TDS水质及电导率计算方法及电路程序设计

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#传感器 #水质 #TDS检测 #电导率 #算法

于 2021-08-30 10:14:34 首次发布

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本文介绍了设计的一款TDS水质检测模块，利用Ti合金传感器和NTC热敏电阻配合STM8S003F4P6单片机，通过电导率测量和温度补偿技术，实时监测水质，并提供串口数据输出和数码管显示。模块可用于净水器检测和饮用水质量评估。

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TDS 用来表示测定溶解在水中的所有固体物质，包括矿物质、盐分以及溶解在水中的微小金属物质，说白了，其值的大小反映了水质的好坏，为此我们设计一款基于电极测量法的TDS水质检测模块。下面为该模块设计原理及功能介。

1.模块功能概述

TDS水质检测模块采用TDS传感器（钛合金）和NTC（3950_10K）热敏电阻配合8 位高性价比单片机(STM8S003F4P6)，内部已做 AD (10位)采集，并通过算法计算出对应的TDS值及温度值，用户只需通过串口读数据即可，另外可接数码管显示模块，即可循环显示TDS值和温度值，方便用户快速使用。

2.TDS定义简介

TDS 用来表示测定溶解在水中的所有固体物质，包括矿物质、盐分以及溶解在水中的微小金属物质。测量单位为 ppm 或 mg/L,它表明 1 升水中溶有多少毫克溶解性固体。通常可用电导率推测溶液中的盐分，水越纯净，可溶性固体越少，电阻越大，电导越小，纯水几乎不能导电。TDS 值与电导率有直接关系，TDS 值一般为电导率的 0.55 倍。

TDS 水质检测广泛用于评估净水器滤芯性能，测试饮用水质量以及其它水质分析相关领域。

3.模块TDS测量方法

TDS 测量主要通过给测试电极输入交变的驱动电压（防止探头极化），在被测液体中产生微小电流，从而得到被测液体的电导率。温度测量则通过测量 NTC 负温度系数的热敏电阻值，从而计算出当前的环境温度。并根据TDS传感器在受不同温度范围所表现的特性差异，通过获取的温度在相应温度范围内进行补偿。

模块采用电极法测定水溶液的电导率，当两电极插入溶液中，可以测出两电极间的电阻R。根据欧姆定律，温度一定时，有R=pL/A，其中p为电阻率，L为电极间间距，A为电极的截面积。由于A、L是固定不变的，故L/A是一常数，称为电导池常数Q,即R=pQ.

电导S与电阻R成倒数关系:S=1/R

电导率K与电阻率p成倒数关系:K=1/p

K=1/p=Q/R

用标准溶液校准，获得电导池常数Q再测水样得到电阻R，即可求出K，即可得到TDS=0.55K。

注意受温度影响，以25℃为标准温度，温度每增加1℃，电导率上升2%，故温度作为补偿因子参与TDS计算，公式为：K=K(未温补)÷(1+0.02*(T-25))。T为测得溶液温度值。

本模块采用TDS为488ppm的校准液进行校准，经计算得出电导池常数为437140.将电导池常数更新到计算公式后对溶液进行测量。

如上图为本模块TDS传感器接口电路，通过将TDS传感器两端接入TDS2和TDS3，TDS1和TDS3分别连接单片机的两个普通IO，TDS2连接至单片机AD测量IO。通过控制TDS1和TDS3进行高低电平交替输出，则等效于采用交流驱动TDS传感器。电流通过R13电阻和TDS探针及溶液形成回路，则可测量TDS2端的电压，根据电阻分压原理，即可求出TDS两探针之间的电阻值，即溶液的阻值。

TDS 测量主要通过给测试电极输入交变的驱动电压，在被测液体中产生微小电流，从而得到被测液体的电导率。温度测量则通过测量 NTC 负温度系数的热敏电阻值，从而计算出当前的环境温度，如下图。

本模块总体电路原理图如下：

以下为模块mcu进行计算TDS值的关键算法代码：

#define POLAR_CONSTANT        (513385)  /* 电导池常数，可通过与标准TDS测量仪对比计算反推  */ 
#define TDS_COEFFICIENT       (55U)     /* TDS = 0.55 * 电子传导率*/
//TDS 的计算  输入TDS传感器分压的平均电压
// adc_avg_value： 采集到的TDS传感器分压AD值
void R_TDS_Calculate(u16 adc_avg_value)
{
    float tds_resister=0,siemens_value=0;//西门子值
    float electornic_conductor=0,temperature=0;
   
   //获取温度值
   temperature=(u16)((u16)(g_Temperature[0]*10)+g_Temperature[1])/10;
       /*AD限值处理*/
    if(adc_avg_value >=998)  //998   
    {
       tds_Value = 0;
    }
    else
    {
      //计算溶液电阻值
      /* 1.5k的串联液体TDS电阻值 */
      tds_resister =1.0*adc_avg_value * 1500 / (1024 - adc_avg_value); 
  
      /* 计算电导率值 。 其中POLAR_CONSTANT 为电导池常数*/
      siemens_value =(1.0* POLAR_CONSTANT / tds_resister); 
      
      /* temperature adjust */
      //经过温度补偿过的电导率值
      electornic_conductor= siemens_value /(1+0.02*(temperature-25)); 
      // 计算出TDS值，TDS_COEFFICIENT为转换系数 
      tds_Value =(u16)(1.0* electornic_conductor * TDS_COEFFICIENT / 100);
      
    }
}

4.技术指标

产品型号	KM-TDS-NTC1
检测对象	TDS、温度
通信方式	UART（TTL）+microUSB串口
工作电压	5V (DC)
工作电流	10-30mA
检测温度	0~81℃
检测TDS	0-9999PPM
TDS检测方式	交变电压驱动
外形尺寸	26.4*33.3（mm）
数据接口	4 针单排直插+MicroUSB接口
显示接口	4P排座（接数码管模块）
模块主控MCU	STM8S003F3P6（10位AD分辨率）

5.外形尺寸

6. 通信协议

波特率：9600，无校验位，1停止位，8位数据。

1	0x86	读传感器的AD值
向模块发送	0	1	2	3	4	5	6	7	8
	起始位	地址	命令	--	--	--	--	--	校验值
	0xFF	0x01	0x86	0	0	0	0	0	0x79
EXP.	FF 01 86 00 00 00 00 00 79
模块返回	0	1	2	3	4	5	6	7	8
	起始位	命令	TDS值		温度值		--	--	校验值
	0xFF	0x86	高字节	低字节	整数	小数	0	0	--
EXP.	FF 86 00 5B 1A 02 00 00 03

TDS：91ppm。 温度：26.2℃
//校验值算法 起始位后 86 00 85 00 00 00 00 到校验值前相加求和取低八
//位，再取反加一
uint8_t getCheck(uint8_t *data,uint8_t iLength)
{
uint8_t sum=0; uint8_t iFor=0;
for(iFor=0;iFor<iLength;iFor++)
{
sum+=data[iFor];
}
return (0xff-sum+1);
}