一种直接电导率法TOC分析仪的设计

张立琛++张朋亮

摘 要 本文介绍一种直接电导率法TOC检测仪设计方案，以STM32微处理器为控制核心，通过测试两路电极中溶液导电率的差值计算TOC，具有数据存储、输出、打印、报警等功能。

【关键词】STM32 直接电导率 TOC

1 前言

当前制药、半导体等行业生产中，对纯水、去离子水中TOC（总有机碳）的含量要求越来越严格，需要实时对水中的TOC进行检测，因此需要一款TOC分析仪能够对生产用水进行在线检测，本文主要介绍一款直接电导率法的TOC分析仪的设计，能够满足当前制药、半导体等行业生产中对纯水及去离子水中TOC的在线检测。

2 系统原理

通过步进电机带动蠕动泵的转动，将测试样品采集到系统管路中，通过三通接头将进样水溶液一分为二，一路通过一段延长水路直接流过一个电极传感器进行测量，所得浓度值为IC（无机碳）的浓度；另外一路要经过氧化反应器的充分氧化，将水中所含的有机碳氧化成二氧化碳（作为一种导电离子存在），再流过另一个电极传感器进行测量，所得浓度值为TC（总碳）的浓度，TC与IC的差值即为TOC的浓度： TOC = TC – IC

系统原理如图1所示。

3 硬件设计

整个系统在硬件上分为：电源模块、主控模块、TOC检测模块、信号控制模块、温度采集模块、显示模块、存储模块等几个部分。

电源模块为整个系统提供电源，采用开关电源和变压器结合的供电方式，开关电源输出的电源直接为紫外灯、报警信号及步进电机驱动器提供电源；变压器输出的电源主要为电路板提供电源，变压器输出电源经过AC-DC转换成直流电源后，再经过线性稳压源给对应元器件供电，电路板的数字电路与模拟电路分割开来，数字地与模拟地进行单点连接，减小数字电路对模拟电路的干扰。

主控模块为整个硬件系统的控制处理模块，MCU采用意法半导体的STM32系列单片机，此单片机为ARM Cortex-M3内核的32位单片机，运行速度快，外部资源丰富，功能强大，是当前电子行业中的主流芯片。

TOC检测模块为系统的核心模块，由一片信号发生芯片产生频率可变的正弦波激励信号，作为电极传感器的驱动信号，电极传感器出来的信号经过滤波后，由有效值电路进行计算，转换成对应的直流电压，由ADC芯片转换成数字信号交给MCU进行计算。电极的激励信号采用频率可变的正弦波信号，比矩形波信号受到电极传感器容性部分的影响更小，波形不易发生形变，并且随着电极传感器中溶液导电率的增大，可以增大激励信号的频率，从而减轻电极传感器的極化现象，可以增强测试的准确性，同时也可以延长电极传感器的使用寿命。

信号控制模块主要是控制紫外灯、报警信号及步进电机控制信号，三种信号均采用隔离电路进行控制。

温度采集模块，用于实时监测传感器的温度并根据温度对信号值进行补偿。温度传感器采用线性好、电阻值稳定的三线制PT100温度传感器，采用桥式电路进行温度测量，能够将PT100的线阻造成的误差降到最低。

显示模块采用TFT彩色液晶屏进行显示，采用MCU内部自带的FSMC模块与液晶屏进行并口操作，速度快，操作简便，软件上采用GUI模块，便于显示界面的设计。

存储模块包括参数存储模块及数据存储模块，参数存储模块用于保存仪器设置的参数信息，而数据存储模块用于保存仪器检测的数据，数据格式经过特殊处理，只能导出不能导入，且不能进行修改，防止检测数据被伪造。

4 软件设计

本系统采用意法半导体官方提供的MCU固件函数库V3.50，该函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。通过使用本固件函数库，避免开发人员对每一个函数都要从底层写起，大大减少了开发周期，并且增强开发人员编程的标准化，增强了程序的可读性，有利于程序后期的维护。

显示界面采用UCGUI方式来开发，UCGUI是一种嵌入式系统应用中的图形支持系统。它设计用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口，它适用于单任务和多任务系统环境，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的显示。它是模块化的设计架构，由不同的模块中的不同层组成，由一个LCD驱动层来包含所有对LCD的具体图形操作。

在完成UCGUI在STM32芯片上的移植后，就是各驱动模块设计，包括使用STM32的FSMC功能实现TFT屏显示；使用AD芯片对电极传感器和温度传感器电压信号进行转换及处理；使用GPIO口配合驱动电路控制紫外灯、报警信号输出及步进电机驱动器信号。

5 结语

本文介绍的直接电导法TOC分析仪适用于检测制药工业中纯化水、注射用水和去离子水中总有机碳的浓度，可以在线检测制药工业的治水系统、半导体工业的超纯水制备系统和晶片工业过程、电厂去离子水制备过程等，也可用于半导体行业、电厂、科研单位、实验室等超纯水TOC的检测。

参考文献

[1]李琳编著.频率自适应电流源克服电容影响的电导率测量[J].仪器仪表学报，2007（12）.

[2]兰敬辉编著.溶液电导率测量方法的研究[J].大连理工大学，2002.

[3]邢文凯编著.一种克服分布电容的双频驱动电导率测量方法[J].仪器仪表用户，2007（03）.

[4]刘波文编著.ARM Cortex-M3应用开发实例详解[M].北京：电子工业出版社，2011（02）.

作者单位

浙江泰林生物技术股份有限公司 浙江省杭州市 310052

浙江联运知慧科技有限公司 浙江省杭州市 310000