近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的人開始意識(shí)到監(jiān)測(cè)水中溶解氧的必要性和重要性。特別是大中型電廠、水處理廠、油田和環(huán)保單位，為了保證水質(zhì)和設(shè)備長(zhǎng)期正常運(yùn)行，需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制所用水中的溶解氧含量。

　　

　　目前，測(cè)定溶解氧含量的專用儀器(溶解氧分析儀)已廣泛地替代了化學(xué)法。溶解氧儀主要由主機(jī)和傳感器(電極)組成。傳感器主要有兩種類型，即原電池型“ DO"電極和極譜膜電極。由于電極材料消耗大、精度低、壽命短，原有的電池型“ DO"電極逐漸被淘汰。極譜復(fù)合膜電有干擾小、使用壽命長(zhǎng)、存儲(chǔ)方便等優(yōu)點(diǎn)，在溶解氧測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)也在研制極譜電極溶解氧分析儀，但其測(cè)量精度低、穩(wěn)定性差、標(biāo)定復(fù)雜、補(bǔ)償功能不足。國(guó)外溶解氧儀器精度高，但價(jià)格昂貴，維護(hù)困難，難以滿足國(guó)內(nèi)需求。為此，設(shè)計(jì)了一種基于 ATMEGA128單片機(jī)的智能在線溶解氧分析儀。該系統(tǒng)具有功耗低、精度高、穩(wěn)定性好、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)。

　　

　　1測(cè)量原理

　　

　　測(cè)量水中溶解氧含量的儀器屬于安培分析儀，安培分析儀的傳感器能將被分析物濃度的變化轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)的變化。根據(jù)工作原理的不同，可分為原電池型和極通用型。這種設(shè)計(jì)基于非常通用的工作原理。

　　

　　1.1極普式原理

　　

　　在極普型電流通過傳感器的陰、陽電極間施加從小到大的電壓時(shí)，由于工作溶液中某種被分析研究物質(zhì)的存在，測(cè)量數(shù)據(jù)輸出電流我們可以自己得到極譜圖。

　　

　　當(dāng)電壓小于 UO 時(shí)，極限擴(kuò)散電流 i ≈0，并且隨著電壓 U 的增加，i 呈指數(shù)增長(zhǎng)，直到 u ≥ u1，I 趨向于一個(gè)穩(wěn)定的值，而且 i 與被測(cè)物質(zhì)的濃度成正比。與 IO/2相對(duì)應(yīng)的電壓 U 1/2稱為半波電位，其值僅與被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)有關(guān)，可作為定性分析的依據(jù)。

　　

　　當(dāng)溶液中有多種物質(zhì)時(shí)，每種物質(zhì)都對(duì)總的極限擴(kuò)散電流有貢獻(xiàn)。用極譜法連續(xù)測(cè)定溶液中的一種物質(zhì)如溶解氧濃度時(shí)，會(huì)受到一些物質(zhì)的干擾，所以需要用選擇性膜將樣品溶液與電極室隔離。

　　

　　1.2傳感器工作原理

　　

　　根據(jù)極譜原理，傳感器制成一個(gè)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(cè)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電解池的外加電壓在某一恒定值時(shí)，電解液中的溶解氧產(chǎn)生的電解電流具有極限擴(kuò)散電流的特征，即電流的大小與電解池的工作電壓無關(guān)，得到氧的極譜曲線，這時(shí)電極上的電極反應(yīng)為：

　　

　　根據(jù)極譜分析原理，在一定溫度下，電解質(zhì)中溶解氧的極限擴(kuò)散電流與溶解氧的濃度近似成線性關(guān)系

　　

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　

　　智能可以在線溶氧儀的設(shè)計(jì)以低功耗8位控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖4所示。可分為八個(gè)主要部分：微控制器、氧傳感器、溫度傳感器、信號(hào)信息處理及A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示模塊電路、標(biāo)準(zhǔn)工作電流通過輸出一個(gè)電路、報(bào)警及控制管理電路和通信網(wǎng)絡(luò)接口電路等.氧傳感器及溫度傳感器技術(shù)輸出的模擬輸入信號(hào)，經(jīng)過不斷放大處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字經(jīng)濟(jì)信號(hào)輸入微控制器需要進(jìn)行研究分析問題處理，然后對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有效存儲(chǔ)和上傳，并顯示。

　　

　　智能在線 pH 值分析儀的硬件設(shè)計(jì)是基于低功耗的 Atmega128單片機(jī)，可以用來控制儀器本身的低功耗工作模式，外圍設(shè)備的低功耗工作模式可以通過編程控制，節(jié)約能源。并且多采用高精度、高性能的芯片，實(shí)現(xiàn)了整體設(shè)計(jì)的高精度、低功耗、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

　　

　　3硬件設(shè)計(jì)

　　

　　3.1微控制器

　　

　　微控制器是AVR單片機(jī)家族中的高性能單片機(jī)ATmega128。ATmega128是一款基于RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。

　　

　　Atmega128具有以下特點(diǎn): 嵌入高質(zhì)量的 Flash 程序存儲(chǔ)器，易于擦除，便于產(chǎn)品調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新;嵌入式長(zhǎng)壽命 E2PROM 可長(zhǎng)期存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免停電數(shù)據(jù)丟失，并可擴(kuò)展64KB 的優(yōu)化外部存儲(chǔ)空間、 PWM 功能定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(t/C)、可編程帶片上振蕩器的看門狗定時(shí)器、 SPI 串行口等 JTAG 測(cè)試接口兼容 IEEE 1149.1規(guī)范(此接口也可用于片上調(diào)試) ;低壓電源，工作電壓范圍: 2.7 ~ 5.5 V，抗力強(qiáng)，可以減少一般8位計(jì)算機(jī)軟件抗干擾設(shè)計(jì)和硬件使用的工作量，工作溫度范圍可以滿足工業(yè)級(jí)要求，達(dá)到 -55 ° C-+ 125 ° C

　　

　　3.2 傳感器

　　

　　傳感器為復(fù)合式溶解氧傳感器，其中氧傳感器基于極譜原理，溫度傳感器為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。

　　

　　3.3 信號(hào)進(jìn)行處理及A/D轉(zhuǎn)換

　　

　　在電流/電壓轉(zhuǎn)換和放大之后，輸入電流和輸出電壓之間的關(guān)系如下

　　

　　低通濾波后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　

　　為了能夠提高工作精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換可以選用一個(gè)具有和差轉(zhuǎn)換信息技術(shù)（∑-Δ技術(shù)）的AD7715，AD7715具有16位無誤碼輸出，0.0015％非線性度，前端控制增益可編程、內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)數(shù)字電路和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。模擬數(shù)據(jù)信號(hào)需要通過使用多路模擬電子開關(guān)，將溫度和pH值信號(hào)作為輸入AD7715進(jìn)行分析轉(zhuǎn)換。

　　

　　3.4 輸出電路

　　

　　輸出電路由標(biāo)準(zhǔn)電流輸出電路、控制繼電器和通信接口組成。利用ATmega128的PWM(脈寬調(diào)制)，輸出4-20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，用于控制或外部記錄器。上限和下限警報(bào)作為繼電器觸點(diǎn)輸出。通信電路采用RS485總線接口，與上位機(jī)組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。RS485采用平衡差分傳輸方式，抗力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，通信速率高。

　　

　　3.5 鍵盤顯示電路

　　

　　鍵盤數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)電路可以采用的是TFT3224真彩液晶顯示器，支持256色，并且通過帶有觸摸屏進(jìn)行功能，改變了我們以往傳統(tǒng)單一產(chǎn)品顏色信息顯示、按鍵控制操作的風(fēng)格。觸摸屏接口管理芯片選用一些具有發(fā)展同步串行通信接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7843。ADS7843具有中國(guó)使用環(huán)境溫度變化范圍廣（-10℃—65℃），低功耗（3.3V工作電流240mA），寬輸入輸出電壓（2.7V—5.5V），輕薄設(shè)計(jì)（高度10mm），低功耗模式等優(yōu)點(diǎn)。＜