水中溶氧量测试系统的设计

颜丽娜 王长安 周萍 韦建德

【摘 要】本文依据溶氧传感器DOB-300B的工作原理，以STC12C5410AD单片机为控制核心，设计了水质溶氧测试系统。在此系统中，采用溶氧探头检测水质中的溶氧量，并将水中溶氧量相对应的电信号传送给单片机，以便单片机对接收到的溶氧信号进行采集及数据的处理。此外，可通过按键对溶氧数值的上下限数值进行设定，若溶氧量的数值不在设定的数值范围内，可驱动蜂鸣器报警。

【关键词】溶氧量;溶氧探头;变送器;STC12C5410AD

中图分类号： TP212.9文献标识码： A文章编号： 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，伴随着工农业的发展及城市生活污水排放的增加，许多地方的水质日益恶化，水污染问题日益严重。为了给人们提供良好的生活环境，需及时对污水进行检测和处理。其中，水中溶氧量是进行水质监测的一项性能指标，也是衡量水体自净能力的指标之一。

传统对于溶氧量的测试，主要采用的是碘量法，但此方法容易受环境的干扰，不便于现场测定及连续测定。伴随着近年来物理与化学分析方法的兴起，采用膜电极法制成的溶氧探测元件，具有测氧速度快、便于现场测定、可与智能化设备进行连接的优点。因此，采用溶氧探头与智能控制技术相结合，实现水中溶氧量的实时、在线测试，在环境监测、废水处理等领域具有重要的意义[1]。

1 极谱型膜电极溶氧探头测试溶氧的原理

溶氧，又称溶解氧，它是指溶解于水中的氧的含量。本文所设计的溶氧测试系统，采用极谱型膜电极溶氧探头对水中的溶氧量进行测试。极谱型膜电极探头主要由铂电极（阴极）、银电极（阳极）及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金、银两电极构成测量回路。当给溶氧探头加上0.6-0.8V的极化电压时，氧通过膜扩散，阳极失去电子，阴极得到电子，产生电流。整个反应过程为[2]：

由（1）式可知：在温度不变的情况下，流过电极的电流和溶氧浓度成正比。电流与氧浓度之间成线性关系，若能测试出电流值，则可算出氧浓度。

2 系统的组成

2.1 硬件电路的设计

测试系统的硬件电路如图1所示。系统采用的极谱型膜电极电流型溶氧传感器DOB-300B（北京博海科技公司），其供电电压是24V，输出的电流大小为4-20mA，对应的溶氧浓度测试范围为：0-20mg/L，输出的电流与溶氧浓度的值基本上成线性关系。

在图1中，系统采用的主控核心为STC12C5410AD单片机。STC12C5410AD是台湾宏晶科技公司生产的高速/低功耗的新一代8051单片机，内置有PWM、A/D转换、SPI同步通信等模块[5]。由于此单片机自带有A/D转换的功能（设置为10位二进数的转换精度）模块，因此，无需在电路中另加A/D转换芯片。溶氧变送器输出的电流信号经220Ω电阻转换成0-4.5V的电压信号输出，并传送给单片机的P1.2引脚进行电信号的采集。同时，为了显示溶氧量的数值，采用1602液晶屏与单片机进行连接。其中，单片机的P2.0-P2.7引脚分别与液晶屏1602的数据端口D0-D7进行连接，P1.7、P1.6、P1.5引脚分别与液晶屏的控制引脚RS（数据、/指令选择引脚）、RW（读操作/写操作选择端）、E（使能端）对应连接。

为了方便对溶氧量的上、下限数值进行设定，采用按键对设定数值进行调整。设定数值的按键共有3个，其中K1为“数值设定和数据移位”的功能键，K2为“数值加法键”，K3为“数值减法键”。此外，考虑到水中的溶氧量与温度因素有关，故需采用DS18B20测温传感器测试水中的温度，以便对水中的溶氧量进行温度补偿。

在此系统中，若单片机对P1.2引脚的溶氧电信号进行采集，得到A/D转换的数据为D，则溶氧变送器输出的电流信号I为：

2.2 系统软件设计

在软件设计方面，由于单片机是可编程的控制器，需采用keil软件对单片机进行程序的编写。在此系统中，主要编写了单片机采集及处理数据、外部中断和按键调整设定数值等程序。在对采集数据进行处理时，需要多次采样取平均值，且采用了平滑滤波算法，避免采集到的异常数据造成的干扰。

主程序流程图如图2所示，由于程序中开放了外部中断，当“数值设定和移位”的功能按键K1没有被按下时，单片机执行采集、数据处理及显示的操作;若按键K1被按下时，单片机优先执行外部中断程序，对设定值进行调整，然后再执行采集、数据处理及显示的操作。

3 结语

依据极谱式氧电极测试溶氧的原理，搭建出了溶氧测试系统。为了实现后续对水中溶氧量的实时、在线测试，一方面，需要将所设计的溶氧测试系统对标准溶氧液进行标定，另一方面，还需要考虑温度对溶氧量的补偿，进而提高所设计系统的准确性和测量精度。

【参考文献】

[1]褚华男，齐春雪，刘南等.溶解氧电极在在线水质溶解氧的测定中的研究.应用化工，2014，43：121-127.

[2]刘世英.膜电极法测定溶氧.淡水渔业，1975，26-33.

[3]陈郡，王涛.鱼塘溶氧量自动监控系统的设计[J].安徽農业科学，2009，37（24）：11718-11721.

[4]刘忠，邹宇，张凯.基于ATmega16的渔业养殖监控自动控制系统设计[J].测控技术，2015，34（8）：75-81.

[5]陈桂友，柴远斌.单片机应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6]李进，徐小龙，曾闵.Zigbee无线网在鱼塘水质监测中的应用.自动化与仪表，2018，33（8）：63-67.

[7]叱婵娟，陈忠孝，秦刚.多传感器智能水质监测系统的设计，国外电子测量技术，2018，37（9）：97-99.

[8]黄俊梅，马强，陈得兴.基于IAP15W4K58S4单片机的便携式渔业水情监测仪的设计.国外电子测量技术，2018，37（4）：97-101.

[9]吴豪.水产养殖水质监控技术及其发展.吉林农业，2018，（24）：70.

[10]尹宝全，曹闪闪，傅泽田等.水产养殖水质检测与控制技术研究进展分析.农业机械学报，2018：1-18.

[11]罗兴浩，臧开毅，袁利华.无线水质实时监测系统的应用研究，2018，2（9）：63-66.

[12]漆颢，管华，龚晚林.基于物联网的鱼塘环境监测系统设计.物联网技术，2018，（11）：72-76.

[13]田红，李秉权，张亚彤.基于STM32的水质智能远程监控系统.水利规划与设计，2019，（2）：31-33.