专利名称：一种水质pH值智能变送装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水质pH值智能变送装置，尤其涉及一种适用于 集约化水产养殖水质pH值网络化智能变送装置。
背景技术：
酸碱度值是反应水溶液性质的重要电化学参数，而温度又对酸碱 度有至关重要的影响。因此监测和控制影响水体环境正常进行的水质 参数具有重大的理论和现实意义。
由于我国在水质在线自动监测技术起步较晚，在实际工作中，大 量釆用的监测手段仍然是传统的实验室手工分析方法，测试数据滞后 数小时甚至更多。对于水质自动监控系统中使用的监测仪器，主要以 传统的两线制变送器为主。目前我国已先后研制和生产了各种型号的 工业pH计。但普遍存在造价高、功能单一、无法和现场总线控制系 统连接的问题。随着控制、计算机、通信和网络的不断发展，测控仪 表正朝着智能化、网络化、集成化的方向发展。同时，我国许多行业 的高端仪表巿场，几乎全部被国外公司所占领。因此，研制一种水质 pH值智能变送器，具有广泛的应用价值和巿场前景。
发明内容
为解决上述造价高、功能单一、无法和现场总线控制系统连接的 问题，本发明提供一种智能化、网络化、集成化的水质pH值智能变 送装置。
本发明釆用的技术方案如下
一种水质pH值智能变送装置，该装置包括
p
H探头，选用工业在线pH探头，用于釆集待测水质的pH信号；
温度探头，选用具有一定精度的温度敏感元件，用于釆集所述待测水质的温度信号；
变送调理模块，将所述pH探头和温度探头采集的信号转换为标
准pH模拟信号和标准温度模拟信号；
A/D转换模块，将标准pH模拟信号转换为pH数字信号，将标准温 度模拟信号转换为温度数字信号，并将pH数字信号和温度数字信号 传送至微处理模块；
所述微处理模块，根据接收的温度数字信号，对pH数字信号进 行校正；
电子数据表格模块，与微处理模块相连，供网络应用处理器识别
水质pH值智能变送装置。
其中，该装置还包括
总线接口模块，用于水质pH值智能变送装置与网络应用处理器 之间进行数据交换。
其中，所述pH探头和所述温度探头为复合探头。
其中，所述电子数据表格模块包括
设备表格子模块，用于存储所述水质pH值智能变送装置的产品 号、地址、通道数、版本信息；
通道表格子模块，用于存储pH探头和温度探头的参数。
其中，所述网络应用处理器通过读取所述通道表格子模块识别所 述pH探头和所述温度探头。
其中，所述电子数据表格模块还包括
标定表格子模块，用于存储采集的pH信号受温度影响的参数。
其中，所述微处理模块读取所述标定表格子模块，对测量的pH 值进行温度补偿。
其中，所述变送调理模块，包括两个同相放大器和一个差分放 大器，用于对采集的pH信号和温度信号进行阻抗变换与信号放大。
本发明的优点和有益效果在于
本发明的优点在于实现智能化和标准化。基于同时测量的温度和 酸碱度，实现自动补偿功能，提供测量准确性；通过电子数据表格进 行传感器数据的读入和执行器参数的设定，能够实现传感器的"即插 即用"。
图l是本发明水质pH值智能变送装置原理示意图2是本发明实施例的水质pH值智能变送装置原理示意图3是本发明变送调理模块的电子线路图4是本发明微处理器与RS485接口芯片LBC184的通信示意图5是本发明主程序流程图。
图中10、 pH探头；15、温度探头；20、变送调理模块；25、 电源调理模块；30、 A/D转换模块；35、电源管理模块；40、微处理 模块；50、电子数据表格模块；60、总线接口模块。
具体实施例方式
下面参照附图1和图2对本发明 一种水质pH值智能变送器的具体 实施方式进行说明。
如图l所示，本发明的水质pH值智能变送装置包括pH探头10, 温度探头15,变送调理模块20, A/D转换模块25，微处理模块40,电 子数据表格模块50，总线接口模块60，其中，pH探头10和温度探头 15构成传感器模块，变送调理模块20， A/D转换模块30，微处理模块 40,电子数据表格模块50构成智能变送装置接口模块STIM (Smart Transducer Interface Module )。
pH探头和温度探头用于测量集约化水产养殖场水质的pH值和温 度值，两个探头集成为一个总的温度pH值传感器，同时对一个测点 进行温度和酸碱度测量，保证被测点位置上的同一性和参数在时间上 的实时性，适应自动化监控技术的检测要求。
本实施例中，釆用的pH探头和温度传感器参数如下pH探头型号为pH-1074玻璃电极，量程为0-10pH，分辨率为0.01pH，基本误差为士0.03pH;温度传感器感应头型号为Pt1OO，量程为0-100℃，精度为0.3℃。
变送调理模块20，变送调理模块20主要作用是把不同性质的、不 同输入阻抗信号通过放大、滤波等电子技术变换到标准模拟信号。由 于水质pH探头具有高输出阻抗特性，微弱信号的特点，因此，本发 明的变送调理模块20的变送调理电路如图3所示，变送调理电路由集 成电路U1 集成电路U3、 R1 R9连接构成。pH探头输出信号通过Rl 从集成电路U1的同相输入端(IN1)输入、温度传感器输出信号通过 R4从集成电路U2的同相输入端(IN2)输入。集成电路U1的反相输入 端通过R2接集成电路U2的反相输入端并通过R3接集成电路U1的输 出端、集成电路U1的输出端通过R6接集成电路U3的反相输入端并通 过R8接集成电路U3的输出端，集成电路U2的反相输入端通过R5接集 成电路U2的输出端、集成电路U2的输出端通过R7接集成电路U3的同 相输入端并通过R9接地。集成电路U1与R1、 R2、 R3连接成一个同相 放大器，集成电路U2与R2、 R4、 R5连接成一个同相放大器，这样就 可以保证输入信号不受电阻变化影响。集成电路U3与R6、 R7、 R8、 R9连接构成差动放大器，可获得较高共模抑制比，增强了放大器的抗 干扰能力，能适应工业现场的复杂环境。
上述变送调理模块20同时连接上述pH探头和温度传感器，同步 变送釆集两路信号，利用微处理器自动校准通道差异，提高pH值变 送装置的一致性，同时利用同步获取的温度信号，自动补偿pH测量 值，提高pH值测量精度。
A/D转换模块30和微处理模块40， A/D转换模块主要用于将标准 模拟信号转化为数字信号，微处理模块对转换后的数字信号进行计算 和存储。为了增强系统的集成度，本发明釆用美国TI公司的MSP430 作为主控芯片。MSP430单片机具有12位8路A/D转换器功能，使得系统的硬件电路更加集成化、小型化。并且转换后的结果在微控制器内 部进行，根据温度、酸碱度之间的相互影响进行拟合，通过软件的方 法来消除传感器自身由于工作环境改变而引起的变化，因此数据客观准确。
电源调理模块25,如图3所示，本发明还设有电源调理模块25， 该模块直接输入供电电压，通过电阻分压方法，满足A/D转换模块输 入电压要求，为供电状况自诊断提供依据。设置电源管理模块35， 一 方面通过稳压电路提高输入电压适应范围，增强芯片电压的稳定性， 另一方面与微处理模块40配合，实现对硬件电路各模块的脉冲式供 电，使水质pH值智能变送装置在超低功耗下运行。
总线接口模块60,本发明设计了RS485、 CAN和SDI-12三种总线 连接。下面以RS485为例，介绍一下单片机MSP430与RS485接口芯片 LBC184的连接与通讯。由于CPU不能直接与RS485接口连接，因此还 须加上RS232C与RS485的转换电路。RS232C与RS485转换电路设计 选用美国TI公司生产的 一 种RS485接口芯片SN75LBC184芯片。 SN75LBC184采用单一电源Vcc，电压在+3 ~十5.5V范围内都能正常工 作。
图4是本发明微处理器与RS485接口芯片LBC184的通信示意图。 选用PC机的COM2接口，但COM2的9个端口只使用其中的RTS、 RXD 、 TXD与GND四个端口，以构成简易的四线通信线路。四位一 体的光电耦合器TLP521让单片机与SN75LBC184芯片之间完全没有 了电的联系，提高了工作的可靠性质。基本工作原理当单片机P3.4i 时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压 (+5V),选中RS-485接口芯片的DE端，允许发送。当单片机P3.44 时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电 压(OV),选中RS-485接口芯片的RE端，允许接收。SN75LBC184的 R端(接收端)和D端(发送端)的原理与上述类似。考虑到线路的 特殊情况(如某一节点的RS-485芯片被击穿短路)，为防止总线中其 他分机的通信受到影响，在SN75LBC184的信号输出端串联了 2个20 n 的电阻R1和R5,这样本发明的硬件故障就不会使整个总线的通信受 到影响。在应用工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特 性阻抗为120Q左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端 和末端应接一个与120Q的匹配电阻R3，以减少线路上传输信号的反 射。
电子数据表格模块50，与微处理模块40相连，电子数据表格TEDS (Transducer Electronic Datasheet )完整定义了智能变送装置接口模块 的各个部分逻辑信息存储和互操作格式，也是对STIM各通道传感器 数据进行校正的基础数据结构。 一个符合标准的变送装置自身带有内 部信息，包括制造商、数据代码、序列号、使用的极限以及标准系 数等。当系统通电时，这些数据可以提供给网络应用处理器NCAP (Network Capable Application Porcessor)以及系统其他部分。TEDS 把对传感器的标定，以及数据的校正等工作转化为微处理器承担的例 行任务，它是智能传感器自校准、自补偿等智能功能的基础。NCAP 实现网络数据通信，STIM的控制和信号处理等功能。
TEDS分为8个可寻址部分，其中两个必备的电子数据表格是设 备电子数据表格Meta-TEDS和通道电子数据表格Channel-TEDS，其 余可按需选择。Meta-TEDS，描绘TEDS信息、数据结构及支持的通 道数和通道极限时间参数等有关STIM的总体信息；每个STIM通道 包括1个Channel-TEDS,主要用来对每个通道具体信息，如描述通 道物理属性、纠正类型、返回数据类型和格式通道的定时信息等。由 于用到传感器自校正功能，故此发明也用到标定电子数据表格 Calibration-TEDS。 一般TEDS占用的存储空间较小，用单片机中 FLASH是存放TEDS最理想的地方。
由于Meta-TEDS和Channel-TEDS都是只读不可修改的，因此，可以将这两个表格随程序直接固化到MSP430内部集成的FLASH作 为TEDS的存储器。通过片内存储器映射器来访问数据寄存器组并保 存数据。通过控制寄存器来实现各种读、写擦除和校验操作。而 Calibration-TEDS等电子数据表格是可以修改的，用户可以读取下载 这些表格。因此，设计釆用EEPROM作为Calibration-TEDS等表格 的存储空间。本发明为了方便TEDS内容的升级与更新，釆用异步串 行口来下载电子数据表格至MSP430片内FLASH。
如图5所示，NCAP检测到STIM之后，首先读取Meta-TEDS, Meta-TEDS存储了水质pH值智能变送装置的产品号、地址、通道数、 版本等整体信息，NCAP读取并解析这些数据后就能够识别STIM， 若STIM存在传感器通道，则读取各通道的Channel-TEDS, Channel-TEDS存储了出厂前标定号的有关通道的所有参数，NCAP 解析通道的所有参数，就能够识别连接在STIM上的所有传感器，进 而完成传感器的即插即用。
本发明的工作原理pH探头和温度传感器输出微弱的电压信号，经过具有由电阻分压原理实现的调零电路、高阻抗的差分输入放大电 路、滤波电路构成的变送调理模块将pH探头和温度传感器输出的 mV级信号放大到0-3.3V信号，再经取样产生电压信号输入到微控制 器MSP430片内的ADC， ADC对相应通道数模转换后，存储于RAM 中，然后通过总线接口将数据读入NCAP。总线接口连接了热拔插电路，可以实现STIM的热拔插。
权利要求
1、一种水质pH值智能变送装置，其特征在于，该装置包括pH探头，选用工业在线pH探头，用于采集待测水质的pH信号；温度探头，选用具有一定精度的温度敏感元件，用于采集所述待测水质的温度信号；变送调理模块，将所述pH探头和温度探头采集的信号转换为标准pH模拟信号和标准温度模拟信号；A/D转换模块，将标准pH模拟信号转换为pH数字信号，将标准温度模拟信号转换为温度数字信号，并将pH数字信号和温度数字信号传送至微处理模块；所述微处理模块，根据接收的温度数字信号，对pH数字信号进行校正；电子数据表格模块，与微处理模块相连，供网络应用处理器识别水质pH值智能变送装置。
2、 如权利要求l所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于， 还包括总线接口模块，用于水质pH值智能变送装置与网络应用处理器 之间进行数据交换。
3、 如权利要求l所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于， 所述pH探头和所述温度探头为复合探头。
4、 如权利要求l所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于， 所述电子数据表格模块包括设备表格子模块，用于存储所述水质pH值智能变送装置的产品 号、地址、通道数、版本信息；通道表格子模块，用于存储pH探头和温度探头的参数。
5、 如权利要求4所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于， 所述网络应用处理器通过读取所述通道表格子模块识别所述pH探头和所述温度探头。
6、 如权利要求4所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于， 所述电子数据表格模块还包括标定表格子模块，用于存储釆集的pH信号受温度影响的参数。
7、 如权利要求6所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于, 所述微处理模块读取所述标定表格子模块，对测量的pH值进行温度 补偿。
8、 如权利要求l所述的水质pH值智能变送装置，其特征在于, 所述变送调理模块，包括两个同相放大器和一个差分放大器，用于 对釆集的pH信号和温度信号进行阻抗变换与信号放大。
全文摘要
本发明针对我国集约化水产养殖急需应用水质自动监测技术的现状，研制一种面向集约化水质监测应用的水质pH值智能变送装置。该智能变送装置集成水质参数信号调理技术、变送技术，直接接入水温、酸碱度传感器探头信号，内嵌高性能微处理器，在探头信号采集的基础上，不仅利用自校准技术实现pH值自动温度补偿功能，而且采用IEEE1451标准提出的智能网络接口模型，实现智能变送器的自诊断与即插即用功能。推进水质pH变送装置向智能化、网络化、微型化方向发展，提升集约化水产养殖水质监测水平。
文档编号C02F1/66GK101343104SQ20081011906
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者倩 刘, 李道亮, 段青玲, 王剑秦, 贺东仙, 马道坤 申请人:中国农业大学