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适用专业：农业电气化与自动化
适用年级：大学
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论文编号：197286
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硕士论文-基于IEEE1451标准水产养殖水质pH智能变送器研究，共85页，52500字
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。
关键词：智能变送器；pH 值；即插即用；TEDS；水产养殖
目 录
摘 要…………………………………...I
英文摘要.... II
1 绪 论 ...... 1
1.1 研究目的与意义.............. 1
1.2 研究现状 ......................... 2
1.2.1 pH 值测量方法研究现状...................... 2
1.2.2 pH 值传感器发展历程与研究现状 ...... 3
1.2.3 pH 值智能测量方法研究现状 .............. 5
1.2.4 IEEE1451 标准网络化智能传感器的研究现状 ................ 7
1.3 研究目标 ......................... 9
1.4 研究内容 ....................... 10
2 水质 PH 智能变送器总体设计..........................11
2.1 IEEE1451 网络化智能传感器概述.............11
2.2 IEEE1451.2 网络化智能传感器主要内容 . 12
2.2.1 STIM ...................... 12
2.2.2 TII 独立智能接口规范........................ 12
2.3 电子数据表格 TEDS 规范.......................... 12
2.3.1 总体 TEDS（Meta TEDS）............... 13
2.3.2 通道 TEDS（Channel TEDS）.......... 15
2.3.3 校正 TEDS（Calibration TEDS） ..... 18
2.3.4 总体识别 TEDS（Meta Identification TEDS） .............. 18
2.4 总体设计......................... 19
2.4.1 IEEE1451.2 智能传感器模型改进 ..... 19
2.4.2 系统总体框架....... 19
2.5 本章小结......................... 21
3 PH 智能变送器硬件设计.... 22
3.1 PH 智能变送器的功能要求 ........................ 22
3.2 PH 智能变送器硬件设计总体概况 ............ 23
3.3 传感器选型................... 23
3.3.1 温度传感器选型... 23
3.3.2 pH 传感器的选型.. 24
3.3.3 玻璃电极性能实验研究..................... 26
3.4 MCU 28
3.5 信号调理变送电路设计 28
3.5.1 pH 传感器信号调理变送电路 ............ 29
3.5.2 温度传感器信号调理变送电路......... 29
3.6 A/D 转换器.................... 30
3.7 电源电路设计 ............... 31
3.8 看门狗复位电路设计.... 33
3.9 存储模块电路设计........ 35
3.9.1FLASH 存储器 ....... 35
3.9.2TEDS 电子数据表格硬件设计............ 35
3.10 总线接口电路设计..... 37
3.10.1 RS-485 ................. 37
3.10.2 MAX3078E.......... 38
3.11 本章小结 ..................... 38
4 PH 智能变送器嵌入式软件设计...................... 40
4.1 STIM（下位机）软件设计 ........................ 40
4.1.1 STIM 模块 ............. 40
4.1.2 数据采集处理模块 42
4.1.3 串口通信模块........ 43
4.2 上位机应用程序设计.... 46
4.2.1 上位机主程序设计 47
4.2.2 上位机应用程序具体设计................. 48
4.3 TEDS 电子数据表格软件实现................... 49
4.3.1 TEDS 数据传输.... 49
4.3.2 Meta- TEDS 实现 . 50
4.3.3 pH 通道 TEDS 实现........................... 53
4.3.4 Meta-Identification TEDS 实现 .......... 55
4.4 本章小结 ....................... 57
5 PH 智能变送器试验研究.... 58
5.1 校正实验研究 ............... 58
5.1.1 校正引擎概述........ 58
5.1.2 常用校正方法........ 59
5.1.3 温度传感器校正.... 60
5.1.4 pH 传感器校正...... 62
5.1.5 Calibration TEDS 实现 ....................... 63
5.2 智能测试仪性能研究.... 66
5.2.1 实验目的................ 66
5.2.2 实验方法................ 66
5.2.3 实验内容............... 67
5.2.4 实验设备................ 67
5.2.5 实验现场图片........ 67
5.2.6 实验结果与分析.... 68
5.3 本章小结 ....................... 69
6 总结与展望.......................... 70
6.1 总结. 70
6.2 研究展望....................... 70
参考文献... 72
致 谢……………………………… 75
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- 硕士论文-基于IEEE1451标准水产养殖水质pH智能变送器研究
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发表于 2011-6-10 02:21:48