基于IEEE1451标准水产养殖水质pH智能变送器研究

摘要

水产养殖环境因子的监控作为现代化水产养殖的重要特征正受到越来越多的关注，监测和控制水质参数具有重要理论和现实意义。现有pH监测仪普遍存在多种传感器与执行器不兼容、无法实现传感器在线校正等问题。本文研究一种基于IEEE1451标准的具有即插即用和自校准功能的智能pH变送器。
　　 在深入分析和研究智能传感器标准-IEEE1451标准的基础上，采用信号调理变送技术、校正技术与现场总线技术，设计开发了水质pH智能变送器，该变送器由硬件和软件两部分组成。
　　 硬件方面:主要围绕MSP430F149展开，以模块化的设计方法将硬件按功能分为传感器模块、信号调理变送模块、电源模块、存储器模块、通信模块、看门狗电路等几部分，实现变送器信号调理变送与低功耗运行。
　　 软件方面:以STIM软件设计与TEDS设计为重点。STIM设计以模块化的编程思想分为STIM程序模块、数据采集模块、总线接口模块，实现pH智能变送器数据采集、数据处理、低功耗运行、传感器在线校正、串行通讯等功能。设计了Meta TEDS、Channel TEDS和Meta Identification TEDS实现变送器自我描述、即插即用。
　　 利用最小二乘数据拟合法进行了标定试验，在此基础上设计了Calibration TEDS实现变送器自校准。试验证明该变送器支持在线连续采集pH值和温度探头信号，且具有精度高、使用方便、可靠性好等特点，适合推广与应用。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 pH值测量方法研究现状

1．2．2 pH值传感器发展历程与研究现状

1．2．3 pH值智能测量方法研究现状

1．2．4 IEEE1451标准网络化智能传感器的研究现状

1．3 研究目标

1．4 研究内容

2 水质pH智能变送器总体设计

2．1 IEEE1451网络化智能传感器概述

2．2 IEEE1451．2网络化智能传感器主要内容

2．2．1 STIM

2．2．2 TII独立智能接口规范

2．3 电子数据表格TEDS规范

2．3．1 总体TEDS(Meta TEDS)

2．3．2 通道TEDS(Channel TEDS)

2．3．3 校正TEDS(Calibration TEDS)

2．3．4 总体识别TEDS(Meta Identification TEDS)

2．4 总体设计

2．4．1 IEEE1451．2智能传感器模型改进

2．4．2 系统总体框架

2．5 本章小结

3 pH智能变送器硬件设计

3．1 pH智能变送器的功能要求

3．2 pH智能变送器硬件设计总体概况

3．3 传感器选型

3．3．1 温度传感器选型

3．3．2 pH传感器的选型

3．3．3 玻璃电极性能实验研究

3．4 MCU

3．5 信号调理变送电路设计

3．5．1 pH传感器信号调理变送电路

3．5．2 温度传感器信号调理变送电路

3．6 A／D转换器

3．7 电源电路设计

3．8 看门狗复位电路设计

3．9 存储模块电路设计

3．9．1 FLASH存储器

3．9．2 TEDS电子数据表格硬件设计

3．10 总线接口电路设计

3．10．1 RS-485

3．10．2 MAX3078E

3．11 本章小结

4 pH智能变送器嵌入式软件设计

4．1 STIM(下位机)软件设计

4．1．1 STIM模块

4．1．2 数据采集处理模块

4．1．3 串口通信模块

4．2 上位机应用程序设计

4．2．1 上位机主程序设计

4．2．2 上位机应用程序具体设计

4．3 TEDS软件实现

4．3．1 TEDS数据传输

4．3．2 Meta-TEDS实现

4．3．3 pH通道TEDS实现

4．3．4 Meta-Identification TEDS实现

4．4 本章小结

5 pH智能变送器试验研究

5．1 校正试验研究

5．1．1 校正引擎概述

5．1．2 常用校正方法

5．1．3 温度校正

5．1．4 pH值校正

5．1．5 Calibration TEDS实现

5．2 智能测试仪性能研究

5．2．1 试验目的

5．2．2 试验方法

5．2．3 试验内容

5．2．4 试验设备

5．2．5 试验现场图片

5．2．6 试验结果与分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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