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本文介紹了基于ATmega128單片機的智能在線溶解氧分析儀的設計。本設計綜合應用了低功耗的單片機和外圍芯片，并采用了靈敏度高、穩(wěn)定性強的 電化學傳感器。總體設計實現(xiàn)了系統(tǒng)的測量精度高、低功耗、穩(wěn)定性好等特性，同時達到智能化處理和中英文操作的功能，已廣泛應用于水質溶解氧的在線檢測。
關鍵字：溶解氧；極譜式；電化學；ATmega128
0 引言
近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，越來越多的人開始意識到監(jiān)測水中溶氧的必要性和重要性。尤其是大中型發(fā)電廠、水處理廠、油田及環(huán)保等單位，為確保水質，保證設備長期正常運行，必須嚴格地監(jiān)測和控制所用水中的溶解氧含量。
目 前,普遍采用專用儀器（溶氧儀）代替化學法測定溶解氧含量。溶氧儀主要由主機和傳感器(電極) 構成。傳感器主要有兩種,即原電池式“DO”電極和極譜式復膜電極。原電池式“DO”電極由于消耗電極材料、精度低、壽命短而逐漸被淘汰。而極譜式復膜電 極以其受干擾小、使用壽命長、便于儲存等優(yōu)點被大量應用在DO測量上。目前，國內也生產極譜式電極溶氧儀,但存在準確度差、穩(wěn)定性差、定標復雜、各種補償 功能不足的缺點。國外的溶氧儀雖然精度高 ,但其價格昂貴，維護困難，難以滿足國內的需求。因此，設計了基于ATmega128微控制器的智能在線溶解氧分析儀，該系統(tǒng)具有低功耗、精確度高、穩(wěn)定 性好、存儲量大等特點。
1測量原理
測量水中溶解氧含量的儀表屬于電流式分析儀器，電流式分析儀的傳感器能夠把被分析物質濃度的變化轉換成電流信號的變化。按工作原理的不同，又可分為原電池式和極普式。本設計是基于極普式工作原理的。
1.1極普式原理
在極普型電流傳感器的陰、陽電極間施加從小到大的電壓時，由于溶液中某種被分析物質的存在，測量輸出電流可以得到如圖1所示的極譜圖。
由圖1可知，當電壓小于Uo時，極限擴散電流I≈0，隨著電壓U增高，I按指數(shù)函數(shù)規(guī)律上升，直至U≥U1，I趨于穩(wěn)定值Io，且Io與被測物質的濃度成正比。Io/2對應的電壓U1 /2稱為半波電位，其值僅與被測物屬性有關，可作為定性分析的依據(jù)。
當溶液中存在多種物質時，各物質對總極限擴散電流都有貢獻，當要用極譜法在線連續(xù)測量溶液中某物質時，例如溶解氧濃度時，就會受到某些物質的干擾，所以必須用有選擇性的膜將樣品液與電極室隔離。
1.2傳感器工作原理
根據(jù)極譜原理，傳感器制成一個特殊的電解池。其參比電極（陽極）采用表面積為64cm2的銀電極，而測量電極 （陰極）采用表面積僅為0.8cm2的金電極。金電極為極化電極，銀電極為去極化電極，支持濃度為0.7—1mol/L的KCL電解液。實驗表明，當電解 池的外加電壓在某一恒定值時，電解液中的溶解氧產生的電解電流具有極限擴散電流的特征，即電流的大小與電解池的工作電壓無關，得到氧的極譜曲線如圖2所 示，這時電極上的電極反應為：
由極譜分析原理可知，傳感器在一定的溫度下，電解液中溶解氧產生的極限擴散電流與溶解氧的濃度成近似線性關系（見圖3中）。
2 總體設計
智能在線溶氧儀的設計以低功耗8位控制器ATmega128為核心，其總體的設計框圖如圖4所示。可分為八個部分：微控制器、氧傳感器、溫度傳感器、信號處理及A/D轉換、鍵盤顯示電路、標準電流輸出電路、報警及控制電路和通信接口電路等。
圖4總體設計框圖
氧傳感器及溫度傳感器輸出的模擬信號，經過放大處理后，進行A/D轉換，并將轉換后的數(shù)字信號輸入微控制器進行分析處理，然后對數(shù)據(jù)進行存儲和上傳，并顯示。
智能在線pH分析儀的硬件設計是基于低功耗的ATmega128單片機，不僅可以用來控制其本身的低功耗工作模式，并且可以通過編程控制外圍器件的低功耗工作方式，節(jié)約能量。并且多采用高精度、高性能的芯片，實現(xiàn)了整體設計的精度高、功耗低、穩(wěn)定性好等特性。
3硬件設計
3.1微控制器
微控制器選用AVR單片機家族中的高性能單片機ATmega128。ATmega128是基于RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，廣泛用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設備、家用電器等各個領域。
ATmega128 具有如下特點：內嵌高質量的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產品的調試、開發(fā)、生產、更新；內嵌長壽命的E2PROM可長期保存關鍵數(shù)據(jù)，避免斷電 數(shù)據(jù)丟失；并且可外擴多達64KB的優(yōu)化外部存儲器空間；具有PWM 功能的定時器/ 計數(shù)器(T/C)；具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器；SPI 串行端口；與IEEE 1149.1 規(guī)范兼容的JTAG 測試接口( 此接口同時還可以用于片上調試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍:2.7～5.5V；抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計的工作量和硬件的使 用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級要求，達到-55℃--+125℃。
基于上述特點，選用了ATmega128單片機作為智能在線pH分析儀的核心控制器。
3.2 傳感器
傳感器采用的復合式溶氧傳感器，其中氧傳感器基于極譜原理，溫度傳感器采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）。
3.3 信號處理及A/D轉換
傳感器輸出的微電流信號先經過電流/電壓轉換及放大（如圖5）后，輸入電流與輸出電壓的關系式為：
再經過低通濾波后，進行模數(shù)轉換。
為了提高精度，模數(shù)轉換選用具有和差轉換技術（∑-Δ技術）的AD7715，AD7715具有16位無誤碼輸出，0.0015%非線性度，前端增益可編程、內設自校準電路和低功耗等優(yōu)點。模擬信號通過多路模擬開關，將溫度和pH值信號輸入AD7715進行轉換。
3.4 輸出電路
輸 出電路由標準電流輸出電路、控制繼電器和通信接口等組成。利用ATmega128的ＰＷＭ（脈寬調制）輸出4—20mA標準電流，用于控制或外接記錄儀。 上下限報警以繼電器觸點方式輸出。通信電路采用RS485總線接口同上位計算機組成工控網絡，RS485 采用平衡式差分傳輸方式，抗干擾能力強，傳輸距離遠，通訊速率高。
3.5 鍵盤顯示電路
鍵盤顯示電路采用的是TFT3224真彩液晶顯示 器，支持256色，并且?guī)в杏|摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風格。觸摸屏接口芯片選用具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉換器 ADS7843。ADS7843具有使用溫度范圍廣（-10℃—65℃），低功耗（3.3V最大電流240mA），寬輸入電壓（2.7V—5.5V），輕 薄設計（高度10mm），低功耗模式等優(yōu)點。
4軟件設計
本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫。儀表的軟件采用模塊式結構, 按不同功能分為鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)處理、中斷處理等模塊。系統(tǒng)整體結構分明、緊湊、程序運行可靠,其主程序流程圖如圖6所示。
系統(tǒng)上電開機后首先進行系統(tǒng)初始化并自檢，完畢后打開測量程序開始對待測水質的溶氧值進行測量并在屏幕上顯示主測量值、溫度、時間和狀態(tài)參數(shù)等，同時檢測按鍵準備調用菜單程序。菜單程序包括：參數(shù)查詢、參數(shù)設置、系統(tǒng)維護和電極標定等。
在菜單操作過程中采用全程中文提示，方便用戶操作。
5 結論
經過模擬調試和現(xiàn)場調試，通過與國家標準和進口儀表的比對，該表已經符合國家標準，測量精度已接近進口儀表。可以作為在線式儀表用于水質溶氧值的連續(xù)檢測。
表1：本儀表與進口儀表對照表
|
溫度
（℃） |
進口儀表顯示 |
本儀表顯示 |
|
DO |
℃ |
DO |
℃ |
|
5.1 |
13.36 |
5.1 |
13.40 |
5.0 |
|
12.4 |
11.10 |
12.3 |
11.12 |
12.1 |
|
20.1 |
8.68 |
20.1 |
8.65 |
20.3 |
|
29.2 |
8.02 |
29.1 |
8.00 |
29.5 |
|
38.9 |
7.05 |
39.0 |
7.03 |
38.7 | <!-- /content -->
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