基于LPC1768的高精度溶解氧测量仪的设计

殷建军，赵子仪，项祖丰，汤健彬

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310014)



基于LPC1768的高精度溶解氧测量仪的设计

殷建军1，赵子仪1，项祖丰1，汤健彬2

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：采用极谱式溶解氧电极，以LPC1768为核心处理器，设计了一种高精度溶解氧测量仪，详细介绍了溶解氧检测系统的组成、溶解氧测量仪的工作原理以及检测系统各模块电路和对应的功能模块软件的设计过程.分析了对溶解氧测量有影响的温度、压力和盐度三个参数并给出相关的修正公式，采用24位高精度A/D转换芯片ADS1255以及在软件上的根据修正公式进行多参数补偿，提高了测量精度.针对使用的环境，应用一套电源管理策略使该溶解氧测量仪能够节能、稳定地在海洋环境中工作.

关键词：极谱式；溶解氧；LPC1768；电源管理策略

在水质监测、海洋测量等众多领域溶解氧是一个重要的水质参数.目前国内常用的溶解氧分析仪型号有瑞士Orbisphere公司的365便携式检测分析仪和梅特勒-托利多公司的InTap595便携式溶解氧分析仪，其测量精度可以达到μg/L级，但价格过高，难以得到广泛使用，而国内自主研发的测量仪精度一般为mg/L[1]级，因此设计价格适中、测量精确的溶解氧传感器具有重要的意义.

设计的溶解氧测量仪采用NXP公司的基于Cortex-M3内核的LPC1768作为处理器，采用24位A/D转换器，再加上软件的温度、压力和盐度的辅助多参数的补偿来提高测量精度.文中设计的溶解氧检测系统应用于复杂的长时间无人监管的海底环境，在这种的环境中，由于电源更换周期长，所以对系统电源的低功耗设计有要求.考虑到此种情况，在系统电源管理上提出一种策略，使得系统电源能更节能更稳定的应用在海底的环境中.

1系统结构

设计的高精度溶解氧测量仪主要包括溶解氧传感器模块、温度传感器模块、压力传感器模块、盐度传感器模块、处理器模块、通信模块、电源管理模块等.系统结构图如图1所示.

图1　系统结构图Fig.1　The image of system structure

溶解氧传感器模块最重要的器件是极谱式溶解氧传感器，该传感器由电极、电解液和氧扩散膜组成.电极包括阴极和阳极，在阳极上加上适当的极化电压，氧化反应就会发生在阳极，阴极上会发生还原反应.阴极上会输出弱电流，并且电流大小同溶解氧的质量浓度成比例关系[2]，溶解氧质量浓度和电流的关系式[3]为

(1)

式中：n为反应的得失电子数；F为法拉第常数；A为阴极的面积；D为溶解氧的扩散系数；c为溶解氧的质量浓度；l为扩散层的厚度.从关系式(1)中可以看出电流同溶解氧的质量浓度成正比.所以利用电流信号就可以测得溶解氧的质量浓度.整个反应过程为

阳极：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-

阴极：O2+2H2O+4e→4OH-

2影响溶解氧测量的因素

2.1温度对溶解氧的影响

当温度不变时，溶解氧电极产生的扩散电流随着待测溶液中的氧分压增加而增加，但当温度升高时，溶液中的氧的溶解度将减小，而透氧膜的扩散系数却增加，阿仑尼乌斯定律说明了膜的扩散系数与溶解度的关系，因此在氧分压P不变的情况下，电极的输出电流I与温度T的关系[4]为

I=i0Pe-(a/T)

(2)

式中i0和a为常数.因此，由式(2)可知：在氧分压P不变的情况下，溶解氧电极输出电流随着温度的升高而增大[4].

2.2盐度对溶解氧的影响

氧在水中的溶解度随盐含量的增加而减少，一般情况，水中氯离子每增加100 mg/L，水中溶解氧量减少0.01 mg/L左右[5]，式(1)中电流同溶解氧的关系式中没有考虑到这些，可以在软件中修正这一点.修正的公式[6]为

C=Cs-nΔCs

(3)

式中：C为海水的饱和溶解氧的值，mg/L；Cs为纯水的饱和溶解氧的值，mg/L；n为海水盐度值，g/L；ΔCs为1 g/L含盐量造成的溶解氧降低值，mg/L.不同温度下Cs和ΔCs的值可通过查表得到.

2.3大气压对溶解氧的影响

气液平衡时，溶液中的氧分压与空气中的氧分压相同[7].大气压变化时，液体中溶氧含量也有相应的变化，影响电极输出.软件上也要对此进行修正，修正的公式[6]为

(4)

式中：Cn为大气压为P时的溶解氧的值；C为101.325 kPa时的溶解氧的值；P为大气压，kPa.

综上可知：温度、盐度和大气压的补偿能够提高溶解氧的测量精度.

3系统模块设计

3.1处理器模块

处理器采用的是NXP公司的LPC1768的ARM芯片.LPC1700系列Cortex-M3微处理器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用，其工作主频可以到达100 MHz.LPC1700系列微控制器的外设组件包含高达512 kB的flash存储器，64 kB的数据存储器，8通道的12位ADC以及常见的IIC、CAN和SPI等总线接口，带有独立电池供电的超低功耗RTC，多达70个的通用IO管脚.LPC1768具有四种低功耗模式：睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电.LPC1768集成度高，从而简化了电路的设计和电路板的布线，因此性价比极高.

3.2温度传感器模块

温度传感器模块采用的最主要的器件是Pt100.Pt100温度传感器由于具有精度高、稳定性好、可靠性强等特点，被广泛应用于自动化测量和各种实验仪器仪表领域中[8].常用的Pt100电阻接法有两线制、三线制和四线制，两线制测量精度差，四线制测量精度高但是需要的导线多，成本高.相对而言，三线制测量将导线电阻分别加在了平衡电桥的两侧，这使得导线电阻对电桥测量的误差得以消除[9]，所以测量精度较好.如图2所示，我们这里采用的是三线制桥式测温电路.电路中的参考电压是5 V电源分压后由TL431和VR2配合调节所得，测量电桥的桥臂分别由电阻R18、R19、电位器VR3和PT100组成，为了计算方便，R18和R19取相同的的电阻值，调节电位器的阻值使得该桥臂的阻值为100 Ω，电桥平衡时没有信号输出，温度变化时PT100阻值发生变化，电桥平衡状态被打破，电桥输出的两条线路中会有电势差，这个信号经过后续的低功耗的AD8226适当地放大后就进行可以将信号输入给处理器LPC1768，利用其自带的12位的ADC进行A/D转换.

3.3压力传感器模块

压力传感器模块使用的主要器件是压力传感器，由于传感器采用的是电桥平衡式原理，这里可以使用温度传感器模块电路中的产生的参考电压，后续电路可以同样使用AD8226进行适当的放大，然后输入给处理器LPC1768，同样利用处理器自带的ADC进行转换，如图3所示.

图2　温度测量电路Fig.2　Temperature measurement circuit

图3　压力测量电路Fig.3　Pressure measurement circuit

3.4盐度传感器模块

盐度的测量与压力类似，盐度传感器模块使用的主要器件是盐度传感器，由于传感器已经集成好调理电路，这里设计就只需提供接口即可.接口使用RS-232标准串行接口，进行异步通信[10].盐度传感器模块使用MAX3232电平转换芯片和9针串口接口，根据9针串口的定义，接收数据线RXD，发送数据先TXD和地线GND就可以完成最基本的串口通信功能[11].这样数据可以传到处理器LPC1768来进行处理.

3.5溶解氧传感器模块

溶解氧传感器模块中采用了极谱型的溶解氧传感器，溶解氧传感器需要在0.68 V的极化电压下工作，于是就使用了稳压元件LM385Z-1.2和电位器进行分压以得到0.68 V的极化电压.由于传感器电极在工作的过程中不断发生电化学反应，所以其阻抗是会发生变化的，为了防止这种变化给前级电源的输出电压造成影响，于是在电源后级后面加了个电压跟随器用作缓冲器.利用电压跟随器输入阻抗高，输出阻抗小的特性起到隔离作用[3]，电路图如图4所示.

图4　电压跟随器电路Fig.4　Voltage follower circuit

当溶解氧传感器阳极输入0.68 V的极化电压，阴极就会输出nA级的弱电流，所以必须把电流信号转化为电压信号并进行适当的放大以适合A/D转换的要求.溶解氧传感器输出的DO+信号首先经过第一级由运算放大器OP37组成的电流转电压电路，然后经过低功耗运算放大器AD620的第二级放大，电路图如图5所示.由于溶解氧参数是最重要的参数，溶解氧参数的精度直接影响到整个系统的测量精度，我们使用了24位极低噪声的A/D转换芯片ADS1255，ADS1255是德州仪器推出的一款低噪声高分辨率、基于△—∑技术的高性能ADC，它的主要特点：24位无数据丢失；最大非线性度为±0.001 0%；高达23位的无噪声精度；最高数据采样率为30 kSPS.该型号ADC的有效位跟数据采样率和其他可编程参数相关，参考ADS1255的数据手册，ADS1255的有效位为16.5位时，参考电压为2.5 V时，可算得分辨率可以达到10-4.ADS1255采用SPI接口与处理器LPC1768连接，需要外接参考电压.SPI总线规范化和标准化程度高，使用该总线接口可简化电路设计，节省I/O口，提高系统设计的可靠性[12].

3.6通信模块

通信模块采用工业标准的RS-485串行总线接口，该总线采用平衡发送和差分接收的方式，抗干扰能力强，传输距离远，通信速率高，被大多数工业仪表作为与其他装置的主要通信方式[13].由于该通信接口的重要性，接口电路的附加保护措施也是必须考虑的环节，为了提高系统工作的可靠性，保护RS-485总线的电路加上的TVS管D6、D7和D8，这样可以使得RS-485总线的元器件免受各种浪涌脉冲的损坏.通信模块电路如图6所示.

图5　溶解氧信号放大电路Fig.5　DO signal amplifying circuit

图6　通信模块电路Fig.6　Communication module circuit

3.7电源管理模块

电源管理模块的设计主要的出发点在于可靠性和节能.系统采用锂电池作为电源供电，供电电压为12 V.由于电池的容量有限再加上更换电池的时间间隔较长，所以需要采取节能设计.为了实现节能设计，采用的是只有处于工作状态的元器件才上电的策略.处理器LPC1768和RS-485的通信接口要一直上电，可以让处理器在平时空闲时工作在掉电模式，一旦接收到RS-485的唤醒信号就可以从掉电模式切换到工作状态，这样可以使得系统功耗更低.第一部分是给处理器LPC1768供电的模块，如图7所示，供电方法是由供电电源处的12 V经过LM2575-3.3芯片以及电容的耦合和滤波提供3.3 V的电源.

图7　处理器电源电路Fig.7　Processor power circuit

第二部分的供电模块主要是给各个传感器模块供电的电源控制电路模块，如图8所示.电源控制电路主要由1只NPN三极管和LM2575-05的开关稳压器组成.电路的控制端连接处理器LPC1768的IO口，电源输入端连接12 V供电电源，电源输出端连接到各传感器模块的电源.通过控制处理器LPC1768的IO口的电平状态，可以使得三极管Q1工作在导通和截止的不同状态.当控制端输出低电平的时候，NPN三极管截止，开关稳压器5引脚开关端此时是高电平，即开关稳压器处于关闭状态，电源输出端无输出；当控制端输出高电平时，NPN三极管导通，开关稳压器5引脚开关端此时是低电平，即开关稳压器处于工作状态，后续电路得到5 V的稳压电源.

第三部分是对锂电池的电压进行监控的模块，如图9所示.将电阻分压得到的电压同电池电压经过电路转换得到的2.5 V基准电压输入比较器，然后再将结果输出到处理器LPC1768.电池刚开始使用时，电阻分压得到的电压会高于2.5 V，比较器会输出低电平，三极管Q3截止，输入到LPC1768的将会是高电平，当电池长时间使用导致电压下降后，电阻的分压也会随之下降，当电阻分压低于2.5 V后，比较器输出高电平，三极管Q3导通，输入到LPC1768的就变成低电平，可以通过RS-485通信接口远程监控锂电池电压的状态以提高系统的可靠性.

图8　电源控制电路Fig.8　Power control circuit

图9　电池电压监控电路Fig.9　Battery voltage monitoring circuit

4系统软件设计

软件设计使用C语言，平台为Keil MDK，可以使用程序设计中模块化的思想将各传感器模块的功能写成子函数模块，主函数中调用相应的模块系统就可以得到想要的功能.软件设计主要包括设备上电后系统初始化，处理器的模式选择，温度信号的采集与计算，压力信号的采集与计算，盐度信号的采集与计算，溶解氧信号的采集与分析，溶解氧信号的补偿和串口通信等等.主程序流程图如图10所示.

图10　主程序流程图Fig.10　Main program flow chart

为了保证各个测量参数的精度，各个参数都需要进行标定以减少系统的误差.各测量参数的程序流程类似，区别就在于溶解氧的测量使用的是外部的A/D转换器而其他参数使用的是LPC1768自带的A/D转换器，所以溶解氧测量模块需要ADS1255的驱动程序.标定程序的流程图和ADS1255驱动程序流程图如图11，12所示.

图11　标定程序流程图Fig.11　Calibration program flow chart

图12　ADS1255驱动程序流程图Fig.12　ADS1255 drivers flow chart

5测量结果分析

分别使用专业机构经过校准的溶解氧的标准测量仪器和文中设计的测量仪测量了相同环境中纯水中一系列温度下的溶解氧的质量浓度，通过加热方法改变水的温度，对比的实验数据如表1所示.

表1　溶解氧测量数据

从表1中的数据可知：设计的溶解氧测量仪与标准溶解氧测量仪器测量的数据误差在±0.1 mg/L之内，设计的溶解氧测量仪的最大量程为20 mg/L，相对误差为1%，具有较好的测量精度.

6结论

介绍了溶解氧测量仪的系统结构组成和工作原理，分析了各功能模块的硬件电路以及相关软件的设计过程，提出了一种电源管理的策略，使得整个系统功耗更低，在海底工作周期更长，可靠性和稳定性更好.硬件上采用了24位ADC，提高了A/D转换的分辨率；分析了对溶解氧产生影响的几个主要因素，在软件上对溶解氧进行了温度、大气压和盐度的补偿，试验测量结果表明测量的相对误差为1%，有较好的测量精度，在实际使用中具有一定的使用价值.

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(责任编辑：陈石平)

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

文章编号：1006-4303(2015)04-0405-07

中图分类号：TP212

文献标志码：A

作者简介：殷建军(1967—)，男，浙江诸暨人，副教授，研究方向为检测与控制，E-mail：yinjj@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-01-28