一種新型高精度溶解氧傳感器的設計

鄭貴林，徐沾偉

（武漢大學計算機學院，湖北武漢 430072）

0 引言

溶解氧是指空氣中的分子態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;水體受到有機物與還原性物質污染，溶解氧濃度下降。當溶解氧消耗速度大于空氣中氧氣向水中的溶解速度時，水中溶解氧濃度趨于零，此時厭氧菌得以繁殖，使水體惡化，所以，溶解氧濃度能夠反映出水質的受污染程度。同時，對于水產養殖業來說，水中溶解氧對魚類等的生長也有著至關重要的影響。當溶解氧低于4 mg/L時，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，對于工農業的發展都具有重要意義。

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法，不適合做在線監測。光纖法與熒光工藝復雜，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，設計了一種新型的溶解氧傳感器，在保證測量精度、設備功耗的情況下，大大縮短了溶解氧測量時間。

1 工作原理

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

設備工作原理如圖1所示，主要由極譜式溶解氧電極、MCU、激勵、信號處理與A/D轉換、溫度傳感器、RS—485通信接口六部分組成。MCU是設備的核心部件，負責電極模擬信號的采集、溫度傳感器的數據讀取、電源控制電路的控制以及與上位機的通信。為實現設備的低功耗設計，設備工作分為休眠與工作兩種模式。休眠時只有單片機與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。當上位機需要讀取傳感器數據時，通過RS—485發送讀取數據命令，喚醒處于休眠狀態的設備，設備立即轉為工作模式，設備各部分電路上電，MCU等待數據穩定，讀取A/D轉換器的轉換值同時讀取溫度傳感器的值，通過溫度補償算法計算出溶解氧值，通過RS—485接口發送到上位機。

圖1 工作原理Fig 1 Working principle

2 結構設計

如圖2所示，設備結構主要由極譜式溶解氧電極、電路結構、連接電纜三部分組成。電路板固定在電路外殼內。外殼采用防腐蝕的316 L不銹鋼材料。外殼兩端設計有2個螺紋接口A，B。A為一個六分管內牙，用于連接極譜式溶氧電極。B為一個M16內螺紋，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。設備的防水主要是依靠外殼兩端的螺紋結構，在密封時，需在螺紋處涂抹汽車用汽缸密封膠。通過測試證明，設備可做到10 m水深防水。

圖2 設備結構Fig 2 Device structure

3 硬件設計

3.1 MCU

MCU采用低功耗、高穩定性能的 NEC公司uPD78F0881單片機，采用CMOS工藝，QFP44封裝，片內有2 k RAM，32 k ROM，兩路異步串口，一路 CAN接口，2個16位定時器，8路獨立的外部中斷口，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。由于其高穩定性能，廣泛應用于汽車電子、工業控制等領域。

3.2 電源管理

為了實現設備的低功耗設計，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，實現設備各部件上電、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，主要應用三極管電流導通、MOS管電壓導通的工作特定。電路的控制端連接單片機IO口，電源輸入端連接設備電源，負載電源連接到電源輸出端。當控制端為低電平時，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;當控制端為高電平時，NPN三極管導通，PMOS管G端為低電平，PMOS管導通，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%的電壓基準源REF3312產生1.25 V的精準電壓源，通過0.1%精度的電阻器R1，R2分壓得到0.685V的電壓，再經過低功耗運算放大器TLV2401構成的電壓跟隨器，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定性。

電壓基準源與運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。在設備工作時，電源通過二極管對法拉級電容器充電，在斷電時由于二極管的單向導通性，法拉級電容器只能對電壓基準源與運算放大器供電，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，大大減少了電極在測量時候的激勵時間。

圖4 激勵原理Fig 4 Excitation principle

3.4 信號處理與A/D轉換

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入輸入端，通過由CA3140構成的電流電壓電路先將電流信號轉換成電壓信號，再經過精密儀表運放AD627放大5倍進入A/D轉換器。

極譜式溶解氧電極的輸出阻抗達到MΩ級，所以，第一級采用高輸入阻抗的 CA3140，其阻抗高達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，并可實現軌—軌輸出。AD627的失調電壓、失調漂移、增益誤差和增益漂移均較低，因此，AD627可將用戶系統的直流誤差降到最低。

圖5 信號處理Fig 5 Signal processing

A/D轉換器采用18位MCP3421。MCP3421內部集成精度為0.5%的2.048 V的電壓基準源，避免了由于外接基準源帶來的干擾誤差，內部集成前置放大器，采用I2C數字接口與單片機連接，通過I2C用戶可配置前置放大增益，A/D轉換周期，大大降低了設備成本，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IO連接，單片機IO按照規定的時序，即可讀取溫度值。

DS1820具有一個唯一的64位地址，可實現多傳感器在單總線上的連接，內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

設備采用工業標準的RS—485接口作為輸出，可實現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，傳輸距離遠，通信速率高，被大多數工業儀表作為與其他裝置的主要通信方式［5］。為了提高設備工作的可靠性，防止雷擊、感應電流等外來干擾影響設備正常工作，在RS—485輸出端并聯了TVS放電管與玻璃放電管。

4 軟件設計

軟件設計上采用規范化、標準化、模塊化的設計方法。程序流程圖如圖6所示。

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

5 測試分析

采用經過計量部門檢測校準的溶解氧標準儀表與本文設計的傳感器在同一環境下做對比測試。采用電阻絲加熱的辦法改變水體的溫度。實驗數據如表1。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Software flow chart

表1 實驗數據Tab 1 Data of experiment

從表1可以看出:本文設計的設備與標準儀表的輸出誤差在±0.1 mg/L內，極譜式溶解氧電極的輸出最大可測量20 mg/L，因此，本文設計的溶解氧傳感器精度為0.5%。

6 結束語

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、軟件設計過程。采用高精度的儀表運算放大器與18位的集成A/D轉換器，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間長的缺點，提高了測量效率。

［1］戴文源，孫 力.水體溶解氧檢測方法［J］.安徽農學通報，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問題探討［J］.化工自動化及儀表，2007（1）:94－96.

［3］王 永，司 煒，孫德敏.膜式溶氧電極在線測量數學模型的建立與應用［J］.自動化儀表，2003，24（2）:8 －11.

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

［5］雷 杰，朱 驥，馬學宗.智能溶解氧傳感器的設計與開發［J］.儀器儀表與分析監測，2007（2）:28 －30.