鄭貴林，徐沾偉

（武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430072）

0 引言

溶解氧是指空氣中的分子態(tài)氧溶解在水中的濃度。天然水中溶解氧近于飽和值，水中微生物繁殖旺盛;水體受到有機(jī)物與還原性物質(zhì)污染，溶解氧濃度下降。當(dāng)溶解氧消耗速度大于空氣中氧氣向水中的溶解速度時(shí)，水中溶解氧濃度趨于零，此時(shí)厭氧菌得以繁殖，使水體惡化，所以，溶解氧濃度能夠反映出水質(zhì)的受污染程度。同時(shí)，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)來說，水中溶解氧對魚類等的生長也有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)溶解氧低于4 mg/L時(shí)，就會引起魚類窒息死亡。對于人類來說，健康的飲用水中溶解氧含量不得小于6 mg/L［1］。因此，水體溶解氧含量的測量，對于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

目前，溶解氧測量方法主要有碘量法，光纖法，熒光法，電流測量法［2］。碘量法是純粹的化學(xué)法，不適合做在線監(jiān)測。光纖法與熒光工藝復(fù)雜，成本高。電流測量法主要是采用極譜式溶解氧電極，通過在電極陽極加0.685 V直流電壓作為激勵，電極陰極會輸出nA級的弱電流。電流測量法測量原理簡單，精度高，但是，極譜式溶解氧電極斷電后需要有4～6 h的激化才能正常使用［3］。本文針對極譜式溶解氧電極的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的溶解氧傳感器，在保證測量精度、設(shè)備功耗的情況下，大大縮短了溶解氧測量時(shí)間。

1 工作原理

極譜式溶解氧電極由陰極、陽極、KCl電解液以及氧擴(kuò)散膜組成，在陽極加上0.685 V直流電壓激勵，氧通過膜擴(kuò)散進(jìn)入電解液與Au電極和Ag電極構(gòu)成測量回路，陰極會輸出與氧濃度呈比例關(guān)系的nA級的弱電流信號。

設(shè)備工作原理如圖1所示，主要由極譜式溶解氧電極、MCU、激勵、信號處理與A/D轉(zhuǎn)換、溫度傳感器、RS—485通信接口六部分組成。MCU是設(shè)備的核心部件，負(fù)責(zé)電極模擬信號的采集、溫度傳感器的數(shù)據(jù)讀取、電源控制電路的控制以及與上位機(jī)的通信。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)，設(shè)備工作分為休眠與工作兩種模式。休眠時(shí)只有單片機(jī)與RS—485通信接口電路處于上電模式，其余電路均處于斷電狀態(tài)。當(dāng)上位機(jī)需要讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，通過RS—485發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，喚醒處于休眠狀態(tài)的設(shè)備，設(shè)備立即轉(zhuǎn)為工作模式，設(shè)備各部分電路上電，MCU等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，讀取A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換值同時(shí)讀取溫度傳感器的值，通過溫度補(bǔ)償算法計(jì)算出溶解氧值，通過RS—485接口發(fā)送到上位機(jī)。

圖1 工作原理Fig 1 Working principle

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由極譜式溶解氧電極、電路結(jié)構(gòu)、連接電纜三部分組成。電路板固定在電路外殼內(nèi)。外殼采用防腐蝕的316 L不銹鋼材料。外殼兩端設(shè)計(jì)有2個(gè)螺紋接口A，B。A為一個(gè)六分管內(nèi)牙，用于連接極譜式溶氧電極。B為一個(gè)M16內(nèi)螺紋，用于連接防水接頭，電纜通過防水接頭引出。電纜采用防腐、防磨、耐候的水工電纜。設(shè)備的防水主要是依靠外殼兩端的螺紋結(jié)構(gòu)，在密封時(shí)，需在螺紋處涂抹汽車用汽缸密封膠。通過測試證明，設(shè)備可做到10 m水深防水。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig 2 Device structure

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 MCU

MCU采用低功耗、高穩(wěn)定性能的 NEC公司uPD78F0881單片機(jī)，采用CMOS工藝，QFP44封裝，片內(nèi)有2 k RAM，32 k ROM，兩路異步串口，一路 CAN接口，2個(gè)16位定時(shí)器，8路獨(dú)立的外部中斷口，充裕的 GPIO。uPD78F0881具有工作、休眠、停止三種工作模式，在停止模式下，功耗可低至20 μA。由于其高穩(wěn)定性能，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

3.2 電源管理

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)，采用誰工作誰上電的工作模式。采用圖3所示的電源控制電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備各部件上電、斷電操作。

電源控制電路主要由1只NPN三極管、1只PMOS管組成，主要應(yīng)用三極管電流導(dǎo)通、MOS管電壓導(dǎo)通的工作特定。電路的控制端連接單片機(jī)IO口，電源輸入端連接設(shè)備電源，負(fù)載電源連接到電源輸出端。當(dāng)控制端為低電平時(shí)，NPN三極管截止，PMOS管G端為高電平，PMOS管截止，電源輸出端無輸出;當(dāng)控制端為高電平時(shí)，NPN三極管導(dǎo)通，PMOS管G端為低電平，PMOS管導(dǎo)通，電源輸出端輸出電壓。

圖3 電源控制電路Fig 3 Power control circuit

3.3 激 勵

極譜式溶解氧電極激勵源原理如圖4所示，由精度為0.1%的電壓基準(zhǔn)源REF3312產(chǎn)生1.25 V的精準(zhǔn)電壓源，通過0.1%精度的電阻器R1，R2分壓得到0.685V的電壓，再經(jīng)過低功耗運(yùn)算放大器TLV2401構(gòu)成的電壓跟隨器，輸出極譜式溶解氧電極激勵。由于極譜式溶解氧電極屬于電化學(xué)原理，其阻抗必定不是恒定的，因此，加入一級電壓跟隨器，利用運(yùn)算放大器輸入阻抗大、輸出阻抗小的特性，起到隔離作用，保證了激勵輸出的穩(wěn)定性。

電壓基準(zhǔn)源與運(yùn)算放大器均屬于有源器件，如圖4所示，電源不是直接加在有源器件的電源端，而是先傳入一個(gè)二極管，接到法拉級電容器上，再由法拉級電容器對有源器件充電。在設(shè)備工作時(shí)，電源通過二極管對法拉級電容器充電，在斷電時(shí)由于二極管的單向?qū)ㄐ?，法拉級電容器只能對電壓基?zhǔn)源與運(yùn)算放大器供電，保證電極兩端不管是在工作模式，還是在休眠模式均處于激勵狀態(tài)，大大減少了電極在測量時(shí)候的激勵時(shí)間。

圖4 激勵原理Fig 4 Excitation principle

3.4 信號處理與A/D轉(zhuǎn)換

信號處理電路如圖5所示，極譜式溶解氧電極輸入的弱電流信號進(jìn)入輸入端，通過由CA3140構(gòu)成的電流電壓電路先將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過精密儀表運(yùn)放AD627放大5倍進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。

極譜式溶解氧電極的輸出阻抗達(dá)到MΩ級，所以，第一級采用高輸入阻抗的 CA3140，其阻抗高達(dá)1TΩ。第二級采用ADI公司的低功耗單/雙電源供電的軌對軌儀表放大器AD627將轉(zhuǎn)換的弱電壓信號放大。AD627是一種低功耗的儀表放大器。它采用單、雙兩種電源供電模式，并可實(shí)現(xiàn)軌—軌輸出。AD627的失調(diào)電壓、失調(diào)漂移、增益誤差和增益漂移均較低，因此，AD627可將用戶系統(tǒng)的直流誤差降到最低。

圖5 信號處理Fig 5 Signal processing

A/D轉(zhuǎn)換器采用18位MCP3421。MCP3421內(nèi)部集成精度為0.5%的2.048 V的電壓基準(zhǔn)源，避免了由于外接基準(zhǔn)源帶來的干擾誤差，內(nèi)部集成前置放大器，采用I2C數(shù)字接口與單片機(jī)連接，通過I2C用戶可配置前置放大增益，A/D轉(zhuǎn)換周期，大大降低了設(shè)備成本，縮小了電路面積。采用2.5～5.5V的寬范圍工作電壓，降低了對電源的要求。

3.5 溫度傳感器

溫度傳感器采用美國Dallas公司出品的高精度數(shù)字溫度片上傳感器DS18B20。DS1820不需要外圍器件，采用單總線方式與單片機(jī)IO連接，單片機(jī)IO按照規(guī)定的時(shí)序，即可讀取溫度值。

DS1820具有一個(gè)唯一的64位地址，可實(shí)現(xiàn)多傳感器在單總線上的連接，內(nèi)部自動具有溫度修正算法，保證了輸出精度［4］。

3.6 通信接口

設(shè)備采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS—485接口作為輸出，可實(shí)現(xiàn)總線方式的多傳感器連接。RS—485采用平衡式差分傳輸方式，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，通信速率高，被大多數(shù)工業(yè)儀表作為與其他裝置的主要通信方式［5］。為了提高設(shè)備工作的可靠性，防止雷擊、感應(yīng)電流等外來干擾影響設(shè)備正常工作，在RS—485輸出端并聯(lián)了TVS放電管與玻璃放電管。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)上采用規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法。程序流程圖如圖6所示。

軟件部分以NEC的PMPLUS為開發(fā)平臺，使用C語言采用面向過程的思路編程。設(shè)備上電后系統(tǒng)初始化，主要包括單片機(jī)IO口初始化、I2C接口初始化、地址讀取。設(shè)備進(jìn)入休眠模式后，等待上位機(jī)通信中斷喚醒，主要有讀地址、設(shè)置地址、讀數(shù)據(jù)。過程完成后程序再次進(jìn)入休眠模式，等待下一次喚醒。

5 測試分析

采用經(jīng)過計(jì)量部門檢測校準(zhǔn)的溶解氧標(biāo)準(zhǔn)儀表與本文設(shè)計(jì)的傳感器在同一環(huán)境下做對比測試。采用電阻絲加熱的辦法改變水體的溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Software flow chart

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Data of experiment

從表1可以看出:本文設(shè)計(jì)的設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)儀表的輸出誤差在±0.1 mg/L內(nèi)，極譜式溶解氧電極的輸出最大可測量20 mg/L，因此，本文設(shè)計(jì)的溶解氧傳感器精度為0.5%。

6 結(jié)束語

本文介紹了基于極譜式溶解氧電極溶解氧傳感器的測量原理，分析了硬件、軟件設(shè)計(jì)過程。采用高精度的儀表運(yùn)算放大器與18位的集成A/D轉(zhuǎn)換器，提高了測量精度。采用法拉級電容器作為激勵電路的后備電源，克服了極譜式溶解氧電極斷電后激化時(shí)間長的缺點(diǎn)，提高了測量效率。

［1］戴文源，孫 力.水體溶解氧檢測方法［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，13（19）:77 －79.

［2］趙馨惠，俞秀生.極譜式在線溶解氧分析儀有關(guān)問題探討［J］.化工自動化及儀表，2007（1）:94－96.

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［4］包敬海，樊東紅，陸安山.基于 DS18B20的多點(diǎn)體溫檢測系統(tǒng)的研究［J］.自動化與儀表，2010，25（2）:20 －22.

［5］雷 杰，朱 驥，馬學(xué)宗.智能溶解氧傳感器的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，2007（2）:28 －30.