本文介紹了基于ATmega128單片機(jī)的智能在線溶解氧分析儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用了低功耗的單片機(jī)和外圍芯片，并采用了靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的 電化學(xué)傳感器�？傮w設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的測量精度高、低功耗、穩(wěn)定性好等特性，同時(shí)達(dá)到智能化處理和中英文操作的功能，已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)溶解氧的在線檢測。
關(guān)鍵字：溶解氧；極譜式；電化學(xué)；ATmega128
0 引言
 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到監(jiān)測水中溶氧的必要性和重要性。尤其是大中型發(fā)電廠、水處理廠、油田及環(huán)保等單位，為確保水質(zhì)，保證設(shè)備長期正常運(yùn)行，必須嚴(yán)格地監(jiān)測和控制所用水中的溶解氧含量。
目 前,普遍采用專用儀器（溶氧儀）代替化學(xué)法測定溶解氧含量。溶氧儀主要由主機(jī)和傳感器(電極) 構(gòu)成。傳感器主要有兩種,即原電池式“DO”電極和極譜式復(fù)膜電極。原電池式“DO”電極由于消耗電極材料、精度低、壽命短而逐漸被淘汰。而極譜式復(fù)膜電 極以其受干擾小、使用壽命長、便于儲存等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用在DO測量上。目前，國內(nèi)也生產(chǎn)極譜式電極溶氧儀,但存在準(zhǔn)確度差、穩(wěn)定性差、定標(biāo)復(fù)雜、各種補(bǔ)償 功能不足的缺點(diǎn)。國外的溶氧儀雖然精度高 ,但其價(jià)格昂貴，維護(hù)困難，難以滿足國內(nèi)的需求。因此，設(shè)計(jì)了基于ATmega128微控制器的智能在線溶解氧分析儀，該系統(tǒng)具有低功耗、精確度高、穩(wěn)定 性好、存儲量大等特點(diǎn)。
1測量原理
測量水中溶解氧含量的儀表屬于電流式分析儀器，電流式分析儀的傳感器能夠把被分析物質(zhì)濃度的變化轉(zhuǎn)換成電流信號的變化。按工作原理的不同，又可分為原電池式和極普式。本設(shè)計(jì)是基于極普式工作原理的。

1.1極普式原理
在極普型電流傳感器的陰、陽電極間施加從小到大的電壓時(shí)，由于溶液中某種被分析物質(zhì)的存在，測量輸出電流可以得到如圖1所示的極譜圖。
     由圖1可知，當(dāng)電壓小于Uo時(shí)，極限擴(kuò)散電流I≈0，隨著電壓U增高，I按指數(shù)函數(shù)規(guī)律上升，直至U≥U1，I趨于穩(wěn)定值Io，且Io與被測物質(zhì)的濃度成正比。Io/2對應(yīng)的電壓U1 /2稱為半波電位，其值僅與被測物屬性有關(guān)，可作為定性分析的依據(jù)。
當(dāng)溶液中存在多種物質(zhì)時(shí)，各物質(zhì)對總極限擴(kuò)散電流都有貢獻(xiàn)，當(dāng)要用極譜法在線連續(xù)測量溶液中某物質(zhì)時(shí)，例如溶解氧濃度時(shí)，就會受到某些物質(zhì)的干擾，所以必須用有選擇性的膜將樣品液與電極室隔離。

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)，得到氧的極譜曲線如圖2所 示，這時(shí)電極上的電極反應(yīng)為：

 
由極譜分析原理可知，傳感器在一定的溫度下，電解液中溶解氧產(chǎn)生的極限擴(kuò)散電流與溶解氧的濃度成近似線性關(guān)系（見圖3中）。

 
2 總體設(shè)計(jì)
智能在線溶氧儀的設(shè)計(jì)以低功耗8位控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計(jì)框圖如圖4所示�？煞譃榘藗�(gè)部分：微控制器、氧傳感器、溫度傳感器、信號處理及A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出電路、報(bào)警及控制電路和通信接口電路等。

圖4總體設(shè)計(jì)框圖
 氧傳感器及溫度傳感器輸出的模擬信號，經(jīng)過放大處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入微控制器進(jìn)行分析處理，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和上傳，并顯示。
智能在線pH分析儀的硬件設(shè)計(jì)是基于低功耗的ATmega128單片機(jī)，不僅可以用來控制其本身的低功耗工作模式，并且可以通過編程控制外圍器件的低功耗工作方式，節(jié)約能量。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)的精度高、功耗低、穩(wěn)定性好等特性。
3硬件設(shè)計(jì)
3.1微控制器
微控制器選用AVR單片機(jī)家族中的高性能單片機(jī)ATmega128。ATmega128是基于RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，廣泛用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。
ATmega128 具有如下特點(diǎn)：內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新；內(nèi)嵌長壽命的E2PROM可長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電 數(shù)據(jù)丟失；并且可外擴(kuò)多達(dá)64KB的優(yōu)化外部存儲器空間；具有PWM 功能的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；SPI 串行端口；與IEEE 1149.1 規(guī)范兼容的JTAG 測試接口( 此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍:2.7～5.5V；抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)的工作量和硬件的使 用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級要求，達(dá)到-55℃--+125℃。
基于上述特點(diǎn)，選用了ATmega128單片機(jī)作為智能在線pH分析儀的核心控制器。
3.2 傳感器
    傳感器采用的復(fù)合式溶氧傳感器，其中氧傳感器基于極譜原理，溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）。
3.3 信號處理及A/D轉(zhuǎn)換
傳感器輸出的微電流信號先經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換及放大（如圖5）后，輸入電流與輸出電壓的關(guān)系式為：

再經(jīng)過低通濾波后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
為了提高精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換選用具有和差轉(zhuǎn)換技術(shù)（∑-Δ技術(shù)）的AD7715，AD7715具有16位無誤碼輸出，0.0015%非線性度，前端增益可編程、內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。模擬信號通過多路模擬開關(guān)，將溫度和pH值信號輸入AD7715進(jìn)行轉(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等組成。利用ATmega128的ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）輸出4—20mA標(biāo)準(zhǔn)電流，用于控制或外接記錄儀。 上下限報(bào)警以繼電器觸點(diǎn)方式輸出。通信電路采用RS485總線接口同上位計(jì)算機(jī)組成工控網(wǎng)絡(luò)，RS485 采用平衡式差分傳輸方式，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，通訊速率高。
3.5 鍵盤顯示電路
鍵盤顯示電路采用的是TFT3224真彩液晶顯示 器，支持256色，并且?guī)в杏|摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風(fēng)格。觸摸屏接口芯片選用具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS7843。ADS7843具有使用溫度范圍廣（-10℃—65℃），低功耗（3.3V最大電流240mA），寬輸入電壓（2.7V—5.5V），輕 薄設(shè)計(jì)（高度10mm），低功耗模式等優(yōu)點(diǎn)。
4軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫。儀表的軟件采用模塊式結(jié)構(gòu), 按不同功能分為鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)處理、中斷處理等模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分明、緊湊、程序運(yùn)行可靠,其主程序流程圖如圖6所示。
系統(tǒng)上電開機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化并自檢，完畢后打開測量程序開始對待測水質(zhì)的溶氧值進(jìn)行測量并在屏幕上顯示主測量值、溫度、時(shí)間和狀態(tài)參數(shù)等，同時(shí)檢測按鍵準(zhǔn)備調(diào)用菜單程序。菜單程序包括：參數(shù)查詢、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)維護(hù)和電極標(biāo)定等。
在菜單操作過程中采用全程中文提示，方便用戶操作。
5 結(jié)論
經(jīng)過模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試，通過與國家標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)口儀表的比對，該表已經(jīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，測量精度已接近進(jìn)口儀表�？梢宰鳛樵诰�式儀表用于水質(zhì)溶氧值的連續(xù)檢測。
表1：本儀表與進(jìn)口儀表對照表