论文总字数：19543字

摘 要

在现如今的工业生产循环水处理问题中,由于换热器经常会出现不可预估的问题，如：产品损坏，线路破损,操作失误等，这就会引起循环水系统中的油品泄漏问题。在许多工业生产企业中，虽然循环水系统起到了举足轻重的作用，但由于其系统中包含了数量众多的换热器，而这些换热器的油品可能会出现油品泄露的现象，从而导致循环水系统的水质出现各种各样的问题，例如：积累油垢，菌藻滋生，水质恶化等。甚至如果发现不及时，最终可能会导致整个循环水系统无法正常工作，这对于一个工业生产企业来说，将会带来巨大的损失。因此，设计出一个具有良好性能的循环水漏油报警器，在循环水系统出现漏油状况时，能及时的进行报警提示，并让工作人员做出迅速的应对措施和妥善的善后工作，将企业的生产损失降到最低，对于现阶段的国内工业生产企业来说是非常有必要的。

由于在水电导率的测量过程中，电容效应和极化效应会对测量结果产生一定的影响，因此，本系统电导率测量的激励源使用了双极性脉冲方波，以此来消除电容效应和极化效应产生的负面影响^[1]。并且以AT89c51单片机为核心，利用其强大的数据计算和控制能力，完成两路电导率和两路温度的测量，并计算出两路电导率的差值，最后进行温度自动补偿。从而检测出循环水中的漏油状况，并进行及时的报警。

关键词：单片机；水电导率测量； 温度测量；自动换挡

Abstract

In today's industrial production cycle of water treatment problems, due to heat exchangers often have unpredictable problems, such as: product damage, line damage, operational errors, which will cause the circulating water system oil leakage The In many industrial production enterprises, although the circulating water system has played a pivotal role, but because of its system contains a large number of heat exchangers, and these heat exchanger oil may be oil leakage phenomenon, resulting in The water quality of the circulating water system presents a variety of problems, such as accumulation of grease, bacteria and algae breeding, deterioration of water quality. Even if not found in time, and ultimately may lead to the entire circulating water system can not work properly, which for an industrial production enterprises, will bring huge losses. Therefore, the design of a good performance of the circulating water leakage alarm, in the circulating water system when the oil spill, the timely prompting the alarm, and allow staff to make rapid response measures and proper aftermath work, will Enterprise production losses to a minimum, for the current stage of the domestic industrial production enterprises is very necessary.

Since the capacitance effect and the polarization effect will have a certain influence on the measurement result during the measurement of water conductivity, the excitation source of the conductivity measurement of this system uses bipolar pulse square wave to eliminate the capacitance effect And the negative effects of the polarization effect. And AT89c51 microcontroller as the core, the use of its powerful data calculation and control capabilities to complete the two-way conductivity and two-way temperature measurement, and calculate the difference between the two conductivity, and finally the temperature of automatic compensation. Thus detecting the oil in the circulating water situation, and timely alarm.

Key words: Single-chip; water conductivity measurement; temperature measurement; automatic shift

目录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1设计目的及背景 1

1.2检测循环水中是否漏油的方法 1

1.3单片机的发展及特点 2

1.4PROTEUS软件的介绍 3

1.5设计的内容和目的 3

第二章 电解质溶液的电导率 5

2.1溶液的电导和电导率 5

2.2影响电导测量的因素 5

2.3 电导率测量的几种方法 6

第三章 系统的硬件设计 8

3.1 系统总体方案设计 8

3.2 硬件电路元件的选择 10

3.3 绘制原理图的步骤 18

3.4 硬件电路的设计与实现 23

3.4.1 激励脉冲发生器的设计 23

3.4.2量程切换电路的设计 25

3.4.3采样保持与A/D转换电路的设计 26

3.4.4温度采集电路的设计 28

3.4.5数据存储电路的设计 29

3.4.6按键与LCD显示电路的设计 30

3.4.7RS-485通信口的设计 31

第四章 用PROTEUS绘制PCB板 34

4.1 PROTEUS绘制PCB板的一般步骤 34

4.2 绘制原理图 34

4.3 加载及元件封装 34

4.3.1加载网络表 34

4.3.2设计元件封装 34

4.4 元件布局及调整 35

4.4.1元件布局 35

4.4.2元件调整 35

4.5布线及调整 36

4.6输出及制作PCB 36

第五章 总结 38

第六章 致谢 39

第一章 绪论

1.1设计目的及背景

在循环水系统中，由于天然水具有热传递性能优异、价格低廉且存储量大等特点，被广泛应用于工业废热的传热介质，而这种天然水在工业体系中也被称为冷却水^[2]。工业冷却水在工业水中占比最大，许多工业部门会采取适当的降温措施，使之成为一个循环回用系统，以此来达到节约用水的目的，这也就使的循环水冷却系统在工业生产体系中起到了举足轻重的作用。

在现如今的工业生产循环水处理问题中,由于换热器的产品质量、线路老化、密封不严或者操作不正确等原因,经常会引起循环系统中的油品泄漏。在许多工业生产企业中，虽然循环水系统起到了举足轻重的作用，但由于其系统中包含了数量众多的换热器，而这些换热器的油品可能会出现油品泄露的现象，从而导致循环水系统的水质出现各种各样的问题，例如：积累油垢，菌藻滋生，水质恶化等。甚至如果发现不及时，最终可能会导致整个循环水系统无法正常工作，这对于一个工业生产企业来说，将会带来巨大的损失。因此，设计出一个具有良好性能的循环水漏油报警器，在循环水系统出现漏油状况时，能及时的进行报警提示，并让工作人员做出迅速的应对措施和妥善的善后工作，将企业的生产损失降到最低，对于现阶段的国内工业生产企业来说是非常有必要的。

1.2检测循环水中是否漏油的方法

在目前的国内石化企业中，检测循环水中是否漏油的方法大致可以分两类：（1）浊度法；（2）电导率测量法。这两种漏油检测方法的简单介绍如下。

（1）浊度法是根据不同液体的透光率不同而制定的^[3]。当循环水系统中发生漏油后，液体的浊度会发生变化，而利用浊度值可以换算出含油量，以此来作为循环水漏油报警器的报警依据。但是这种检测方法在国内工业体系中尚不成熟，还处于试验阶段。因此，还存在以下几个缺点：①用此方法设计的检测装置在电子系统设计上太笨重，使用极为不便；②检测技术不成熟，可能会出现漏报、误报的情况，这对工业生产会产生巨大的影响或损失。③不能在现场作业状态下测试报警系统是否好用。综上所述，浊度法测量循环水系统是否漏油还需要进一步的研究完善并作出改进。

（2）电导率测量法。这种方法是根据不同液体的电导率不同而制定的。首先需要测量出循环冷却水在未污染状态下的电导率a，当循环冷却水系统中发生漏油现象时，液体的电导率会发生改变，此时的电导率为b，此时利用单片机系统的运算能力和控制能力，计算出电导率a和b的差值，然后根据实验数据所得，当差值过大时，检测装置就会发出报警信号来提醒工作人员作出相应措施。这种智能型水电导率测量系统不仅在机械设计方面结构简单,而且在电子系统设计方面运行可靠,最重要的该测量方法基本不会受到测量场合的限制，可以用于各种工业生产系统。除此之外，该方法在国内市场已经应用的相当成熟，因此具有广阔的应用前景。

1.3单片机的发展及特点

单片机的诞生可以追溯到上世纪七十年代，发展到如今，经过各大公司和科学工作者的开发研究，已经从一块单纯的4位微处理芯片，发展为将各种功能电路集于一体的微型计算机系统，可谓是发生了翻天覆地的变化。现如今，它的功能电路主要包括CPU、RAM、ROM、各类I/O口中断系统等，甚至有些型号的单片机还有驱动电路、数模转换器等。用一句俗语“麻雀虽小，五脏俱全”来形容它，毫不为过。而单片机的发展虽然只有短短的四五十年，但却经历了三个大的阶段（即SCM、MCU、SOC三大阶段），这与许多科学工作者的辛勤劳作是分不开的。下面就将这三大阶段做一个简单的介绍：

1. 单片微型计算机（Microcontrollers）阶段，即SCM阶段。1971年和1972年INTEL公司的特德· 霍夫研制成功了世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004和世界上第一块8位微处理器芯片Intel8008。世界上第一代微处理器由此诞生，这也标志着微机时代的大门正式打开^[4]。特德·霍夫的这项发明立刻轰动了整个计算机界，本人也自此成为了美国甚至全世界研究微型电子计算机的先驱者，更是被英国伦敦的著名经济学类杂志《The Economist》评为第二次世界大战以来最有影响的7位科学家之一。
2. 微控制器（Micro Controller Unit）阶段，即MCU阶段。1973年8月，特德·霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，在此项发明中，他们用导通电阻小，且制造简单的N沟道MOS电路取代了P沟道MOS电路，自此，第二代微处理器也正式诞生。在这个时间段内，各电气、电子技术厂家（尤其是Philips公司）将主要的研发方向制定为增加各类功能丰富的接口电路，以此来满足各类嵌入式应用，这也就使得单片机的控制能力得到了不断的增强。
3. 嵌入式系统(System on Chip）阶段，即SOC阶段，也被叫做单片机的独立发展之路，也是向MCU阶段发展的重要阶段^[5]。科学工作者在该阶段的主要工作，就是为了能够让单片机芯片与各类应用系统之间得到完美解决。至此，人们对单片机的认知，已经从一个简单的微控制器拓展到了单片机应用系统方面。

1.4PROTEUS软件的介绍

该软件由英国Lab Center Electronics公司出版，是一款EDA工具软件。由于其不仅可以进行电路原理图的绘制及仿真，PCB板的绘制，更重要的是它能进行软件程序的调试，从而使得单片机与接口电路能够进行实时仿真，可谓功能强大^[6]。切实可靠地从电路或芯片设计者的角度出发，实现了从概念到产品的完整设计。最近几年，在国内的PROTEUS软件使用者已如雨后春笋般，越来越多，这其中不乏单片机爱好者、高校学生、授课老师，甚至还有科学工作者等。总的来说，PROTEUS软件不仅具有电路原理布图、PCB自动布线或人工布线、SPICE电路仿真等其它EDA工具软件（例如：Altium Designer）所具备的基本功能，更是拥有革命性的特点：（1）互动式的电路仿真，设计者可以采用RAM，ROM，键盘，MOTOR，LED，LCD，AD/DA等原件来进行实时仿真。（2）使用者可以直接在单片机原理图上进行计算机语言的汇编，从而得到单片机与接口电路的输入输出效果，实现基于虚拟原型的实时仿真^[7]。

1.5设计的内容和目的

了解循环水漏油的状况，通过双路电导测量仪的测量原理，利用两路电导率的差值，测出循环水中漏油情况，并进行及时报警。根据这个双路电导测量原理，其主要任务是设计出一个循环水双电导测量仪表，并设计出具体的硬件电路。该系统的硬件电路主要包括两路电导率测量电路、两路温度测量电路、按键和LCD显示电路、数据存储电路、报警器电路、RS-485通信口等^[8]。而其中最主要的电导率测量电路又包括双极性脉冲方波发生电路、数模转换电路、采样保持器电路和量程切换电路，并在此基础上了解相应的软件程序^[9]。核心为掌握单片机技术的硬件设计，熟悉仪表的研发过程，掌握电子与计算机技术的应用。

除此之外，该循环水漏油报警器还应具有如下功能：（1）可以进行两路电导率和两路温度的实时在线检测，电导率值和温度值可以在人机交互界面上显示； （2）具有两路测量温度的自动补偿功能；（3）两路电导率变送输出（4-20毫安）；（4）RS-485通信口一个，实现与上位机的通信功能。

第二章 电解质溶液的电导率

2.1溶液的电导和电导率

在物理学中，金属导体的电阻可表示为：

（2.1）

对于处在交变电场下的电解质溶液，公式（2.1）依然适用。

因为电阻值R与电导值G互为倒数，所以可以得出：

（2.2）

又因为电导率k是电阻率的倒数^[10]，所以由公式（2.2）可求得电导率：

(2.3)

式中为电导池常数，即电极常数；

由公式(2.3)得：

（2.4）

由此可以得出，通过测量电解质溶液的电阻值R就可以直接得到电解质溶液的电导率值k^[11]。

2.2影响电导测量的因素

本系统测量电解质溶液电导率的实质是在两个电极间加上一个激励源（双极性脉冲电压），然后由此来测得两个极片之间的电阻^[12]。而经过大量实验证明，影响电导测量的主要因素有两个：

1. 极化效应。在测量过程中，如果电极两端使用的激励源为直流电，那么被测溶液的电阻值就会逐渐增大，从而导致极化现象严重，得出的结果将会产生很大误差^[13]。因此只能在点击两端加载交流电源，虽然不能完全消除极化效应，但能使得电极两端的极化现象变得比较轻微。另外，如果能够增加两个电极的极板面积，例如，在电极极板上涂抹特殊材料，从而使得电极极板上的电流密度大大减小。这样也可以减小极化效应对测量结果的影响。

（2）温度的影响。虽然说温度对于电解质溶液的电导测量影响很大，但现如今对其解决的方法越来越成熟方便。在国内外，对电解质溶液进行电导测量时，一般将25℃规定为基准温度。在实际测量中，当电导率溶液的温度不足或者超出25℃时，就需要对其进行温度补偿，以此来得到一个标准规范的电导率值。

当前国内进行温度补偿的方式分为三种

第一种是恒温法，如果将待测溶液的温度不足或者超出25℃，就要对其进行恒温操作，使其达到基准温度值25℃，进而得到基准温度值下的电导率值^[14]。此方法虽然原理简单，人为操作也很方便。但是所需设备较为昂贵，对于实际测量工作来说意义不大，因此该方法只出现在实验室中。

第二种是手动温度补偿，这种方法适用于大部分实验室，其工作步骤为先用测温计测量出待测溶液的实际温度，然后利用测量设备上的温度补偿旋钮旋，即可获得基准温度25℃下的参考电导率值^[15]。

第三种方法就是自动温度补偿，这种方法适用于有特殊需求的行业，例如石油工业中的井下作业，工业生产过程中的循环水冷却系统等。一般情况下其配套设施里基本含有温度传感器，在测得溶液的实际温度后，会自动将此温度值导入电子单元部分，进而进行电导率的转换。

在本设计中，将会用DS18B20温度传感器测量出两路温度值，然后利用单片机强大的计算能力，完成自动温度补偿技术。

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