牧场智能挤奶与综合信息管理系统资料(3)

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。

4．2．3电导-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

??S 根据公式C=可知，极板面积S越大，电容C就越大，从而越容易测

d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)、极板间距离d应尽量小

??S根据公式C=可知，极板之间的距离越小，电容C就越大，从而越便于

d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。

4．3方案三：脉冲测量法

4．3．1原理

脉冲测量法的电路示意图如下：

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图4-3-1 脉冲测量法电路示意图

将一支激励电极和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、A\\D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。

4．3．2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。

4．3．3脉冲测量法的方案研究 (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

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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。

4．4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。

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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 产生 1kHz 驱动 激励电极 脉冲 检测电极 检测信号产生 C P U A\\D 检测 信号 采集 A\\D 放大电路 A=10 线性光耦 低通滤波 检 测 信 号 预处理 放大电路A=10 线性光耦 低通滤波

图5-0-1 系统模块示意图

5．1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芯片LM324组成的电压跟随器。

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图5-1-1驱动电路

5．2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A\\D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。

5．2．1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AV=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 5．2．2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。

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