一種直接電導率法TOC分析儀的設計

　　1 前言 
　　當前制藥、半導體等行業生產中，對純水、去離子水中TOC（總有機碳）的含量要求越來越嚴格，需要實時對水中的TOC進行檢測，因此需要一款TOC分析儀能夠對生產用水進行在線檢測，本文主要介紹一款直接電導率法的TOC分析儀的設計，能夠滿足當前制藥、半導體等行業生產中對純水及去離子水中TOC的在線檢測。 
　　2 系統原理 
　　通過步進電機帶動蠕動泵的轉動，將測試樣品采集到系統管路中，通過三通接頭將進樣水溶液一分為二，一路通過一段延長水路直接流過一個電極傳感器進行測量，所得濃度值為IC（無機碳）的濃度；另外一路要經過氧化反應器的充分氧化，將水中所含的有機碳氧化成二氧化碳（作為一種導電離子存在），再流過另一個電極傳感器進行測量，所得濃度值為TC（總碳）的濃度，TC與IC的差值即為TOC的濃度：TOC = TC – IC
　　系統原理如圖1所示。 
　　3 硬件設計 
　　整個系統在硬件上分為：電源模塊、主控模塊、TOC檢測模塊、信號控制模塊、溫度采集模塊、顯示模塊、存儲模塊等幾個部分。 
　　電源模塊為整個系統提供電源，采用開關電源和變壓器結合的供電方式，開關電源輸出的電源直接為紫外燈、報警信號及步進電機驅動器提供電源；變壓器輸出的電源主要為電路板提供電源，變壓器輸出電源經過AC-DC轉換成直流電源后，再經過線性穩壓源給對應元器件供電，電路板的數字電路與模擬電路分割開來，數字地與模擬地進行單點連接，減小數字電路對模擬電路的干擾。 
　　主控模塊為整個硬件系統的控制處理模塊，MCU采用意法半導體的STM32系列單片機，此單片機為ARM Cortex-M3內核的32位單片機，運行速度快，外部資源豐富，功能強大，是當前電子行業中的主流芯片。 
　　TOC檢測模塊為系統的核心模塊，由一片信號發生芯片產生頻率可變的正弦波激勵信號，作為電極傳感器的驅動信號，電極傳感器出來的信號經過濾波后，由有效值電路進行計算，轉換成對應的直流電壓，由ADC芯片轉換成數字信號交給MCU進行計算。電極的激勵信號采用頻率可變的正弦波信號，比矩形波信號受到電極傳感器容性部分的影響更小，波形不易發生形變，并且隨著電極傳感器中溶液導電率的增大，可以增大激勵信號的頻率，從而減輕電極傳感器的O化現象，可以增強測試的準確性，同時也可以延長電極傳感器的使用壽命。 
　　信號控制模塊主要是控制紫外燈、報警信號及步進電機控制信號，三種信號均采用隔離電路進行控制。 
　　溫度采集模塊，用于實時監測傳感器的溫度并根據溫度對信號值進行補償。溫度傳感器采用線性好、電阻值穩定的三線制PT100溫度傳感器，采用橋式電路進行溫度測量，能夠將PT100的線阻造成的誤差降到最低。 
　　顯示模塊采用TFT彩色液晶屏進行顯示，采用MCU內部自帶的FSMC模塊與液晶屏進行并口操作，速度快，操作簡便，軟件上采用GUI模塊，便于顯示界面的設計。 
　　存儲模塊包括參數存儲模塊及數據存儲模塊，參數存儲模塊用于保存儀器設置的參數信息，而數據存儲模塊用于保存儀器檢測的數據，數據格式經過特殊處理，只能導出不能導入，且不能進行修改，防止檢測數據被偽造。 
　　4 軟件設計 
　　本系統采用意法半導體官方提供的MCU固件函數庫V3.50，該函數庫是一個固件函數包，它由程序、數據結構和宏組成，包括了微控制器所有外設的性能特征。通過使用本固件函數庫，避免開發人員對每一個函數都要從底層寫起，大大減少了開發周期，并且增強開發人員編程的標準化，增強了程序的可讀性，有利于程序后期的維護。 
　　顯示界面采用UCGUI方式來開發，UCGUI是一種嵌入式系統應用中的圖形支持系統。它設計用于為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，它適用于單任務和多任務系統環境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的顯示。它是模塊化的設計架構，由不同的模塊中的不同層組成，由一個LCD驅動層來包含所有對LCD的具體圖形操作。 
　　在完成UCGUI在STM32芯片上的移植后，就是各驅動模塊設計，包括使用STM32的FSMC功能實現TFT屏顯示；使用AD芯片對電極傳感器和溫度傳感器電壓信號進行轉換及處理；使用GPIO口配合驅動電路控制紫外燈、報警信號輸出及步進電機驅動器信號。 
　　5 結語 
　　本文介紹的直接電導法TOC分析儀適用于檢測制藥工業中純化水、注射用水和去離子水中總有機碳的濃度，可以在線檢測制藥工業的治水系統、半導體工業的超純水制備系統和晶片工業過程、電廠去離子水制備過程等，也可用于半導體行業、電廠、科研單位、實驗室等超純水TOC的檢測。