水中溶氧量測試系統的設計

顏麗娜 王長安 周萍 韋建德

【摘 要】本文依據溶氧傳感器DOB-300B的工作原理，以STC12C5410AD單片機為控制核心，設計了水質溶氧測試系統。在此系統中，采用溶氧探頭檢測水質中的溶氧量，并將水中溶氧量相對應的電信號傳送給單片機，以便單片機對接收到的溶氧信號進行采集及數據的處理。此外，可通過按鍵對溶氧數值的上下限數值進行設定，若溶氧量的數值不在設定的數值范圍內，可驅動蜂鳴器報警。

【關鍵詞】溶氧量;溶氧探頭;變送器;STC12C5410AD

中圖分類號： TP212.9文獻標識碼： A文章編號： 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，伴隨著工農業的發展及城市生活污水排放的增加，許多地方的水質日益惡化，水污染問題日益嚴重。為了給人們提供良好的生活環境，需及時對污水進行檢測和處理。其中，水中溶氧量是進行水質監測的一項性能指標，也是衡量水體自凈能力的指標之一。

傳統對于溶氧量的測試，主要采用的是碘量法，但此方法容易受環境的干擾，不便于現場測定及連續測定。伴隨著近年來物理與化學分析方法的興起，采用膜電極法制成的溶氧探測元件，具有測氧速度快、便于現場測定、可與智能化設備進行連接的優點。因此，采用溶氧探頭與智能控制技術相結合，實現水中溶氧量的實時、在線測試，在環境監測、廢水處理等領域具有重要的意義[1]。

1 極譜型膜電極溶氧探頭測試溶氧的原理

溶氧，又稱溶解氧，它是指溶解于水中的氧的含量。本文所設計的溶氧測試系統，采用極譜型膜電極溶氧探頭對水中的溶氧量進行測試。極譜型膜電極探頭主要由鉑電極（陰極）、銀電極（陽極）及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成，氧通過膜擴散進入電解液與金、銀兩電極構成測量回路。當給溶氧探頭加上0.6-0.8V的極化電壓時，氧通過膜擴散，陽極失去電子，陰極得到電子，產生電流。整個反應過程為[2]：

由（1）式可知：在溫度不變的情況下，流過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系，若能測試出電流值，則可算出氧濃度。

2 系統的組成

2.1 硬件電路的設計

測試系統的硬件電路如圖1所示。系統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，對應的溶氧濃度測試范圍為：0-20mg/L，輸出的電流與溶氧濃度的值基本上成線性關系。

在圖1中，系統采用的主控核心為STC12C5410AD單片機。STC12C5410AD是臺灣宏晶科技公司生產的高速/低功耗的新一代8051單片機，內置有PWM、A/D轉換、SPI同步通信等模塊[5]。由于此單片機自帶有A/D轉換的功能（設置為10位二進數的轉換精度）模塊，因此，無需在電路中另加A/D轉換芯片。溶氧變送器輸出的電流信號經220Ω電阻轉換成0-4.5V的電壓信號輸出，并傳送給單片機的P1.2引腳進行電信號的采集。同時，為了顯示溶氧量的數值，采用1602液晶屏與單片機進行連接。其中，單片機的P2.0-P2.7引腳分別與液晶屏1602的數據端口D0-D7進行連接，P1.7、P1.6、P1.5引腳分別與液晶屏的控制引腳RS（數據、/指令選擇引腳）、RW（讀操作/寫操作選擇端）、E（使能端）對應連接。

為了方便對溶氧量的上、下限數值進行設定，采用按鍵對設定數值進行調整。設定數值的按鍵共有3個，其中K1為“數值設定和數據移位”的功能鍵，K2為“數值加法鍵”，K3為“數值減法鍵”。此外，考慮到水中的溶氧量與溫度因素有關，故需采用DS18B20測溫傳感器測試水中的溫度，以便對水中的溶氧量進行溫度補償。

在此系統中，若單片機對P1.2引腳的溶氧電信號進行采集，得到A/D轉換的數據為D，則溶氧變送器輸出的電流信號I為：

2.2 系統軟件設計

在軟件設計方面，由于單片機是可編程的控制器，需采用keil軟件對單片機進行程序的編寫。在此系統中，主要編寫了單片機采集及處理數據、外部中斷和按鍵調整設定數值等程序。在對采集數據進行處理時，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據造成的干擾。

主程序流程圖如圖2所示，由于程序中開放了外部中斷，當“數值設定和移位”的功能按鍵K1沒有被按下時，單片機執行采集、數據處理及顯示的操作;若按鍵K1被按下時，單片機優先執行外部中斷程序，對設定值進行調整，然后再執行采集、數據處理及顯示的操作。

3 結語

依據極譜式氧電極測試溶氧的原理，搭建出了溶氧測試系統。為了實現后續對水中溶氧量的實時、在線測試，一方面，需要將所設計的溶氧測試系統對標準溶氧液進行標定，另一方面，還需要考慮溫度對溶氧量的補償，進而提高所設計系統的準確性和測量精度。

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