一种水溶液的电阻率采样电路的制作方法

本发明属于水质检测技术领域，具体涉及一种水溶液的电阻率采样电路。

背景技术：

随着社会发展的不断进步，无论是在工业还是生活方面，人们对于水质的要求日益提高，水的电导率是评价水质的一个重要指标，而水溶液的电阻率是推算水溶液的电导率的重要依据；但是由于水溶液的电阻率会受到很多方面的影响，人们目前使用的水溶液电阻率检测装置的检测值往往不稳定且误差较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过稳定方波信号进行水溶液的电阻率精密检测的电路。

本发明包括稳压模块、电压反向模块、单片机、方波产生模块、电压比较模块、方波切档输出模块、电压跟随模块、电导电极、信号放大模块和模拟量输出模块。所述的稳压模块通过稳压芯片将外部输入的3.3v电压稳压到2.5v提供给单片机、方波产生模块及电压反向模块。所述的电压反向模块将稳压模块提供的2.5v电压转化为-2.5v提供给方波产生模块；所述的方波产生模块在单片机的控制下通过第一逻辑芯片产生第一方波信号，并通过电阻分压的方式得到与第一方波信号峰值不同且周期相等的第二方波信号和第三方波信号。所述的单片机控制电压比较模块向方波切档输出模块发送指令；所述的方波切档输出模块选择第一方波信号、第二方波信号或第三方波信号中的一个作为第四方波信号传输到电压跟随模块。所述的电压跟随模块产生一个与第四方波信号波形完全相同的第五方波信号并传输给电导电极。第五方波信号经过电导电极后降压为第六方波信号并输入信号放大模块；所述的信号放大模块将第六方波信号放大为第七方波信号。所述的模拟量输出模块将第七方波信号转化为直流电压信号传输给单片机。

所述的电压比较模块包括双运算放大器；双运算放大器由第二运算放大器和第三运算放大器组成。所述的第二运算放大器的正向输出端接第八电阻r8的一端；第八电阻r8的另一端接单片机的第二管脚；第二运算放大器的正供电电压端接第六电容c6的一端及5v电压；第六电容c6的另一端接地；第二运算放大器的负供电电压端接地。第二运算放大器的反向输出端接第十电阻r10的一端；第十电阻r10的另一端接第十一电阻r11、第九电阻r9及第十三电阻r13的一端；第九电阻r9的另一端接5v电压；第十一电阻r11的另一端接地；第十三电阻r13的另一端接第三运算放大器的反向输入端。第三运算放大器的正向输入端接第十二电阻r12的一端；第十二电阻r12的另一端接单片机的第三管脚；第二运算放大器的输出端即电压比较模块的第一输出端；第三运算放大器的输出端即电压比较模块的第二输出端。

所述的方波切档输出模块包括第二逻辑芯片；所述的第二逻辑芯片采用74hc4052d逻辑芯片。第二逻辑芯片的x3、y0、y1、y2、y3、vss及ycom管脚均接地。第二逻辑芯片的vdd管脚接第七电容c7的一端及5v电压；第七电容c7的另一端接地；第二逻辑芯片的vee管脚接第八电容c8的一端及-5v电压；第八电容c8的另一端接地。第二逻辑芯片的x0管脚接方波产生模块的第一方波信号输出端；第二逻辑芯片的x1管脚接方波产生模块的第二方波信号输出端；第二逻辑芯片的x2管脚接方波产生模块的第三方波信号输出端；第二逻辑芯片的xcom管脚即方波切档输出模块的输出端。

所述的双运算放大器采用lm358dr双运算放大器。

所述的稳压模块包括稳压芯片，所述的稳压芯片采用tl431acdbzr稳压芯片。第一电阻r1的一端接3.3v电压，另一端接稳压芯片的阴极、参考极及第一电容c1的一端；稳压芯片阳极及第一电容c1的另一端均接地；稳压芯片的阴极即稳压模块的输出端。

所述的电压反向模块包括第一运算放大器；所述的第一运算放大器的反向输入端接第三电阻r3及第二电阻r2的一端，第三电阻r3的另一端接稳压模块的输出端；第二电阻r2的另一端接第一运算放大器的输出端。第一运算放大器的正向输入端接第四电阻r4的一端，第四电阻r4的另一端接地；第一运算放大器的正供电电压端接第三电容c3的一端及5v电压，第三电容c3的另一端接地；第一运算放大器的负供电电压端接第二电容c2的一端及-5v电压；第二电容c2的另一端接地。第一运算放大器的输出端即电压反向模块的输出端。

所述的单片机采用stm8l052r8单片机。单片机的vdd1、vdd2、vdd3及vdda管脚接3.3v电压；单片机的vref+管脚接稳压模块的输出端vout1，单片机的vss1、vss2、vss3及vssa管脚接地。

所述的方波产生模块包括第一逻辑芯片；所述的第一逻辑芯片采用74hc4053d逻辑芯片。第一逻辑芯片的a、c、y1c、y0c、y1a、y0a、vss、yc及ya管脚均接地；第一逻辑芯片的b管脚接单片机的第一管脚，单片机的第一管脚具有pwm输出功能；第一逻辑芯片的y1b管脚接稳压模块的输出端；第一逻辑芯片的y0b管脚接电压反向模块的输出端；第一逻辑芯片的vdd管脚接第四电容c4的一端及5v电压；第四电容c4的另一端接地。第一逻辑芯片的vee管脚接第五电容c5的一端及-5v电压；第五电容c5的另一端接地。第一逻辑芯片的yb管脚接第五电阻r5的一端；第五电阻r5的另一端接第六电阻r6的一端；第六电阻r6的另一端接第七电阻r7的一端；第七电阻r7的另一端接地。第一逻辑芯片的yb管脚即方波产生模块的第一方波信号输出端；第五电阻r5接第六电阻r6的那端即方波产生模块的第二方波信号输出端；第六电阻r6接第七电阻r7的那端即方波产生模块的第三方波信号输出端。

所述的电压跟随模块包括第四运算放大器。所述第四运算放大器的正向输入端接第十四电阻r14的一端及方波切档输出模块的输出端；第十四电阻r14的另一端接地。第四运算放大器的反向输入端与输出端相连。第四运算放大器的正供电电压端接第十电容c10的一端及5v电压；第十电容c10的另一端接地；第四运算放大器的负供电电压端接第九电容c9的一端及-5v电压；第九电容c9的另一端接地。第四运算放大器的输出端即电压跟随模块的输出端。

所述的信号放大模块包括第五运算放大器。所述第五运算放大器的正向输入端经过第十六电阻r16接地。第五运算放大器反向输入端接第十五电阻r15的一端及电导电极的输出端；第十五电阻r15的另一端接第五运算放大器的输出端。第五运算放大器的输出端即信号放大模块的输出端。

所述的模拟量输出模块包括第六运算放大器及第七运算放大器。所述的第六运算放大器的正向输入端接地；第六运算放大器的反向输入端接第二十三电阻r23、第十九电阻r19的一端及第一二极管d1的负极；第十九电阻r19的另一端接第二二极管d2的正极；第二十三电阻r23的另一端接第十七电阻r17的一端及信号放大模块的输出端；第十七电阻r17的另一端接第二十四电阻r24的一端及第七运算放大器的反向输入端；第二十四电阻r24的另一端接第二二极管d2的正极；第二二极管d2的负极接第六运算放大器的输出端及第一二极管d1的正极。所述的第七运算放大器的正向输入端接第二十五电阻r25及第二十二电阻r22的一端；第二十五电阻r25的另一端接地；第二十二电阻r22的另一端接-5v电压。第七运算放大器的负向输入端接第十八电阻r18及第十一电容c11的一端；第十八电阻r18及第十一电容c11的另一端均接第七运算放大器的输出端及第二十电阻r20的一端；第二十电阻r20的另一端接第二十一电阻r21及第十二电容c12的一端；第十二电容c12的另一端接地；第二十一电阻r21的另一端接第十三电容c13的一端及单片机的第四管脚，单片机的第四管脚具有a/d转换功能；第十三电容c13的另一端接地。

所述的电导电极采用不锈钢电导电极；电导电极的一端接电压跟随模块的输出端，另一端即电导电极的输出端。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明抗干扰能力强，能够稳定且精准地检测水溶液的电阻率。

2、本发明能够自动切换至合适的采样方波进行电阻率检测。

3、本发明使用范围广，检测精准。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中稳压模块的电路原理图；

图3为本发明中电压反向模块的电路原理图；

图4为本发明中单片机的电路原理图；

图5为本发明中方波产生模块的电路原理图；

图6为本发明中电压比较模块的电路原理图；

图7为本发明中方波切档输出模块的电路原理图；

图8为本发明中电压跟随模块的电路原理图；

图9为本发明中信号放大模块的电路原理图；

图10为本发明中模拟量输出模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种水溶液的电阻率采样电路，包括稳压模块101、电压反向模块102、单片机103、方波产生模块104、电压比较模块105、方波切档输出模块106、电压跟随模块107、电导电极108、信号放大模块109和模拟量输出模块110。稳压模块101通过稳压芯片将外部输入的3.3v电压稳压到2.5v提供给单片机103、方波产生模块104及电压反向模块102。电压反向模块102将稳压模块101提供的2.5v电压转化为-2.5v提供给方波产生模块104；方波产生模块104在单片机103的控制下通过第一逻辑芯片产生第一方波信号，并通过电阻分压的方式得到与第一方波信号峰值不同且周期相等的第二方波信号和第三方波信号。单片机103控制电压比较模块105向方波切档输出模块106发送指令；方波切档输出模块106选择第一方波信号、第二方波信号或第三方波信号中的一个作为第四方波信号传输到电压跟随模块107。电压跟随模块107产生一个与第四方波信号波形完全相同的第五方波信号并传输给电导电极108，第五方波信号的负载能力远大于第四方波信号。电导电极108放入待检测水溶液中，第五方波信号经过电导电极108降压后第六方波信号并输入信号放大模块109，信号放大模块109将第六方波信号放大为第七方波信号，放大倍数为第一方波信号的峰值电压除以第四方波信号的峰值电压。模拟量输出模块110将第七方波信号转化为直流电压信号传输给单片机103，单片机103根据直流电压信号得出待检测水溶液的电阻率。

如图2所示，稳压模块101包括稳压芯片u1，稳压芯片u1采用tl431acdbzr稳压芯片。第一电阻r1的一端接3.3v电压，另一端接稳压芯片u1的阴极、参考极及第一电容c1的一端；稳压芯片u1阳极及第一电容c1的另一端均接地；稳压芯片u1的阴极即稳压模块101的输出端vout1。

如图3所示，电压反向模块102包括第一运算放大器u2a；第一运算放大器u2a的反向输入端接第三电阻r3及第二电阻r2的一端，第三电阻r3的另一端接稳压模块101的输出端vout1；第二电阻r2的另一端接第一运算放大器u2a的输出端。第一运算放大器u2a的正向输入端接第四电阻r4的一端，第四电阻r4的另一端接地；第一运算放大器u2a的正供电电压端接第三电容c3的一端及5v电压，第三电容c3的另一端接地；第一运算放大器u2a的负供电电压端接第二电容c2的一端及-5v电压；第二电容c2的另一端接地。第一运算放大器u2a的输出端即电压反向模块102的输出端vout2。

如图4所示，单片机103采用stm8l052r8单片机。单片机103的vdd1、vdd2、vdd3及vdda管脚接3.3v电压；单片机103的vref+管脚接稳压模块101的输出端vout1，单片机103的vss1、vss2、vss3及vssa管脚接地。

如图5所示，方波产生模块104包括第一逻辑芯片u4；第一逻辑芯片u4采用74hc4053d逻辑芯片。第一逻辑芯片u4的a、c、y1c、y0c、y1a、y0a、vss、yc及ya管脚均接地；第一逻辑芯片u4的b管脚接单片机103的pwm管脚；第一逻辑芯片u4的y1b管脚接稳压模块101的输出端vout1；第一逻辑芯片u4的y0b管脚接电压反向模块102的输出端vout2；第一逻辑芯片u4的vdd管脚接第四电容c4的一端及5v电压；第四电容c4的另一端接地。第一逻辑芯片u4的vee管脚接第五电容c5的一端及-5v电压；第五电容c5的另一端接地。第一逻辑芯片u4的yb管脚接第五电阻r5的一端；第五电阻r5的另一端接第六电阻r6的一端；第六电阻r6的另一端接第七电阻r7的一端；第七电阻r7的另一端接地。第一逻辑芯片u4的yb管脚即方波产生模块104的第一方波信号输出端x1；第五电阻r5接第六电阻r6的那端即方波产生模块104的第二方波信号输出端x2；第六电阻r6接第七电阻r7的那端即方波产生模块104的第三方波信号输出端x3。

如图6所示，电压比较模块105包括双运算放大器；双运算放大器采用lm358dr双运算放大器，双运算放大器由第二运算放大器u5a和第三运算放大器u5b组成。第二运算放大器u5a的正向输出端接第八电阻r8的一端；第八电阻r8的另一端接单片机103的pf01管脚；第二运算放大器u5a的正供电电压端接第六电容c6的一端及5v电压；第六电容c6的另一端接地；第二运算放大器u5a的负供电电压端接地。第二运算放大器u5a的反向输出端接第十电阻r10的一端；第十电阻r10的另一端接第十一电阻r11、第九电阻r9及第十三电阻r13的一端；第九电阻r9的另一端接5v电压；第十一电阻r11的另一端接地；第十三电阻r13的另一端接第三运算放大器u5b的反向输入端。第三运算放大器u5b的正向输入端接第十二电阻r12的一端；第十二电阻r12的另一端接单片机的pf06管脚；第二运算放大器u5a的输出端即电压比较模块105的第一输出端a；第三运算放大器u5b的输出端即电压比较模块105的第二输出端b。

如图7所示，方波切档输出模块106包括第二逻辑芯片u6；第二逻辑芯片u6采用74hc4052d逻辑芯片。第二逻辑芯片u6的x3、y0、y1、y2、y3、vss及ycom管脚均接地。第二逻辑芯片u6的vdd管脚接第七电容c7的一端及5v电压；第七电容c7的另一端接地；第二逻辑芯片u6的vee管脚接第八电容c8的一端及-5v电压；第八电容c8的另一端接地。第二逻辑芯片u6的x0管脚接方波产生模块104的第一方波信号输出端x1；第二逻辑芯片u6的x1管脚接方波产生模块104的第二方波信号输出端x2；第二逻辑芯片u6的x2管脚接方波产生模块104的第三方波信号输出端x3；第二逻辑芯片u6的xcom管脚即方波切档输出模块106的输出端xa。

如图8所示，电压跟随模块107包括第四运算放大器u7；第四运算放大器u7的正向输入端接第十四电阻r14的一端及方波切档输出模块106的输出端xa；第十四电阻r14的另一端接地。第四运算放大器u7的反向输入端与输出端相连。第四运算放大器u7的正供电电压端接第十电容c10的一端及5v电压；第十电容c10的另一端接地；第四运算放大器u7的负供电电压端接第九电容c9的一端及-5v电压；第九电容c9的另一端接地。第四运算放大器u7的输出端即电压跟随模块107的输出端xb。

电导电极108采用不锈钢电导电极；电导电极108的一端接电压跟随模块107的输出端xb，另一端即电导电极108的输出端xc。

如图9所示，信号放大模块109包括第五运算放大器u8c；第五运算放大器u8c的正向输入端经过第十六电阻r16接地。第五运算放大器u8c反向输入端接第十五电阻r15的一端及电导电极108的输出端xc；第十五电阻r15的另一端接第五运算放大器u8c的输出端。第五运算放大器u8c的输出端即信号放大模块109的输出端xd。

如图10所示，模拟量输出模块110包括第六运算放大器u8b及第七运算放大器u8d。第六运算放大器u8b的正向输入端接地；第六运算放大器u8b的反向输入端接第二十三电阻r23、第十九电阻r19的一端及第一二极管d1的负极；第十九电阻r19的另一端接第二二极管d2的正极；第二十三电阻r23的另一端接第十七电阻r17的一端及信号放大模块109的输出端xd；第十七电阻r17的另一端接第二十四电阻r24的一端及第七运算放大器u8d的反向输入端；第二十四电阻r24的另一端接第二二极管d2的正极；第二二极管d2的负极接第六运算放大器u8b的输出端及第一二极管d1的正极。第七运算放大器u8d的正向输入端接第二十五电阻r25及第二十二电阻r22的一端；第二十五电阻r25的另一端接地；第二十二电阻r22的另一端接-5v电压。第七运算放大器u8d的负向输入端接第十八电阻r18及第十一电容c11的一端；第十八电阻r18及第十一电容c11的另一端均接第七运算放大器u8d的输出端及第二十电阻r20的一端；第二十电阻r20的另一端接第二十一电阻r21及第十二电容c12的一端；第十二电容c12的另一端接地；第二十一电阻r21的另一端接第十三电容c13的一端及单片机103的tdsad管脚；第十三电容c13的另一端接地。

本发明的原理如下：

稳压模块101的输出端vout1稳定输出2.5v电压；第一电阻r1起到限流的作用，保护稳压芯片u1不被烧坏。第一电容c1起滤波的作用，使输出信号更加稳定。

稳压模块101的输出端vout1输出的电流通过第二电阻r2、第三电阻r3及第一运算放大器u2a。得到以下关系式：

其中vout2为电压反向模块102的输出端vout2的电压值；r2为第二电阻r2的电阻值；r3为第三电阻r3的电阻值；vout1为稳压模块101的输出端vout1的电压值。

r2＝r3，电压反向模块102的输出端vout2稳定输出-2.5v电压。第四电阻r4使两个输入端对地的电阻相同，使得第一运算放大器u2a的偏置电流不会产生附加的失调电压。第二电容c2及第三电容c3作为退耦电容，有利于控制输入电压的高频纹波。

方波产生模块104以稳压模块101的输出端vout1及电压反向模块102的输出端vout2的电压值为基准；方波产生模块104在单片机103输出的pwn信号控制下，产生一个稳定第一方波信号。第一方波信号经过第五电阻r5、第六电阻r6及第七电阻r7进行分压，产生3个周期相同，峰值不同的第一方波信号、第二方波信号及第三方波信号。第四电容c4及第五电容c5作为退耦电容，有利于控制输入电压的高频纹波。

外部输出的5v电压通过第九电阻r9，第十一电阻r11分压输入第二运算放大器u5a的反向输入端，单片机输出的电压接u5a的正向输入端，若正向输入端的电压值大于反向输入端，则电压比较模块105的第一输出端a输出高电平。若第二运算放大器u5a的正向输入端的电压值小于反向输入端，则电压比较模块105的第一输出端a输出低电平。第三运算放大器u5b的工作原理和第二运算放大器u5a的相同。电压比较模块105的第一输出端a与电压比较模块105的第二输出端b组合控制方波切档输出模块106输出第一方波信号、第二方波信号及第三方波信号中的一个作为第四方波信号输出到电压跟随模块107。第八电阻r8与第十电阻r10使第二运算放大器u5a的正向输入端与反向输入端对地的电阻相同，使第二运算放大器u5a的正向输入端与反向输入端之间不会产生附加的失调电压。第十二电阻r12，第十三电阻r13使第三运算放大器u5b的正向输入端与反向输入端对地的电阻相同，使第三运算放大器u5b的正向输入端与反向输入端之间不会产生附加的失调电压。

电压跟随模块107中的第十四电阻r14的作用是平衡第四运算放大器u7虚地和保护电路的作用，第四运算放大器u7产生一个与输入的第四方波信号波形完全相同的第五方波信号并传输给电导电极，第五方波信号的负载能力远大于第四方波信号。

当信号放大模块109的输出端xd的电压值v1>0时，第一二极管d1导通，第二二极管d2截止，信号放大模块109的输出端xd的电压值v1与第二二极管d2正极的电压值v2的关系式为：

其中r19为第十九电阻r19的阻值；r23为第二十三电阻r23的阻值。

由于r19＝2×r23，因此可得：

v2＝-2v1

信号放大模块109的输出端xd电压值v1、第二二极管d2的正极电压值v2与第七运算放大器u8d的输出端电压值v3的关系式为：

其中r17为第十七电阻r17的阻值；r24为第二十四电阻r24的阻值；r18为第十八电阻r18的阻值。

由于r17＝r24，因此可得：

当信号放大模块109的输出端xd的电压值v1<0时，第二二极管d2的正极电压值v2＝0，信号放大模块109的输出端xd的电压值v1、第二二极管d2的正极电压值v2与第七运算放大器u8d的输出端电压值v3的关系式为：

其中r17为第十七电阻r17的阻值；其中r18为第十八电阻r18的阻值。

简化得：

所以无论信号放大模块109的输出端xd的电压值v1是正电压还是负电压，第七运算放大器u8d的输出端电压值v3都是稳定且相同的直流电压。

模拟量输出模块110中的第二十二电阻r22和第二十五电阻r25，通过电阻分压的方式，将大小为伏的电压输入到第七运算放大器u8d的正向输入端，实现调零的功能。式中，r22为第二十二电阻r22的阻值，r25为第二十五电阻r25的阻值。

第十一电容c11具有滤波的功能，保证了采样电压的稳定。第二十二电阻r22、第十二电容c12、第二十三电阻r23和第十三电容c13构成一个二阶低通滤波电路，使得输出到单片机103的tdsad管脚的电压信号更加稳定。