基于ATmega128单片机的智能在线溶解氧分析仪设计

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    Design of the Intelligent Online DO Analyzer Based on the ATmega128 Micro-controller
摘要：本文介绍了基于ATmega128单片机的智能在线溶解氧分析仪的设计。本设计综合应用了低功耗的单片机和外围芯片，并采用了灵敏度高、稳定性强的电化学传感器。总体设计实现了系统的测量精度高、低功耗、稳定性好等特性，同时达到智能化处理和中英文操作的功能，已广泛应用于水质溶解氧的在线检测。
关键字：溶解氧；极谱式；电化学；ATmega128
Abstract: A kind of design scheme of the Intelligent Online DO Analyzer based on the ATmega128 Micro-conteoller has been now presented. The ultralow-power single-chip ATmega128, other peripheral chips and high sensitivity and strong stability electrochemistry sensors are used synthetically in this scheme. The whole design can realize some traits such as high- precision, ultralow-power, strong stability of the system and it can also perform functions like intelligent processing and English-Chinese hinting, which have been widely used to measure the water DO property on line.
Keywords: dissolved oxygen, polarographic, electrochemistry, ATmega128
0 引言
近年来，随着科学技术的不断发展，越来越多的人开始意识到监测水中溶氧的必要性和重要性。尤其是大中型发电厂、水处理厂、油田及环保等单位，为确保水质，保证设备长期正常运行，必须严格地监测和控制所用水中的溶解氧含量。
目前,普遍采用专用仪器（溶氧仪）代替化学法测定溶解氧含量。溶氧仪主要由主机和传感器(电极) 构成。传感器主要有两种,即原电池式“DO”电极和极谱式复膜电极。原电池式“DO”电极由于消耗电极材料、精度低、寿命短而逐渐被淘汰。而极谱式复膜电极以其受干扰小、使用寿命长、便于储存等优点被大量应用在DO测量上。目前，国内也生产极谱式电极溶氧仪,但存在准确度差、稳定性差、定标复杂、各种补偿功能不足的缺点。国外的溶氧仪虽然精度高 ,但其价格昂贵，维护困难，难以满足国内的需求。因此，设计了基于ATmega128微控制器的智能在线溶解氧分析仪，该系统具有低功耗、精确度高、稳定性好、存储量大等特点。
1测量原理
测量水中溶解氧含量的仪表属于电流式分析仪器，电流式分析仪的传感器能够把被分析物质浓度的变化转换成电流信号的变化。按工作原理的不同，又可分为原电池式和极普式。本设计是基于极普式工作原理的。
1.1极普式原理
在极普型电流传感器的阴、阳电极间施加从小到大的电压时，由于溶液中某种被分析物质的存在，测量输出电流可以得到如图1所示的极谱图。



     由图1可知，当电压小于Uo时，极限扩散电流I≈0，随着电压U增高，I按指数函数规律上升，直至U≥U1，I趋于稳定值Io，且Io与被测物质的浓度成正比。Io/2对应的电压U1 /2称为半波电位，其值仅与被测物属性有关，可作为定性分析的依据。
当溶液中存在多种物质时，各物质对总极限扩散电流都有贡献，当要用极谱法在线连续测量溶液中某物质时，例如溶解氧浓度时，就会受到某些物质的干扰，所以必须用有选择性的膜将样品液与电极室隔离。
1.2传感器工作原理
根据极谱原理，传感器制成一个特殊的电解池。其参比电极（阳极）采用表面积为64cm2的银电极，而测量电极（阴极）采用表面积仅为0.8cm2的金电极。金电极为极化电极，银电极为去极化电极，支持浓度为0.7—1mol/L的KCL电解液。实验表明，当电解池的外加电压在某一恒定值时，电解液中的溶解氧产生的电解电流具有极限扩散电流的特征，即电流的大小与电解池的工作电压无关，得到氧的极谱曲线如图2所示，这时电极上的电极反应为：







由极谱分析原理可知，传感器在一定的温度下，电解液中溶解氧产生的极限扩散电流与溶解氧的浓度成近似线性关系（见图3中）。



2 总体设计
智能在线溶氧仪的设计以低功耗8位控制器ATmega128为核心，其总体的设计框图如图4所示。可分为八个部分：微控制器、氧传感器、温度传感器、信号处理及A/D转换、键盘显示电路、标准电流输出电路、报警及控制电路和通信接口电路等。



图4总体设计框图
氧传感器及温度传感器输出的模拟信号，经过放大处理后，进行A/D转换，并将转换后的数字信号输入微控制器进行分析处理，然后对数据进行存储和上传，并显示。
智能在线pH分析仪的硬件设计是基于低功耗的ATmega128单片机，不仅可以用来控制其本身的低功耗工作模式，并且可以通过编程控制外围器件的低功耗工作方式，节约能量。并且多采用高精度、高性能的芯片，实现了整体设计的精度高、功耗低、稳定性好等特性。

  
         
   

3硬件设计
3.1微控制器
微控制器选用AVR单片机家族中的高性能单片机ATmega128。ATmega128是基于RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，广泛用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。
ATmega128具有如下特点：内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，便于产品的调试、开发、生产、更新；内嵌长寿命的E2PROM可长期保存关键数据，避免断电数据丢失；并且可外扩多达64KB的优化外部存储器空间；具有PWM 功能的定时器/ 计数器(T/C)；具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；SPI 串行端口；与IEEE 1149.1 规范兼容的JTAG 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试)；低电压供电、宽工作电压范围:2.7～5.5V；抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计的工作量和硬件的使用量；工作温度范围符合工业级要求，达到-55℃--+125℃。
基于上述特点，选用了ATmega128单片机作为智能在线pH分析仪的核心控制器。
3.2 传感器
    传感器采用的复合式溶氧传感器，其中氧传感器基于极谱原理，温度传感器采用负温度系数的热敏电阻（NTC）。
3.3 信号处理及A/D转换
传感器输出的微电流信号先经过电流/电压转换及放大（如图5）后，输入电流与输出电压的关系式为
  　　         





再经过低通滤波后，进行模数转换。
为了提高精度，模数转换选用具有和差转换技术（∑-Δ技术）的AD7715，AD7715具有16位无误码输出，0.0015%非线性度，前端增益可编程、内设自校准电路和低功耗等优点。模拟信号通过多路模拟开关，将温度和pH值信号输入AD7715进行转换。
3.4 输出电路
输出电路由标准电流输出电路、控制继电器和通信接口等组成。利用ATmega128的ＰＷＭ（脉宽调制）输出4—20mA标准电流，用于控制或外接记录仪。上下限报警以继电器触点方式输出。通信电路采用RS485总线接口同上位计算机组成工控网络，RS485 采用平衡式差分传输方式，抗干扰能力强，传输距离远，通讯速率高。
3.5 键盘显示电路
键盘显示电路采用的是TFT3224真彩液晶显示器，支持256色，并且带有触摸屏功能，改变了以往单一颜色显示、按键操作的风格。触摸屏接口芯片选用具有同步串行接口的12位取样模数转换器ADS7843。ADS7843具有使用温度范围广（-10℃—65℃），低功耗（3.3V最大电流240mA），宽输入电压（2.7V—5.5V），轻薄设计（高度10mm），低功耗模式等优点。
4软件设计
本系统的软件采用C语言编写。仪表的软件采用模块式结构, 按不同功能分为键盘、显示、数据处理、中断处理等模块。系统整体结构分明、紧凑、程序运行可靠,其主程序流程图如图6所示。
系统上电开机后首先进行系统初始化并自检，完毕后打开测量程序开始对待测水质的溶氧值进行测量并在屏幕上显示主测量值、温度、时间和状态参数等，同时检测按键准备调用菜单程序。菜单程序包括：参数查询、参数设置、系统维护和电极标定等。
在菜单操作过程中采用全程中文提示，方便用户操作。



5 结论
经过模拟调试和现场调试，通过与国家标准和进口仪表的比对，该表已经符合国家标准，测量精度已接近进口仪表。可以作为在线式仪表用于水质溶氧值的连续检测。



本基于ATmega128微控制器的智能在线溶氧仪实现了高精度的测量、稳定性好、低功耗、以及操作简单方便等特点。
参考文献：
[1] 李颖卓, 赵文忠, 卢伟宏. SED1335控制器在石化分析仪器中的应用[J]。 微计算机信息 , 2005年21期，10-1：107-108。  
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[3]陈冬云等.ATmega128单片机原理与开发指导[M].北京：机械工业出版社，2005.
[4]8-bit AVR Microcontroller with 128K Bytes In-System Programmable Flash ATmega128/ATmega128L[Z].05/04
[5]应用嵌入式系统实现溶氧测量温度补偿 自动化仪表 2005年 06期
本文作者创新点:  本人在在线式水质仪表中首次使用了高性能的微处理器，提高了仪表测量实时性的，这对于在线式仪表是必要的，另外，使用了带触摸功能的彩色显示屏，为水质仪表的发展向前迈了一大步。
作者简介： 李永富，男，（1978-），硕士研究生，主要研究方向为智能仪器仪表技术。
联系地址：郑州市大学路75号郑州大学物理工程学院2004级研究生 李永富        邮编：450052

      

卓钢锴

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