基于MSP430单片机的溶解氧测量仪

基于MSP430单片机的溶解氧测量仪

2 00 9仪表技术 与传感器I ns tr meu nt T ec h n i q e u an d Se n o rs

20 0 N9o . 9

第 9期基于 MSP 4 3 0单片机的溶解氧测量仪刘庆，应邹全，行鸿(彦南京信息工程大，学苏南京江2 10 4 0 )4摘要:介绍了谱型溶解氧极极的工电原作理，低功耗以、高精度的 M PS 430单机片为核心处理器，计了能设速快、确准量测水溶解氧中测的仪量。并在对溶解氧极电度温性分析的基础上特，设计了软件温补度偿策略，现实了温自动度补偿。 现场试数据测表：明该测量仪响应速度快 性能稳，定，抗干扰能力强能满足环，境保护、产水殖养中测对精量度的求要关键词。:溶解氧； MS P 43 0;温度偿补中分图类号：T 2 1 P2 .6 献文标识：码 文A编章号：10 0—2 8 41 1( 20 90) 0 9— 003 3— 0 3

eM sau i n g r I s tnr u m en t o Dif ss o vl ed O y x egn Ba s ed o n SP4M 3 0I I u Q n g . Z iOU Y i n g q— a tu r .X I N G H o n g y a— (nN a n ji n g I fn or amt i o n S c ie n ec&T e c h n loo g y Uni v e sri t y N, an j i n g 2 1 0 0 4 4, hC i na ) Abs t acrt:The pic nri p l e o f t h ep ol a org ar phi c o yx e ng el cet r doe aw s i n t o dru c d,ea nd a qu i ck a d n ac c ura t e m e sa unir g in tsr—u

e mir t fo d i ss lo ve d o x y g en( O) wD a sd e si ng d e a sb ed o tnh e l ow p o w re co n su m t ip on a nd h i gh p—re c i s oi n M S P43 0 m i cro c o nt ro ll e .rO tnh e b as i so f ana l y z i n g t h e t e mp e ar t u

r e c ha r cat e is rt i c s o f O e l Dec t r o d, t eihs p pa e r d s ie g end a so ft a r ew t me e p ar t ur eco mp e s n t a io n

s tr at e g y. T h n,te he f u n t ic on o f a uto m a itc t e mp r ae t ur e c omp e n s a ti o na w s imp l em ne t e d.T he s p o t t set s i n d ic a t e hta t t h e me s a r u ni g i ns tr um et n h s a t he ch ar c t e ai r ts i sc o f f a st re spo ns e,s t abil i t ya d n s t r nog noi s e re si s t a n c e s .It c n a me e tth e me s uai nr g p erc i si o n i n e—n

v i o n rme n ta l pr ot ce t i o n a nd a q u a c ul tur e . Ke y w or ds d:i s s o lve odx y g e n;M PS 340; t e me rp a tu r e ocm pens a ti no0引

言的工极作原理 图如 1所示。 极电压化阳极溶解氧(D i s s o l e d v O xy g e ,n O)D是水体染污程度的重要指标，是衡量也质水的合综标指因此，水体。溶解含氧量测的量，对于环境监以及测水产养殖业的发展都具有重要意义。 目前溶解氧测 方法量主要有 碘量法电和流测量法，由于碘量法是一种纯化方学，操法作起来比较烦琐，不适快合准速确连续和测量溶氧。电流测解定法的测量速度比碘量要法，快操

电解液绝缘体阴极气体深 膜透溶液作便简干，扰 (少不水样色受度、浊度化及学滴定法中干物质扰的响影，)且而够能现场自动连续测检。目前场市上大多溶数氧测量仪器解是基都于电流测量法制研的，代表品主产有要美国 SYI公司的溶解氧测量仪，国目内一前些单位和研究机构已经 开发研制出一些基于电流测法小型

定溶氧解检测，如仪上海某生产厂的 P J J一S6 50溶型氧分解析等…,仪但其量测速度精度与国外和还有的一定差距。的

图1 解溶氧极的电工作 理原

当电极给加上 .0 6 8 V的极化电压时， 通过膜氧扩散 极阴释放电子阳极接受电产子生流电， 整个反应过程为极：阳4 Ag+4 C -L -,4A g CL 4+e 极阴：O, 2 H+,0+4 e —O 4H一

溶解该测量氧仪用极谱采薄型膜传器感对水中氧的进气行测量，以M SP4 3 0单机片主为制控芯片测。量仪具有度温补偿功能，能够快速确准连地续量测水中的溶解氧，且并备配有 S一 R48 5通接口讯可以进远行距多点测量离。 1溶解氧电极的 工作原理

据根法拉第律定流：过电极电流的和分压氧成正，比在 温不度时变，电极的输出电和氧浓度流问呈之性线系。关这样就 可以据电根输极电出的流大计算小出溶液的氧中度浓。 2溶解氧电极的温度特及性其补偿溶解氧测量仪采的用传感是器按照C l arK原制作理极的谱型薄膜传感器，传感器部分是由金极电(阴 )和极电银 (极阳极)及化钾或氯氢化钾氧解液以及氧电扩散组成膜，氧通过

在温膜不度变的情况，下解溶氧电极的输电出流溶和液中的分压成正氧，比但是随着液溶温度变的化，有很多因素影响 电极 的输出流，电主要是由于温 度的变化起引膜的氧穿透数系增扩散进电解入液与金极电和银电构极测成量回路。极谱型电

收稿日期： 2 00—80 9— 2收 9改修稿日期 2:0 90— 05 0—

加和氧2电在质解液溶的扩散中数增系大温。升度，高氧电的极

I

基于MSP430单片机的溶解氧测量仪

s n rt um n te T e ch n iq u e na d S e n o rs S e p 2 .00 9输出流电应相加增。度对温膜的影响可以用膜扩的散系与数溶 度解的阿仑尼 斯乌定律来估计。: IT=A pn, e ~+ oI ( ) 1分，其中主制控模以 M块SP 4 0单片机为3核处心理器，实溶现解信号氧采集处理和的示功显，原能框图理如图2示，所中其/ A转换部D分采用的 M是 S P43 0内置的1 2位转换块。模

中式，:为 T极稳电态响应电流；

I o氧为分压为零时的电极响应电流，一 般很小近接于 0n;A。p,被为测介质中氧分压 T;为透氧膜作工度温；和 』为4电与极 材料和结构有关的 2常个数。 由式( 1 )可知，由于电的本身极特性，温升高度，氧电的极扩电流散应增加相。这不合符解溶含氧量随温度升高下而降的变化规律，因此必须对 温度引起的量误测差进行补偿该溶。解氧测量仪温度补 方偿法 用软采件温度补偿，即在氧饱和

的净水中纯，量出溶测氧电极在不温同下度的输出电流，从而计算出不温同度下电的极温度数系 K测，时可量以据当前的溶根液温度查值对表量测果进结补偿行这。补偿方种法精度高，可以补弥传统硬件的温补偿度带所来补偿围范和补偿精度到受

图2 溶解氧测仪量硬件 原理框图

3 . 1氧传器感输模拟出理电调路溶解氧感器输出传是的电流信号，须把必流信号转化电电为压信号并 行进放大，才适合能 A/ D换转的求要。电路如图图限的缺制点。 3系统件设硬计3所示,溶解氧传感输器出的D O+信号(~100 0 n A)先首经过双算放大运器T LC2 7 2第一的级反向放大，大倍数放为1 0 。。然后经过低功运耗算放大器 TL C 27 1的第二反级放向大， 大倍放

个整系包括统主控制分部，信处号部理分和电源管理部图 3氧传感器输出信号 处理电路框图

数 2为O。为了克放大器服零的点漂移，在二第级放器之大前加了一个 负电压，这样可以保最终证的输出 压电DO O U T—大于零经计。算DO— O U T出输信的号围范为 .06 2 5~2. 2 6 5,然经后过滤波直送接/&D转换。 . 23测温路设电计溶解氧测量测量仪是的液溶中的度值温， 该测仪采量用精度高性能稳定、、测量范围宽铂的电阻作为温 度感传器。在温 t>度 0时℃,铂电的阻阻和温值度 t之有间如下的关系 7 j: R= R (o1+ ￡4+成 ) ( 2 )翻4叠度测■路电原理框圈式中： 为温度 t=℃0时 的值，该阻系所采统用的铂阻电心的

图中4 U。等于， A D变/的换基准值，为 2 5. V,为了使端两

的电大于压两的电端， R压。的阻值必大须于 R在温度测量围范内最大的值，同时了为保证桥路灵的敏，度。的R仅值需大于等或 R于的最。大即值，这可里取R 为1 . 25 0 k f 1 同时.明放确电大路桥路和的要：求= R,=如，心焉，而且= 了为降功耗低，电路计设中取= 心===10 0 k ll, =马心=4 0 0M放.大倍数 4为00。t:0℃时， V o=2 4. 5 V 1.= 60℃时， V o 0=. 1 8 V.输出压电滤经然波后送A/D转换。 4系统软件设

的计阻为 1值 0 0 0n,分度即号为Pt l 0 0的铂0电传感阻器；,AB为常，数国际温标规定 A3=. 9 8×01 。/ 0,℃=B一5 . 802× 10一 /℃ .

温度测原理量图图如4所 示铂，阻电 R 为作非平衡电

桥路电一个桥路的，通计算过以知可和道输出之间有如的关系式下： , 1 、

R (

I丽1 J R z ( ) 3通过查找铂阻电R 和温之度间的系表就关可以据根 R的大小知。当前道的温度值，分部据数表如所示。1溶解测量氧仪器件软部以分M S P 4 3 0 I A的R平为台，使用 C语言进行编程，个编整程过全程部以块模化设计。要包主括

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第9期

刘庆等：基于 SMP 4 03单机片溶的氧解量测仪表 I铂电阻阻值温与关度系 5结束语表

3 5

温度值 t/% O 1

2铂阻电R 值/ k D. 1 .oo O 1 . 0 04 1 . oo 8温度值t/% 31铂电阻 R值/ kD,1 . 12 1分析溶了氧解电极的工作理原，并在此础基以高精上度 ,低功耗的 SMP 4 3 0单片机为 核处心理器设计出一了种 能快连速

续测量水中溶解氧的精高测度仪量。测量该仪的量测范为围0~ 20. 0 0 m g/L,量测度精达 0到 0. 1m g/L .并根据溶氧解电极的 6 0 q c。试数据表测明该解氧测量仪溶应快、性响能稳定、测

度温特设计性了应相软的温件度补偿策略，度补偿温围为范0 5 85 9 2 9 3 0 1 . 1 3 1 1. l1 7 60 .12 2 5~1 .

2 29 量准确可，以广泛用于应产养水、殖环境测检、火发电厂等行1 .力 2 23

的液业体氧中含量的线在连监测。该续量测仪经已批生量，产并得到广泛应用。 参考文献：[ 1]戴源文，孙.力水体溶解氧检测方法.安农学徽通报， 020 7, 1 3 1 (19:7 7—7 9

.系初始化统溶，解氧信采号集分析与，温信号采度与计算，集温度偿计算补，结送 L C果D显示 5部。分盘键通和都讯采用断中

方处理式，提了高编程效。率另，外序程增还加了对报警的处理并且晶液单全部菜以中文显示便于用操户作整，个序程流程图如图 5示所。

2[] 大胡可 .MS P 4 3系0列F al s h型低超功 1耗6位单机.片j :京北京航空航 天学大版社， 2 0出 10 .

’ n’........ .. ..........[ 3]广辉张，邵鹤惠 .溶传感氧器的温特度研性究其及补偿 .传感术技学报, 2 0 0, 6 9 1 2 (: ) 3 2—332 .7

-/Y

I系统始初化 I 溶氧信号采集与析分温度信号采集计算与

4] T[R O MN AS,D E SM NO D. T em p e ar t ru e a nd p r es s u r e edp e nde n t s o ulb i l i — t y of o xy g en i n wa t e: A rt h e mrod yna mi c a an ly s i s . H d ymmet al l u r g, y

1 9 98, 4 ( 8 ): 3 2 7—3 3 24 .

[5] 玉田王，刘蕊，侯培国 .一新种型溶解氧浓度测仪的量计设 .表仪

堕堡盐 I兰技术与传感器， 2 003 9)(:1—8 91. [ 6]王永，司炜，德孙敏等， .膜式氧溶极在电测线量数学模型的建立与应.用动自化仪表， 2 0 0 3 2,4( 2 ):8 1—1 . 委国● N

个

[] 7姬建伟 李平，,宋家友.铂电高精阻度测量非线性和校正研的究 .传感器与器仪仪，表2 0 7 0, 3 2 (5— 1 ):1 461—65 . ( a )主程序

( )b键和通盘中讯断程序子

[8] 小王，飞涛袁，铁张冰.铂电阻测温仪的计设实与 .现电子技应用术 2,005 (9 : )2 6—2 8. 图 5测量仪软件流程框图

上接(第 3 2)页双隔离变路特送性了除现对应场用提高抗干扰能力外，还对不 电等势信号匹传配输供提便利，了一种适应于是多种现场送变的标易化准和平台化电路的计。设

统电路计设出来的双两路线温制度变湿送器，各技术参数均已 到达 0. 5级业工度要求精。 考文献参：[ 1] 沈华建，杨艳琴，晓翟.曙 S P 4 M 03列系1位6超低耗单功片机原理应用与.北京，清华学大出版 社，2 004 .

[ 2] K O N RAD B, A S H A RU M. eDm y stf i y i n g p ie z o r e sis t i ve pre s s u r e s en s ro .Se n sor s, 1 999, ( 6) :1 2—2 5 .

I系统 初化始lI传感器数据采集

3[] S e n o r s S i gn a l C ond i t i noe r M. axi m A pp l i c tai on N o t e s A, p p lic a t io n n o t e 10 64,2 0 2.0[ 4]梁伟，孙明革 .智能型两线 制度温变送器. 子电测量技术， 2 0 03(6 ): 5—33 6

作简介：者项莹莹 ( 91 8 2一，)硕士生，要研究主方为向感传电路与器系

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图 6主程 流序图程

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系统中所有 I c均用采低功耗器件，同时采 D用 C/DC开关电源进 行功率转，换从而决解两了线制的功耗问。采题用此系