基于LPC1768的高精度溶解氧測量儀的設計

殷建軍，趙子儀，項祖豐，湯健彬

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310014)

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基于LPC1768的高精度溶解氧測量儀的設計

殷建軍1，趙子儀1，項祖豐1，湯健彬2

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：采用極譜式溶解氧電極，以LPC1768為核心處理器，設計了一種高精度溶解氧測量儀，詳細介紹了溶解氧檢測系統的組成、溶解氧測量儀的工作原理以及檢測系統各模塊電路和對應的功能模塊軟件的設計過程.分析了對溶解氧測量有影響的溫度、壓力和鹽度三個參數并給出相關的修正公式，采用24位高精度A/D轉換芯片ADS1255以及在軟件上的根據修正公式進行多參數補償，提高了測量精度.針對使用的環境，應用一套電源管理策略使該溶解氧測量儀能夠節能、穩定地在海洋環境中工作.

關鍵詞：極譜式；溶解氧；LPC1768；電源管理策略

在水質監測、海洋測量等眾多領域溶解氧是一個重要的水質參數.目前國內常用的溶解氧分析儀型號有瑞士Orbisphere公司的365便攜式檢測分析儀和梅特勒-托利多公司的InTap595便攜式溶解氧分析儀，其測量精度可以達到μg/L級，但價格過高，難以得到廣泛使用，而國內自主研發的測量儀精度一般為mg/L[1]級，因此設計價格適中、測量精確的溶解氧傳感器具有重要的意義.

設計的溶解氧測量儀采用NXP公司的基于Cortex-M3內核的LPC1768作為處理器，采用24位A/D轉換器，再加上軟件的溫度、壓力和鹽度的輔助多參數的補償來提高測量精度.文中設計的溶解氧檢測系統應用于復雜的長時間無人監管的海底環境，在這種的環境中，由于電源更換周期長，所以對系統電源的低功耗設計有要求.考慮到此種情況，在系統電源管理上提出一種策略，使得系統電源能更節能更穩定的應用在海底的環境中.

1系統結構

設計的高精度溶解氧測量儀主要包括溶解氧傳感器模塊、溫度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、鹽度傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊、電源管理模塊等.系統結構圖如圖1所示.

圖1　系統結構圖Fig.1　The image of system structure

溶解氧傳感器模塊最重要的器件是極譜式溶解氧傳感器，該傳感器由電極、電解液和氧擴散膜組成.電極包括陰極和陽極，在陽極上加上適當的極化電壓，氧化反應就會發生在陽極，陰極上會發生還原反應.陰極上會輸出弱電流，并且電流大小同溶解氧的質量濃度成比例關系[2]，溶解氧質量濃度和電流的關系式[3]為

(1)

式中：n為反應的得失電子數；F為法拉第常數；A為陰極的面積；D為溶解氧的擴散系數；c為溶解氧的質量濃度；l為擴散層的厚度.從關系式(1)中可以看出電流同溶解氧的質量濃度成正比.所以利用電流信號就可以測得溶解氧的質量濃度.整個反應過程為

陽極：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-

陰極：O2+2H2O+4e→4OH-

2影響溶解氧測量的因素

2.1溫度對溶解氧的影響

當溫度不變時，溶解氧電極產生的擴散電流隨著待測溶液中的氧分壓增加而增加，但當溫度升高時，溶液中的氧的溶解度將減小，而透氧膜的擴散系數卻增加，阿侖尼烏斯定律說明了膜的擴散系數與溶解度的關系，因此在氧分壓P不變的情況下，電極的輸出電流I與溫度T的關系[4]為

I=i0Pe-(a/T)

(2)

式中i0和a為常數.因此，由式(2)可知：在氧分壓P不變的情況下，溶解氧電極輸出電流隨著溫度的升高而增大[4].

2.2鹽度對溶解氧的影響

氧在水中的溶解度隨鹽含量的增加而減少，一般情況，水中氯離子每增加100 mg/L，水中溶解氧量減少0.01 mg/L左右[5]，式(1)中電流同溶解氧的關系式中沒有考慮到這些，可以在軟件中修正這一點.修正的公式[6]為

C=Cs-nΔCs

(3)

式中：C為海水的飽和溶解氧的值，mg/L；Cs為純水的飽和溶解氧的值，mg/L；n為海水鹽度值，g/L；ΔCs為1 g/L含鹽量造成的溶解氧降低值，mg/L.不同溫度下Cs和ΔCs的值可通過查表得到.

2.3大氣壓對溶解氧的影響

氣液平衡時，溶液中的氧分壓與空氣中的氧分壓相同[7].大氣壓變化時，液體中溶氧含量也有相應的變化，影響電極輸出.軟件上也要對此進行修正，修正的公式[6]為

(4)

式中：Cn為大氣壓為P時的溶解氧的值；C為101.325 kPa時的溶解氧的值；P為大氣壓，kPa.

綜上可知：溫度、鹽度和大氣壓的補償能夠提高溶解氧的測量精度.

3系統模塊設計

3.1處理器模塊

處理器采用的是NXP公司的LPC1768的ARM芯片.LPC1700系列Cortex-M3微處理器用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應用，其工作主頻可以到達100 MHz.LPC1700系列微控制器的外設組件包含高達512 kB的flash存儲器，64 kB的數據存儲器，8通道的12位ADC以及常見的IIC、CAN和SPI等總線接口，帶有獨立電池供電的超低功耗RTC，多達70個的通用IO管腳.LPC1768具有四種低功耗模式：睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電.LPC1768集成度高，從而簡化了電路的設計和電路板的布線，因此性價比極高.

3.2溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用的最主要的器件是Pt100.Pt100溫度傳感器由于具有精度高、穩定性好、可靠性強等特點，被廣泛應用于自動化測量和各種實驗儀器儀表領域中[8].常用的Pt100電阻接法有兩線制、三線制和四線制，兩線制測量精度差，四線制測量精度高但是需要的導線多，成本高.相對而言，三線制測量將導線電阻分別加在了平衡電橋的兩側，這使得導線電阻對電橋測量的誤差得以消除[9]，所以測量精度較好.如圖2所示，我們這里采用的是三線制橋式測溫電路.電路中的參考電壓是5 V電源分壓后由TL431和VR2配合調節所得，測量電橋的橋臂分別由電阻R18、R19、電位器VR3和PT100組成，為了計算方便，R18和R19取相同的的電阻值，調節電位器的阻值使得該橋臂的阻值為100 Ω，電橋平衡時沒有信號輸出，溫度變化時PT100阻值發生變化，電橋平衡狀態被打破，電橋輸出的兩條線路中會有電勢差，這個信號經過后續的低功耗的AD8226適當地放大后就進行可以將信號輸入給處理器LPC1768，利用其自帶的12位的ADC進行A/D轉換.

3.3壓力傳感器模塊

壓力傳感器模塊使用的主要器件是壓力傳感器，由于傳感器采用的是電橋平衡式原理，這里可以使用溫度傳感器模塊電路中的產生的參考電壓，后續電路可以同樣使用AD8226進行適當的放大，然后輸入給處理器LPC1768，同樣利用處理器自帶的ADC進行轉換，如圖3所示.

圖2　溫度測量電路Fig.2　Temperature measurement circuit

圖3　壓力測量電路Fig.3　Pressure measurement circuit

3.4鹽度傳感器模塊

鹽度的測量與壓力類似，鹽度傳感器模塊使用的主要器件是鹽度傳感器，由于傳感器已經集成好調理電路，這里設計就只需提供接口即可.接口使用RS-232標準串行接口，進行異步通信[10].鹽度傳感器模塊使用MAX3232電平轉換芯片和9針串口接口，根據9針串口的定義，接收數據線RXD，發送數據先TXD和地線GND就可以完成最基本的串口通信功能[11].這樣數據可以傳到處理器LPC1768來進行處理.

3.5溶解氧傳感器模塊

溶解氧傳感器模塊中采用了極譜型的溶解氧傳感器，溶解氧傳感器需要在0.68 V的極化電壓下工作，于是就使用了穩壓元件LM385Z-1.2和電位器進行分壓以得到0.68 V的極化電壓.由于傳感器電極在工作的過程中不斷發生電化學反應，所以其阻抗是會發生變化的，為了防止這種變化給前級電源的輸出電壓造成影響，于是在電源后級后面加了個電壓跟隨器用作緩沖器.利用電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗小的特性起到隔離作用[3]，電路圖如圖4所示.

圖4　電壓跟隨器電路Fig.4　Voltage follower circuit

當溶解氧傳感器陽極輸入0.68 V的極化電壓，陰極就會輸出nA級的弱電流，所以必須把電流信號轉化為電壓信號并進行適當的放大以適合A/D轉換的要求.溶解氧傳感器輸出的DO+信號首先經過第一級由運算放大器OP37組成的電流轉電壓電路，然后經過低功耗運算放大器AD620的第二級放大，電路圖如圖5所示.由于溶解氧參數是最重要的參數，溶解氧參數的精度直接影響到整個系統的測量精度，我們使用了24位極低噪聲的A/D轉換芯片ADS1255，ADS1255是德州儀器推出的一款低噪聲高分辨率、基于△—∑技術的高性能ADC，它的主要特點：24位無數據丟失；最大非線性度為±0.001 0%；高達23位的無噪聲精度；最高數據采樣率為30 kSPS.該型號ADC的有效位跟數據采樣率和其他可編程參數相關，參考ADS1255的數據手冊，ADS1255的有效位為16.5位時，參考電壓為2.5 V時，可算得分辨率可以達到10-4.ADS1255采用SPI接口與處理器LPC1768連接，需要外接參考電壓.SPI總線規范化和標準化程度高，使用該總線接口可簡化電路設計，節省I/O口，提高系統設計的可靠性[12].

3.6通信模塊

通信模塊采用工業標準的RS-485串行總線接口，該總線采用平衡發送和差分接收的方式，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[13].由于該通信接口的重要性，接口電路的附加保護措施也是必須考慮的環節，為了提高系統工作的可靠性，保護RS-485總線的電路加上的TVS管D6、D7和D8，這樣可以使得RS-485總線的元器件免受各種浪涌脈沖的損壞.通信模塊電路如圖6所示.

圖5　溶解氧信號放大電路Fig.5　DO signal amplifying circuit

圖6　通信模塊電路Fig.6　Communication module circuit

3.7電源管理模塊

電源管理模塊的設計主要的出發點在于可靠性和節能.系統采用鋰電池作為電源供電，供電電壓為12 V.由于電池的容量有限再加上更換電池的時間間隔較長，所以需要采取節能設計.為了實現節能設計，采用的是只有處于工作狀態的元器件才上電的策略.處理器LPC1768和RS-485的通信接口要一直上電，可以讓處理器在平時空閑時工作在掉電模式，一旦接收到RS-485的喚醒信號就可以從掉電模式切換到工作狀態，這樣可以使得系統功耗更低.第一部分是給處理器LPC1768供電的模塊，如圖7所示，供電方法是由供電電源處的12 V經過LM2575-3.3芯片以及電容的耦合和濾波提供3.3 V的電源.

圖7　處理器電源電路Fig.7　Processor power circuit

第二部分的供電模塊主要是給各個傳感器模塊供電的電源控制電路模塊，如圖8所示.電源控制電路主要由1只NPN三極管和LM2575-05的開關穩壓器組成.電路的控制端連接處理器LPC1768的IO口，電源輸入端連接12 V供電電源，電源輸出端連接到各傳感器模塊的電源.通過控制處理器LPC1768的IO口的電平狀態，可以使得三極管Q1工作在導通和截止的不同狀態.當控制端輸出低電平的時候，NPN三極管截止，開關穩壓器5引腳開關端此時是高電平，即開關穩壓器處于關閉狀態，電源輸出端無輸出；當控制端輸出高電平時，NPN三極管導通，開關穩壓器5引腳開關端此時是低電平，即開關穩壓器處于工作狀態，后續電路得到5 V的穩壓電源.

第三部分是對鋰電池的電壓進行監控的模塊，如圖9所示.將電阻分壓得到的電壓同電池電壓經過電路轉換得到的2.5 V基準電壓輸入比較器，然后再將結果輸出到處理器LPC1768.電池剛開始使用時，電阻分壓得到的電壓會高于2.5 V，比較器會輸出低電平，三極管Q3截止，輸入到LPC1768的將會是高電平，當電池長時間使用導致電壓下降后，電阻的分壓也會隨之下降，當電阻分壓低于2.5 V后，比較器輸出高電平，三極管Q3導通，輸入到LPC1768的就變成低電平，可以通過RS-485通信接口遠程監控鋰電池電壓的狀態以提高系統的可靠性.

圖8　電源控制電路Fig.8　Power control circuit

圖9　電池電壓監控電路Fig.9　Battery voltage monitoring circuit

4系統軟件設計

軟件設計使用C語言，平臺為Keil MDK，可以使用程序設計中模塊化的思想將各傳感器模塊的功能寫成子函數模塊，主函數中調用相應的模塊系統就可以得到想要的功能.軟件設計主要包括設備上電后系統初始化，處理器的模式選擇，溫度信號的采集與計算，壓力信號的采集與計算，鹽度信號的采集與計算，溶解氧信號的采集與分析，溶解氧信號的補償和串口通信等等.主程序流程圖如圖10所示.

圖10　主程序流程圖Fig.10　Main program flow chart

為了保證各個測量參數的精度，各個參數都需要進行標定以減少系統的誤差.各測量參數的程序流程類似，區別就在于溶解氧的測量使用的是外部的A/D轉換器而其他參數使用的是LPC1768自帶的A/D轉換器，所以溶解氧測量模塊需要ADS1255的驅動程序.標定程序的流程圖和ADS1255驅動程序流程圖如圖11，12所示.

圖11　標定程序流程圖Fig.11　Calibration program flow chart

圖12　ADS1255驅動程序流程圖Fig.12　ADS1255 drivers flow chart

5測量結果分析

分別使用專業機構經過校準的溶解氧的標準測量儀器和文中設計的測量儀測量了相同環境中純水中一系列溫度下的溶解氧的質量濃度，通過加熱方法改變水的溫度，對比的實驗數據如表1所示.

表1　溶解氧測量數據

從表1中的數據可知：設計的溶解氧測量儀與標準溶解氧測量儀器測量的數據誤差在±0.1 mg/L之內，設計的溶解氧測量儀的最大量程為20 mg/L，相對誤差為1%，具有較好的測量精度.

6結論

介紹了溶解氧測量儀的系統結構組成和工作原理，分析了各功能模塊的硬件電路以及相關軟件的設計過程，提出了一種電源管理的策略，使得整個系統功耗更低，在海底工作周期更長，可靠性和穩定性更好.硬件上采用了24位ADC，提高了A/D轉換的分辨率；分析了對溶解氧產生影響的幾個主要因素，在軟件上對溶解氧進行了溫度、大氣壓和鹽度的補償，試驗測量結果表明測量的相對誤差為1%，有較好的測量精度，在實際使用中具有一定的使用價值.

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(責任編輯：陳石平)

Design of a LPC1768 based high-precision polarographic dissolved

oxygen measuring instrument

YIN Jianjun1, ZHAO Ziyi1, XIANG Zufeng1, TANG Jianbin2

(1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;

2.College of Information Engineering , Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Using polarographic dissolved oxygen electrode and LPC1768 as core processor, a high-precision oxygen measuring instrument was designed. The composition of the dissolved oxygen monitoring system, the principle of the measuring instrument and system modules hardware circuit and software process were introduced in detail. Temperature, pressure and salinity of three parameters which have effect on dissolved oxygen were analyzed and the correction formula were given, then the 24 bits high-precision A/D converter chip ADS1255 was used and multi-parameter compensation was applied in software and the precision is improved. It can be seen that based on a power management strategy the sensor worked efficiently and stably in the marine environment.

Keywords:polarographic; dissolved oxygen; LPC1768; power management strategy

文章編號：1006-4303(2015)04-0405-07

中圖分類號：TP212

文獻標志碼：A

作者簡介：殷建軍(1967—)，男，浙江諸暨人，副教授，研究方向為檢測與控制，E-mail：yinjj@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-01-28