些表格。因此，設(shè)計(jì)釆用EEPROM作為Calibration-TEDS等表格 的存儲(chǔ)空間。本發(fā)明為了方便TEDS內(nèi)容的升級(jí)與更新，釆用異步串 行口來(lái)下載電子數(shù)據(jù)表格至MSP430片內(nèi)FLASH。
如圖5所示，NCAP檢測(cè)到STIM之后，首先讀取Meta-TEDS, Meta-TEDS存儲(chǔ)了水質(zhì)pH值智能變送裝置的產(chǎn)品號(hào)、地址、通道數(shù)、 版本等整體信息，NCAP讀取并解析這些數(shù)據(jù)后就能夠識(shí)別STIM， 若STIM存在傳感器通道，則讀取各通道的Channel-TEDS, Channel-TEDS存儲(chǔ)了出廠前標(biāo)定號(hào)的有關(guān)通道的所有參數(shù)，NCAP 解析通道的所有參數(shù)，就能夠識(shí)別連接在STIM上的所有傳感器，進(jìn) 而完成傳感器的即插即用。
本發(fā)明的工作原理pH探頭和溫度傳感器輸出微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)具有由電阻分壓原理實(shí)現(xiàn)的調(diào)零電路、高阻抗的差分輸入放大電 路、濾波電路構(gòu)成的變送調(diào)理模塊將pH探頭和溫度傳感器輸出的 mV級(jí)信號(hào)放大到0-3.3V信號(hào)，再經(jīng)取樣產(chǎn)生電壓信號(hào)輸入到微控制 器MSP430片內(nèi)的ADC， ADC對(duì)相應(yīng)通道數(shù)模轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)于RAM 中，然后通過(guò)總線接口將數(shù)據(jù)讀入NCAP?？偩€接口連接了熱拔插電路，可以實(shí)現(xiàn)STIM的熱拔插。
權(quán)利要求
1、一種水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于，該裝置包括pH探頭，選用工業(yè)在線pH探頭，用于采集待測(cè)水質(zhì)的pH信號(hào)；溫度探頭，選用具有一定精度的溫度敏感元件，用于采集所述待測(cè)水質(zhì)的溫度信號(hào)；變送調(diào)理模塊，將所述pH探頭和溫度探頭采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)pH模擬信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)溫度模擬信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換模塊，將標(biāo)準(zhǔn)pH模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為pH數(shù)字信號(hào)，將標(biāo)準(zhǔn)溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)字信號(hào)，并將pH數(shù)字信號(hào)和溫度數(shù)字信號(hào)傳送至微處理模塊；所述微處理模塊，根據(jù)接收的溫度數(shù)字信號(hào)，對(duì)pH數(shù)字信號(hào)進(jìn)行校正；電子數(shù)據(jù)表格模塊，與微處理模塊相連，供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器識(shí)別水質(zhì)pH值智能變送裝置。
2、 如權(quán)利要求l所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于， 還包括總線接口模塊，用于水質(zhì)pH值智能變送裝置與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3、 如權(quán)利要求l所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于， 所述pH探頭和所述溫度探頭為復(fù)合探頭。
4、 如權(quán)利要求l所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于， 所述電子數(shù)據(jù)表格模塊包括設(shè)備表格子模塊，用于存儲(chǔ)所述水質(zhì)pH值智能變送裝置的產(chǎn)品 號(hào)、地址、通道數(shù)、版本信息；通道表格子模塊，用于存儲(chǔ)pH探頭和溫度探頭的參數(shù)。
5、 如權(quán)利要求4所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于， 所述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器通過(guò)讀取所述通道表格子模塊識(shí)別所述pH探頭和所述溫度探頭。
6、 如權(quán)利要求4所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于， 所述電子數(shù)據(jù)表格模塊還包括標(biāo)定表格子模塊，用于存儲(chǔ)釆集的pH信號(hào)受溫度影響的參數(shù)。
7、 如權(quán)利要求6所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于, 所述微處理模塊讀取所述標(biāo)定表格子模塊，對(duì)測(cè)量的pH值進(jìn)行溫度 補(bǔ)償。
8、 如權(quán)利要求l所述的水質(zhì)pH值智能變送裝置，其特征在于, 所述變送調(diào)理模塊，包括兩個(gè)同相放大器和一個(gè)差分放大器，用于 對(duì)釆集的pH信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行阻抗變換與信號(hào)放大。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)我國(guó)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖急需應(yīng)用水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，研制一種面向集約化水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的水質(zhì)pH值智能變送裝置。該智能變送裝置集成水質(zhì)參數(shù)信號(hào)調(diào)理技術(shù)、變送技術(shù)，直接接入水溫、酸堿度傳感器探頭信號(hào)，內(nèi)嵌高性能微處理器，在探頭信號(hào)采集的基礎(chǔ)上，不僅利用自校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)pH值自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能，而且采用IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)提出的智能網(wǎng)絡(luò)接口模型，實(shí)現(xiàn)智能變送器的自診斷與即插即用功能。推進(jìn)水質(zhì)pH變送裝置向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化方向發(fā)展，提升集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)水平。
文檔編號(hào)C02F1/66GK101343104SQ20081011906
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者倩 劉, 李道亮, 段青玲, 王劍秦, 賀東仙, 馬道坤 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)