基于STM32的微量水分测定仪的研究与设计
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作者:韩晓冬
摘 要：为了解决传统微量水分测定仪应用时，不方便、价格高等问题，设计了一款便携式微量水分测定仪。该系统以STM32微控制器为核心，结合触摸屏人机界面，对微量水分测定仪的硬件系统进行了优化设计。通过触摸屏和物联网技术，提高了本仪器的智能化，进一步完善了微量水分测定仪的功效，提高了其应用的方便性和精确度。
关键词：微量水分测定仪 便携式 STM32
中图分类号：TP212;TH744 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0090-03
Abstract： In order to solve the problems of inconvenience and high price in the application of traditional trace moisture meter， a portable Micromoisture meter was designed. The system is based on the STM32 microcontroller， and combined with the touch screen man-machine interface， the hardware system of the micro-moisture meter is optimized. Through the touch screen and Internet of Things， the instrument is more intelligent， the efficiency of the Micromoisture meter is further improved， and its application is more convenient and accurate.
Key Words： Micromoisture meter; Portable; STM32
1 引言
隨着现代生产技术的不断发展和进步，工业原材料或产品中微量水分的含量常常会影响到工业生产过程的控制和产品质量。比如润滑油等水分超标会使油品乳化，严重破坏润滑性能，促使润滑油氧化变质，使含酸油品对机件产生腐蚀，进而缩短设备的使用寿命、极有可能发生伤害事故或者重大经济损失事故;电力变压器中的绝缘油含水量的质量分数严格控制在10×10-6以下;锂电池电解液的含水量要求质量分数为50×10-6以下。因此，快速精确有效地测定产品中的水分是非常重要的。
我国在化工产品中水分分析方面做过大量的研究工作[1-2]，并且建立了相应的国家标准或行业标准[3-5]，方法主要包括气相色谱法、重量法、露点法、卡尔·费休法等。其中卡尔费休库仑法广泛用于水分测定，其测量速度快、灵敏度高，测量结果准确可靠。本设计基于STM32微控制器对现有的微量水分测定仪进行改进和再开发，进行结构、功能创新、工艺改进，通过智能化控制微量水分测定，减少测定时间，提高精度、降低功耗;增加物联网模块，支持远程控制、显示等。实现设备智能化、低能耗、便携，提高其使用寿命和工作可靠性，在产品微量水分检测分析等方面具有良好的发展前景。
2 实验原理
待检测式样中的水与卡尔费休试剂中的碘和二氧化硫进行氧化还原反应，其化学反应方程式如下：
在反应过程中，消耗的碘在阳极电解产生，直至水分全部耗尽为止。电极反应式如下：
阳极：
阴极：
根据法拉第定律，在阳极上析出的I2的量与通过的电量成正比，因此可以把电流消耗量作为测定水分的基础，并通过显示屏直接显示出被测试样中的水的含量或打印出来。
3 整体设计方案
微量水分测定仪是在经典的卡氏试剂滴定法的基础上通过改良成无臭卡氏试剂和电解产生滴定物质碘，采用现代微机控制和处理数据，在密封情况完成水分的测定。本设计主要由电解池、控制系统组成。电解池是微量水分测定仪的重要部分，它由阳极室、阴极室及干燥室、进样旋塞及搅拌子等组成。在电解池中把含有水分的式样注入卡尔费休试剂，水参与碘和二氧化硫的氧化还原反应，有机碱中和反应生成的酸，含羟基的醇类可以使其生成稳定的产物，使反应完全。根据法拉第定律，在阳极上析出的I2的量与通过的电量成正比，因此可以把电流消耗量作为测定水分的基础，并在屏幕上直接显示出被测试样中的水的含量。整体实物图如图1所示。
控制系统由传感器、控制板、触摸屏和输出部分等组成。微控制器通过接收传感器的信号，判断当前设备运行状态并做出相应的决策。
系统结构框图如图2所示。
4 硬件电路设计
微量水分测定仪的硬件电路主要由STM32最小系统、电源模块、终点指示、电解电流控制、电磁搅拌器和触摸屏等部分组成。
4.1 主控电路设计
以STM32H743IIT6为核心的微控制器和外围电路构成的主控电路。基于ARM Cortex-M7内核STM32系列的微控制器，有140个I/O接口，2MB的程序存储器容量，数据转换器为A/D20×16b和D/A2×12b，工作电压为2～3.6V，工作温度为-40℃～85℃，可满足连接传感器、控制器和通信模块的需求。
4.2 电源模块设计 系统工作需要稳定的直流电源模块。电源由220V，经过变压器、整流器、稳压芯片、电解电容滤波，得到12V、5V和3.3V，满足触摸屏和不同芯片对电压的需求。采用DCDC模块实现由12V转换为5V，采用AMS1117-3.3V实现由5V转换为3.3V。电源模块如图所示。
4.3 终点指示设计
库伦滴定中电化学反应达到终点时尽量减小终点误差，测量电极用来指示滴定终点与电解电流大小、通断的控制。两测量电极间的阻值由滴定液体碘分子浓度决定。在反应到达终点时，测量电极的电流会发生比较大的变动，将电流突变变成电压的突变，测量值从一开始设定值（约150mV）降低到约40mV。这个变化值经放大器、光耦隔离电路和软件程序等分析和处理，最终完成滴定过程的自动控制。
4.4 电解电流控制设计
积分累加计算参與化学反应的电量直接决定电解过程和测量的精确度，为了精确测量水分含量需要准确控制参与电解的电流控制。本设计用电阻将电流信号转换成电压信号，然后将电压信号传送到电压比较器的反向输入端，形成负反馈对电流大小控制[6]。
再将电压信号连接到压频转换电路，然后电量积分。处理器决定继电器和ULN2003通断来控制电解的始终。电解电流控制电路如图所示。
4.5 WiFi模块电路
安装ESP8266WiFi模块，控制系统嵌入ESP8266模块，可以直接利用WiFi与打印机或者手机APP进行连接，实现产品检测数据的显示、保存和打印。其电路图如图5所示。
5 软件开发设计
设备端软件程序开发有工业触摸屏驱动控制、内存保护单元控制等部分。其中工业触摸屏是进行人机交互方式之一，主要用于显示微量水分测试仪工作运行状态、启动相应工作模式、更改各项运行参数等。本设计的工业触摸屏采用迪文串口屏，其部分工业触摸屏驱动程序如下所示。
6 系统性能测试
滴定的终点判断是通过测量测量极的电流变化，导致的电压急剧变化来判别是否到达反应的终点，即电导法来确定。把突变的信号连接到处理器来决定是否达到终点。杜绝“过终点”和“欠终点”，否则会直接影响到测量的精确度，测量极从过碘状态到过水状态的电压信号变化如图6所示。
7 结语
本文介绍了一种基于STM32便携式微量水分检测仪，采用了新型设计方案，集成了卡尔费休库伦法、容量法等，实现了体积小，携带方便;密封性好，测量精度高;人机交互画面元素丰富，智能化控制程度高。本设计满足了实际测量的需求，具有较高的应用前景和研究价值。
参考文献
[1] 谷喜凤，王海峰，刘百军，等.化学试剂水分测量方法研究进展[J].化学试剂，2014，36（7）：623-628.
[2] 薛鼎龙.卡尔·费休库仑法微量水分测定仪测量结果的不确定度评定[J].中国计量，2012（2）：82-83.
[3] 化工产品中水分含量的测定 气相色谱法. GB 2366-86[S].
[4] 化工产品中水分含量的测定 卡尔·费休法（ 通用方法）.GB 6283-86[S].
[5] 气体中微量水分的测定 露点法.GB 5832.2-86[S].
[6] D.R.Hodges.John Wiley&Sons N.Y.Recent Analytical Developments in the Petroleum Industry[M].1974
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