简介本资源为TDS水质传感器硬件设计核心资料包面向电子工程师、嵌入式开发者及环境监测类项目实践者解决水质检测模块原理图设计与电路实现的关键需求。压缩包共2个文件20KB含1份PDF格式原理图文档完整呈现传感器信号调理、电极驱动及温度补偿电路设计另附1份JSON格式元器件清单与接口定义便于快速导入EDA工具或开展PCB布局验证。已有89人下载学习适用于智能净水设备开发、IoT水质监测终端原型搭建及高校传感器课程实验。资料聚焦电导率法TDS测量原理落地明确标注电极材料选型依据、运放增益配置逻辑及温度补偿算法接口可直接用于硬件复现与二次开发显著降低传感器模块集成门槛。 做水质类项目TDS传感器基本是绕不开的器件。花几十块买一个成品模块接上单片机的ADC好像马上就能读数了。可一旦你需要在恶劣水质、长时间运行或者做产品化设计时读数漂移、探头极化、输出电平对不上的问题就都冒出来了。这个时候光会“接模块”是不够的必须回到原理图层面搞懂TDS传感器电路到底在做什么才能把信号稳定地采出来。这篇文章我会从TDS测量原理出发把常见TDS水质传感器的原理图逐块拆开讲然后给出完整的实操步骤、器件选型、参数计算和校准方法最后再把我踩过的坑、排查问题的方式整理成清单。适合正在做水质检测、农业灌溉、净水器控制、鱼缸监测项目的工程师和电子爱好者阅读。1. 为什么TDS传感器需要回到“原理图思维”1.1 TDS到底在测什么TDS是Total Dissolved Solids总溶解固体通俗讲就是水里溶解了多少无机盐、少量有机物和矿物质。它和“电导率”是一对孪生兄弟因为溶解在水中的离子越多水的导电能力越强。常规做法是测出水的电导率再乘一个系数估算TDS值单位一般用ppm或mg/L。但是在原理图层面你关心的不是“化学浓度”而是“电阻”。探头本质上就是两根平行的金属电极插在水里时水变成了一个电阻。这个电阻阻值会随着离子浓度变化离子浓度越高电阻越小。于是TDS测量电路就等价成了“测电阻电路”只要能把探头两端的阻抗变化变成一个稳定的电压信号后续ADC读数就顺理成章。理解这一点很重要因为很多人看原理图时以为探头是传感器信号是线性的直流输出结果看到电路里的振荡器、整流二极管就蒙了。其实探头只是一个可变电阻后面那一堆电路都是围绕“怎么准确测这个电阻”展开的。1.2 交流激励与直流极化的关系如果直接给探头加恒定直流电压比如5V正极那根电极会持续吸引水中的负离子负极那根会吸引正离子时间一长电极表面会形成一层离子富集层也就是极化现象。极化会让电极之间的等效阻抗发生漂移读数越来越不稳定甚至严重偏低尤其在矿泉水、海水这类高离子浓度水中更明显。所以正规的TDS传感器原理图里几乎不会用直流直接激励探头而是用交流方波或正弦波。交流信号让电极两端的极性不断翻转正负极交替时间很短离子来不及富集极化就被抑制了。市面上常见的TDS模块激励信号频率一般设计在1kHz到10kHz之间这个频率既能有效抑制极化又不会高到让电容效应干扰测量。你去看原理图如果发现探头前面接了一个振荡器而不是一个稳压源那就说明设计师把极化问题考虑进去了。这一点也是判断一个TDS模块靠不靠谱的快速标准。1.3 原理图设计的核心目标理解了探头是个可变电阻理解了必须用交流激励整个原理图的功能就清晰了。电路做的其实就是这几件事产生稳定的交流激励信号加在探头上让流经水的电流保持固定或已知。把随电阻变化的电流或电压信号进行调理包括整流、滤波、放大变成直流电压。通过电压跟随器或缓冲器降低输出阻抗让后级ADC能准确采集。处理电源噪声和参考电压保证激励和采集的基准稳定。所以当你拿到一张TDS原理图不要一上来就盯着一颗运放纠结先按“激励源→探头→信号调理→输出缓冲”这个链路去读复杂程度会大幅降低。2. 核心电路模块逐个拆解常见的TDS模块比如DFRobot Gravity模拟TDS传感器原理图很经典非常适合用来拆解学习。整块电路按功能可以分成四个模块。2.1 探头接口与激励信号产生原理图的最左侧一般是一个BNC座或PH2.0端子接两线探头。紧挨着探头的是一个振荡电路很多模块会直接用运放做方波振荡器或者用LM393比较器加反馈构成也有量产模块用NE555来产生方波。为什么要用方波而不是正弦波因为方波产生电路简单用比较器加RC就够而且幅值容易控制。关键参数是频率和幅值。频率通常选3kHz到5kHz左右幅值常见的是3.3V或者5V的方波再通过分压电阻把加到探头上的电压限制在一个安全范围比如0.5V到1V peak避免高电压加速电极损耗。这一级还有一个容易被忽略的元件串联电容。探头的激励信号在进入电极前会串一颗电容它的作用是“隔直”确保没有直流分量叠加在探头上。前面讲了极化问题如果这里的电容省了或者漏液探头很快就会漂移。设计时还要注意电容材质尽量用C0G或薄膜电容容值在100nF到1uF左右用普通陶瓷电容容易因为压电效应引入噪声。2.2 信号调理整流、滤波、跟随探头两端的交流电压会随水的电阻变化。接下来是一级整流电路。很多模块用一只二极管做半波整流简单但会有0.3V到0.7V的导通压降导致小信号失真。更讲究一点的模块会用运放做“精密整流”把二极管的压降放进反馈环里抵消掉。如果你画原理图时看到运放接成反相输入且反馈回路里夹着二极管基本就是精密整流。整流后是滤波一般是RC低通把脉动的直流变成平滑电平。R和C的时间常数决定了响应速度设计目标是在读数稳定和跟随速度之间取平衡。跟着滤波的往往是运放电压跟随器把滤波电容上的高阻抗信号变成低阻抗输出这样接ADC时不会因为采样电容的开关效应把电压拽下来。这一级调试时重点看波形。用示波器探头的GND夹住模块地测量跟随器输出脚应该在稳定水质下看到一个干净的直流电压纹波不要超过10mV。如果波形是带有明显锯齿或毛刺多半是滤波时间常数太小或输出端没有加10uF和0.1uF电容组合。2.3 ADC采样与输出接口经过信号调理后输出的是一个直流电压。不同模块的输出电压范围不一样常见的有0到2.3V、0到3.0V、0到3.3V。为什么不做成满量程5V因为大多数MCU的ADC参考电压是3.3V或片内1.2V而且TDS信号本身动态范围不大输出超出3.3V没有意义。直接接ADC时要注意两点。第一输出阻抗要足够低电压跟随器已经解决了这个问题。第二ADC输入引脚通常建议串一个100到1k的限流电阻再对地接一个1nF到10nF的电容做低通滤波抑制高频采样噪声。如果你的MCU ADC参考电压是3.3V而模块输出上限只有2.3V可以正常使用只不过满量程没有完全利用。还有一些工业化TDS模块会把模拟电压直接送到比较器在内部设定阈值输出TTL电平用于简单触发。不过精度高一点的方案都是让MCU采集模拟值再用查表或公式计算出TDS。2.4 电源与参考电压设计TDS模块看起来简单但对电源比较敏感因为它测的是模拟小信号而激励振荡器又会产生开关噪声。原理图里电源引脚处一定会有去耦电容常见布局是10uF钽电容或电解电容并联0.1uF陶瓷电容靠近电源引脚放置。如果系统里还有其他数字电路比如继电器、高压泵建议单独用一颗LDO给TDS模块供电不要直接从24V经过电阻分压供电。我实测过很多次直接用DCDC开关电源给模块供电时输出波纹会达到几十毫伏TDS显示数值波动很大换成LDO后稳定很多。对于要求更高的设计会在模块内部增加一颗低噪声基准电压芯片比如TL431或REF3325给运放和振荡器提供稳定偏置。原理图里能看到一个独立基准IC而不是直接用VCC说明这个模块在温漂和长时间漂移上做了功课。3. 实操过程从原理图到可用的TDS检测模块3.1 器件选型与理由如果你打算自己画原理图并打板选型是一个关键环节。我可以分享一套经过实测的组合。激励振荡器用LM393双比较器如需要更好性能可选LM393A便宜、功耗低、驱动能力强。也可以用NE555但要额外考虑定时器的精度。部分人用LM358运放搭文氏桥振荡器但输出正弦波幅值不稳定不太推荐。探头接口建议用BNC座加两芯屏蔽线屏蔽层接电路地能有效避免工频干扰。如果空间有限用PH2.0端子也行但线要越短越好。整流管想要低成本就选1N5819肖特基二极管压降低。想要高精度用双运放做精密整流比如LMV358。运放可用SGM8521、LMV321等单电源轨到轨运放注意要支持3.3V或5V单电源且输入共模范围到地。电容滤波电容用C0G电容或薄膜电容电源去耦用MLCC。电位器预留一个10k多圈电位器用于校准增益后期方便调。这些器件都非常通用在立创商城能买到不建议在这个阶段追求昂贵器件。3.2 关键参数计算自己设计原理图时最常卡住的地方是参数计算尤其是振荡频率和分压电阻。我直接给出一套计算方式。激励振荡频率如果使用NE555或比较器构成方波发生器频率近似公式是f ≈ 1.44 / ((R1 2×R2) × C1)若要产生5kHz方波R11kΩR210kΩC10.01uF即10nF时频率约为f ≈ 1.44 / ((1000 20000) × 0.00000001) ≈ 6857Hz如果频率偏高把C1改成22nF频率会降到约3.1kHz。具体取值可以微调只要落在1kHz到10kHz区间都算合理。探头上的激励幅值也需要计算。假设供电5V方波输出5V经过一颗100nF隔直电容后探头的交流叠加在2.5V中点。如果串接了一个1k电阻和一个探头等效电阻探头本身分压范围大约是几百mV到几V。为了让高TDS水也能产生明显信号通常把探头分压网络设计成探头阻抗与串联电阻相近这样信号变化最灵敏。加在探头上的直流偏置来自隔直电容通常不需要刻意设置但要注意后级整流电路的输入需要设定在VCC/2附近确保正负半周都能通过。滤波器的截止频率可以根据需要的响应速度来选。如果希望看到稳定的TDS数值截止频率可以设在10Hz左右时间常数约16ms。公式fc 1 / (2π × R × C)比如R10kΩC1uFfc≈15.9Hz这个值适合大多数水质监测场景。3.3 电路实现与调试步骤把原理图画好后建议先用面包板或洞洞板搭一版验证无误再画PCB能省很多事。这里给出完整的调试步骤。第一步先不插探头给电路上电。用示波器测量振荡器输出确认波形是干净方波频率、幅值符合设计值。如果波形变形检查电容充电回路是否被负载影响。第二步把探头插到标准水里比如TDS500ppm的标定液或者用500mg/L的NaCl溶液代替。测量整流滤波后的输出应该是一个稳定的直流电压。如果电压为0看看是不是整流二极管方向接反了。第三步微调增益电位器让输出落在ADC量程的中段比如1.65V左右。这一步不要追求满量程留出余量给高TDS水。第四步把输出接到单片机的ADC引脚。在采样前加一级数字滤波比如多次采样取平均能有效降低随机噪声。第五步做全量程测试用几个不同浓度的标准液从低到高测量记录输出电压和实际TDS的对应关系。整个调试过程中我最常犯的一个错误是忘了给探头留温度补偿位置。TDS受温度影响很大25℃时测得500ppm的液体到15℃可能只有400ppm。如果你的项目对精度有要求一定要在原理图里预留NTC热敏电阻接口。3.4 校准流程两点校准怎么做TDS传感器本质上不是绝对测量器件必须校准。最常见的校准方法是两点校准不推荐只做一点。准备两种标准液比如341μS/cm和1413μS/cm的电导率标准液对应TDS值大约170ppm和740ppm按0.5系数。如果手头没有电导率标准液可以用分析纯NaCl加纯水配制但不建议用厨房盐因为纯度不够。把探头洗净放入第一种标准液等读数稳定后记录ADC值。再把探头放入第二种标准液记录ADC值。通过两点可以连出一条线性关系TDS k × ADC b。在你的代码里保存这个k和b就完成了最简单的线性校准。校准时的注意事项探头不要贴着杯子壁探针之间要完全浸没但不要淹到探头根部以上的电路部分。每次换溶液前用去离子水彻底冲洗探头再用吸水纸轻轻蘸干不要擦拭避免损坏电极。标准液温度要尽量接近25℃或者在代码里做温度补偿。两点校准通常能保证±10%以内的读数误差对家庭净水、鱼缸监测来说完全够用。4. 常见问题与排查技巧实录我做了几年水质监测项目遇到过很多看似“玄学”的故障最后都能在原理图层面找到原因。这一节整理成排查手册按问题现象分类。4.1 读数漂移长时间观测数值缓慢上升这是最常见的状况。首先看探头是不是被污染了水垢、油膜附着会让电极表面有效面积变小导致读数不稳定。还有一种原因是激励信号幅值在漂移如果供电电压从5V慢慢跌到4.8V输出就会随之下降。用万用表长时间监测电源电压即可判断。如果排除了这两个因素重点检查整流二极管的温度稳定性。普通二极管在长时间工作时结温升高压降变小输出会略微上升。这也是为什么量产模块选肖特基或者精密整流方案。最后一种容易忽略探头长期浸泡在高浓度溶液中电极表面发生氧化或析出反应。这种问题只能定期清洁或更换探头。4.2 读数显著偏低甚至一直为零当你确定水里离子浓度不低读数却为零多半是探头上有直流分量发生了极化。用示波器差分测量探头两端波形如果波形中心不在0V而是有直流偏置说明隔直电容失效或电路里存在漏电路径。还有一种情况是激励源根本没有输出。我遇到过LM393因为输出端外接电容过大导致振荡器无法起振。示波器接上去就发现问题了方波变成了直流电平。普通半波整流模块如果输入信号太小整流二极管根本无法导通读数也会低得离谱。这时可以增大激励幅值或改用精密整流电路。4.3 ADC读数跳变很大数值乱跳这类问题一般是干扰或接触不良。检查探头线和电路之间的连接器BNC座松动或者端子氧化都会制造随机电阻。再把探头线换成了屏蔽线并且在模块输出端加一个10uF电解电容和一个0.1uF陶瓷电容并联到地跳动幅度通常会大幅降低。如果是开关电源供电尝试换成LDO线性稳压。在许多项目里这一步直接解决了问题因为DCDC的开关噪声进入了模拟链路。还有一种和代码有关的因素ADC采样时间太短采样电容还没充满就读取导致偶尔跳变。解决办法是在读取时把采样周期拉长比如设置在20us以上或者连续采样16次取平均。4.4 输出电平与ADC量程不匹配满量程读数一直满码当探头在高浓度水中时输出超过MCU的ADC参考电压此时读数一直满码是正常的但会损失测量范围。正确的做法不是改大分压电阻而是调整激励分压网络降低加在探头上的电压或者把增益电位器调低。从这里能看到原理图设计时预留电位器的重要性。如果没有电位器就只能换电阻调试成本很高。所以哪怕是做小批量也建议在反馈回路里放一个可调电阻。4.5 实测排查速查表问题现象可能原因排查方法读数持续上升探头污染、电源纹波、二极管热漂移清洗探头测5V电压测二极管压降读数偏低探头极化、激励幅值不够、整流管压降观察探头波形是否有直流偏置读数乱跳接触不良、干扰、供电噪声检查接头加输出滤波换LDO读数满码电路增益过大、ADC参考电压偏低调节电位器检查ADC参考电压校准后偏差大标准液浓度不对、温度没补偿换标准液加NTC温度补偿5. 还可以往哪些方向扩展5.1 温度补偿不能省水的电导率和温度密切相关大约每升高1℃电导率提高2%左右。如果不补偿夏天和冬天同一杯水读数会差很远。硬件上可以增加一颗NTC热敏电阻通过调理电路把温度变送为电压交给MCU读取。软件上可以用公式也可以查表简单一点按25℃基准做一个线性修正即可。我的建议是直接在原理图里预留一个3Pin的温度探头接口哪怕第一版不用后续升级也方便。否则等产品测试发现问题再改板周期就很长了。5.2 数字输出和一体化设计很多项目不满足于模拟输出需要把TDS传感器做成RS485或4-20mA工业信号。这时原理图会多出一级传感器信号处理电路模拟TDS电压经过ADC采集进入单片机再转成Modbus协议。这类设计的关键是把ADC地和数字地分开在原理图中用0Ω电阻单点连接避免数字噪声污染模拟测量。如果你正在画的原理图是从零开始的最好参照常见的Aquarium TDS模块它们的电路公开程度高、资料多适合作为基础模板。5.3 电极保护与自清洁设计长期监测的净水器和农业设备探头容易长藻类或结垢。原理图里可以加一个MOS管电路定时切换探头极化方向并短暂提高激励电压起到电化学清洁作用。这个功能在低成本方案里非常加分虽然原理图复杂了一点但对产品的长期稳定性提升很明显。最后说点实在的我自己的体会是TDS传感器电路难在“看似简单实际全是模拟细节”。如果你只是玩一玩买成品模块就够了但只要你打算改量程、加温度补偿、解决漂移问题就必须拿着原理图一块一块看甚至自己画一版。先搭面包板再画PCB能帮你少走很多弯路。调试时不要嫌麻烦每一步都用示波器和万用表确认波形和电平问题往往早早就暴露出来。另一个小技巧是所有校准和测试记录都写在实验本上包括当时的温度和电压值因为这些数据后续排查问题时会非常有用。希望这篇文章能帮你在TDS传感器原理图上省下一些摸索时间直接做出稳定可靠的电路。本文还有配套的精品资源点击获取