水中溶氧量測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顏麗娜 王長(zhǎng)安 周萍 韋建德

【摘 要】本文依據(jù)溶氧傳感器DOB-300B的工作原理，以STC12C5410AD單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了水質(zhì)溶氧測(cè)試系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，采用溶氧探頭檢測(cè)水質(zhì)中的溶氧量，并將水中溶氧量相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)傳送給單片機(jī)，以便單片機(jī)對(duì)接收到的溶氧信號(hào)進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)的處理。此外，可通過(guò)按鍵對(duì)溶氧數(shù)值的上下限數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，若溶氧量的數(shù)值不在設(shè)定的數(shù)值范圍內(nèi)，可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

【關(guān)鍵詞】溶氧量;溶氧探頭;變送器;STC12C5410AD

中圖分類號(hào)： TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0060-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.023

The design of dissolved oxygen content measuring system in water

YAN Li-na WANG Chang-an ZHOU Ping WEI Jian-de

（College of Physics and electronic engineering， Hainan Normal University， Haikou Hainan 571158， China）

【Abstract】According to the working principle of DOB-300B dissolved oxygen sensor，the dissolved oxygen content measuring system is designed with the single-chip micro-controller STC12C5410AD as the controlling core in this paper.In this system，the dissolved oxygen sensor is adopted to measure dissolved oxygen content.At the same time the corresponding electrical signal of sensor is transmitted to micro-controller in order that micro-controller can collect signal and convert electrical signal into dissolved oxygen content.In addition， the upper and lower limit value are adjusted by means of buttons. If the measuring data is not in the range of setting value，the micro-controller will drive the buzzer alarm.

【Key words】Dissolved oxygen content; Dissolved oxygen sensor; Transmitter; STC12C5410AD

0 引言

近年來(lái)，伴隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及城市生活污水排放的增加，許多地方的水質(zhì)日益惡化，水污染問題日益嚴(yán)重。為了給人們提供良好的生活環(huán)境，需及時(shí)對(duì)污水進(jìn)行檢測(cè)和處理。其中，水中溶氧量是進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)性能指標(biāo)，也是衡量水體自凈能力的指標(biāo)之一。

傳統(tǒng)對(duì)于溶氧量的測(cè)試，主要采用的是碘量法，但此方法容易受環(huán)境的干擾，不便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及連續(xù)測(cè)定。伴隨著近年來(lái)物理與化學(xué)分析方法的興起，采用膜電極法制成的溶氧探測(cè)元件，具有測(cè)氧速度快、便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、可與智能化設(shè)備進(jìn)行連接的優(yōu)點(diǎn)。因此，采用溶氧探頭與智能控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水中溶氧量的實(shí)時(shí)、在線測(cè)試，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、廢水處理等領(lǐng)域具有重要的意義[1]。

1 極譜型膜電極溶氧探頭測(cè)試溶氧的原理

溶氧，又稱溶解氧，它是指溶解于水中的氧的含量。本文所設(shè)計(jì)的溶氧測(cè)試系統(tǒng)，采用極譜型膜電極溶氧探頭對(duì)水中的溶氧量進(jìn)行測(cè)試。極譜型膜電極探頭主要由鉑電極（陰極）、銀電極（陽(yáng)極）及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成，氧通過(guò)膜擴(kuò)散進(jìn)入電解液與金、銀兩電極構(gòu)成測(cè)量回路。當(dāng)給溶氧探頭加上0.6-0.8V的極化電壓時(shí)，氧通過(guò)膜擴(kuò)散，陽(yáng)極失去電子，陰極得到電子，產(chǎn)生電流。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程為[2]：

由（1）式可知：在溫度不變的情況下，流過(guò)電極的電流和溶氧濃度成正比。電流與氧濃度之間成線性關(guān)系，若能測(cè)試出電流值，則可算出氧濃度。

2 系統(tǒng)的組成

2.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示。系統(tǒng)采用的極譜型膜電極電流型溶氧傳感器DOB-300B（北京博海科技公司），其供電電壓是24V，輸出的電流大小為4-20mA，對(duì)應(yīng)的溶氧濃度測(cè)試范圍為：0-20mg/L，輸出的電流與溶氧濃度的值基本上成線性關(guān)系。

在圖1中，系統(tǒng)采用的主控核心為STC12C5410AD單片機(jī)。STC12C5410AD是臺(tái)灣宏晶科技公司生產(chǎn)的高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)，內(nèi)置有PWM、A/D轉(zhuǎn)換、SPI同步通信等模塊[5]。由于此單片機(jī)自帶有A/D轉(zhuǎn)換的功能（設(shè)置為10位二進(jìn)數(shù)的轉(zhuǎn)換精度）模塊，因此，無(wú)需在電路中另加A/D轉(zhuǎn)換芯片。溶氧變送器輸出的電流信號(hào)經(jīng)220Ω電阻轉(zhuǎn)換成0-4.5V的電壓信號(hào)輸出，并傳送給單片機(jī)的P1.2引腳進(jìn)行電信號(hào)的采集。同時(shí)，為了顯示溶氧量的數(shù)值，采用1602液晶屏與單片機(jī)進(jìn)行連接。其中，單片機(jī)的P2.0-P2.7引腳分別與液晶屏1602的數(shù)據(jù)端口D0-D7進(jìn)行連接，P1.7、P1.6、P1.5引腳分別與液晶屏的控制引腳RS（數(shù)據(jù)、/指令選擇引腳）、RW（讀操作/寫操作選擇端）、E（使能端）對(duì)應(yīng)連接。

為了方便對(duì)溶氧量的上、下限數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，采用按鍵對(duì)設(shè)定數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)定數(shù)值的按鍵共有3個(gè)，其中K1為“數(shù)值設(shè)定和數(shù)據(jù)移位”的功能鍵，K2為“數(shù)值加法鍵”，K3為“數(shù)值減法鍵”。此外，考慮到水中的溶氧量與溫度因素有關(guān)，故需采用DS18B20測(cè)溫傳感器測(cè)試水中的溫度，以便對(duì)水中的溶氧量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

在此系統(tǒng)中，若單片機(jī)對(duì)P1.2引腳的溶氧電信號(hào)進(jìn)行采集，得到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為D，則溶氧變送器輸出的電流信號(hào)I為：

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，由于單片機(jī)是可編程的控制器，需采用keil軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序的編寫。在此系統(tǒng)中，主要編寫了單片機(jī)采集及處理數(shù)據(jù)、外部中斷和按鍵調(diào)整設(shè)定數(shù)值等程序。在對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需要多次采樣取平均值，且采用了平滑濾波算法，避免采集到的異常數(shù)據(jù)造成的干擾。

主程序流程圖如圖2所示，由于程序中開放了外部中斷，當(dāng)“數(shù)值設(shè)定和移位”的功能按鍵K1沒有被按下時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行采集、數(shù)據(jù)處理及顯示的操作;若按鍵K1被按下時(shí)，單片機(jī)優(yōu)先執(zhí)行外部中斷程序，對(duì)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，然后再執(zhí)行采集、數(shù)據(jù)處理及顯示的操作。

3 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)極譜式氧電極測(cè)試溶氧的原理，搭建出了溶氧測(cè)試系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)對(duì)水中溶氧量的實(shí)時(shí)、在線測(cè)試，一方面，需要將所設(shè)計(jì)的溶氧測(cè)試系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶氧液進(jìn)行標(biāo)定，另一方面，還需要考慮溫度對(duì)溶氧量的補(bǔ)償，進(jìn)而提高所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和測(cè)量精度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]褚華男，齊春雪，劉南等.溶解氧電極在在線水質(zhì)溶解氧的測(cè)定中的研究.應(yīng)用化工，2014，43：121-127.

[2]劉世英.膜電極法測(cè)定溶氧.淡水漁業(yè)，1975，26-33.

[3]陳郡，王濤.魚塘溶氧量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（24）：11718-11721.

[4]劉忠，鄒宇，張凱.基于ATmega16的漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2015，34（8）：75-81.

[5]陳桂友，柴遠(yuǎn)斌.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]李進(jìn)，徐小龍，曾閔.Zigbee無(wú)線網(wǎng)在魚塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.自動(dòng)化與儀表，2018，33（8）：63-67.

[7]叱嬋娟，陳忠孝，秦剛.多傳感器智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2018，37（9）：97-99.

[8]黃俊梅，馬強(qiáng)，陳得興.基于IAP15W4K58S4單片機(jī)的便攜式漁業(yè)水情監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì).國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2018，37（4）：97-101.

[9]吳豪.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)及其發(fā)展.吉林農(nóng)業(yè)，2018，（24）：70.

[10]尹寶全，曹閃閃，傅澤田等.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)與控制技術(shù)研究進(jìn)展分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018：1-18.

[11]羅興浩，臧開毅，袁利華.無(wú)線水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，2018，2（9）：63-66.

[12]漆顥，管華，龔?fù)砹?基于物聯(lián)網(wǎng)的魚塘環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，（11）：72-76.

[13]田紅，李秉權(quán)，張亞彤.基于STM32的水質(zhì)智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2019，（2）：31-33.