CN102749368A - 一种溶解氧测量系统 - Google Patents

Abstract

一种溶解氧测量系统针对提DO检测精度的问题提出了一种基于C8051F020的溶解氧检测系统的设计，简单易行，在测量精度上也有很大提高。系统采用了软件温度补偿和多传感器数据融合技术，有效的消除了温度和传感器本身的影响，提高了测量精度。本系统还采用了UART串口通信，可以随时将检测数据传到PC上，可以作为上位机应用程序使用，具有很强的实用性。本发明的优点是：本发明在软件温度补偿的同时采取多组电极测量，运用多传感器数据融合技术对采集数据进行优化，从而消除测量误差以及测量时间对检测电流的影响，这样可以进一步提高DO测量精度。

Description

一种溶解氧测量系统

技术领域

本发明涉及溶解氧测量技术领域，尤其是一种软件温度补偿和多传感器数据融合技术。

背景技术

空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧（dissolved oxygen，DO），它是水体污染程度的重要指标。溶解氧值也是研究水自净能力的一个标准，水里的溶解氧被消耗，要恢复到初始状态，所需时间短，说明水体自净能力强，或者说水体污染不严重，否则说明水体有污染，自净能力差，甚至失去自净能力。因此溶解氧的测量在污水处理、环境监测等领域是很重要的。随着科技的发展，DO检测的应用范围越来越广，例如水产养殖、发电厂、油田等行业，在这些行业中，DO的检测和控制是生产正常进行的重要保证，所以DO的检测有很强的现实意义。

目前，国内溶氧仪在精度、稳定性和操作性上跟国外产品相比有一定的差距，但国外溶氧仪价格昂贵、维护困难。因此为了提高测量精度，改善系统稳定性采用了基于C8051F020单片机的在线溶解氧检测系统的设计。

申请号为200810012594.2的专利，涉及一种可精确控制水中溶解氧含量的系统及其应用，由可编程控制器控制，可提高系统的测量精度，部件多，成本高，而且体系复杂。

申请号为200810012594.2的专利，涉及基于模糊神经网络的溶解氧控制的废水处理方法，可提高系统的测量精度，但体系同样复杂。

上述改进方法各具优点，也有一些缺点。比如成本高，体系复杂，本发明提出了一种多传感器检测方法，采用数据融合中最为简单的加权平均值算法对多个传感器的数据进行数据融合，简单易行，在测量精度上也有很大提高，尤其适合小面积内测量溶解氧使用。

发明内容

本发明的目的在于针对目前DO检测技术中的问题提出一种基于C8051F020单片机的溶解氧测量系统，该系统简单易行，在测量精度上也有很大提高。

该系统采用了温度补偿和多传感器数据融合的方法，有效的消除了温度和传感器本身的影响，提高了测量精度。本系统还采用了UART串口通信，可以随时将检测数据传到PC上，可以作为上位机应用程序使用，具有很强的实用性。

本发明提供的溶解氧测量系统包括，多传感器模块、信号调理模块、微控制器、温度补偿模块、键盘输入模块、输出模块、通信模块和电源模块。

多传感器模块经信号调理模块连接微控制器，微控制器分别与通信模块和温度补偿模块双向连接，微控制器同时还分别连接键盘输入模块和输出模块。所述的电源模块分别与多传感器模块、信号调理模块和微控制器连接供电。

所述多传感器模块用于采集水体的溶解氧信号；信号调理模块用于对所述溶氧信号进行滤波放大处理；微控制器用于对所述溶氧信号和温度信号进行处理，并将处理所得的溶解氧电压信号根据温度信号进行校正，发送上位机显示。

所述温度补偿模块中的数字温度传感器DS18B20获取待测溶液的温度，MCU通过温度校正实现对溶解氧的温度补偿。

键盘输入模块为一键盘，输出模块为LCD液晶显示器。LCD液晶显示器主要显示的参数有DO浓度、溶液温度以及三个用来检测DO信号的DO传感器的使用状态。

通信模块用于和外部进行数据交换。

电源模块用于为多传感器模块、信号调理模块和微控制器供电。

本发明的测量原理及技术分析：

1．温度补偿

溶液中溶解氧的含量与水温有密切联系，因此，要提高测量精度，必须加入温度补偿。

温度主要是通过改变覆膜扩散系数来影响测量精度的，温度对膜的影响可以用膜的扩散系数与溶解度的阿伦尼乌斯定律来表示：

$I_T={\mathrm{Ap}}_{o_2}{e}^{-a/T}+I_O---\left(1\right)$

上式中，I_T为DO电极稳态响应电流；I_O为氧分压为零时的电极响应电流，一般很小，可忽略不计；P_O2为被测介质中氧分压；T为电极透氧膜工作温度；a和A为电极相关参数，与电极本身特性相关。由于DO与电流值成正比，有：

DO＝KI_T        （2）

根据上式可以采取温度补偿方式来消除温度对DO测量的影响。目前大部分测量仪器的温度补偿都是将数据补偿到25℃，所以分别测得不同温度Tx和25℃时饱和氧溶液的溶氧值DOx和DO₂₅，又溶解氧值与扩散电流成正比，所以由式（1）和式（2）可以得到：

${\mathrm{DO}}_{25}=\frac{{\mathrm{DO}}_X}{e^{-\frac{a}{\mathrm{TX}}+\frac{a}{25}}}---\left(3\right)$

上式中，DOx是硬件所测为补偿DO值，由于a是常数，再测得温度T就能得到补偿后的溶解氧值DO₂₅，这种补偿方法比传统的硬件温度补偿更精确。

2．数据融合

多传感器数据融合技术是把分布在不同位置的多个同类或者不同类的传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确定性，获得被测对象一致性解释和描述，从而提高系统决策、规划、反应的速度和正确性，使系统获得更充分的信息。

本测量系统采用低层次的数据融合技术，分别使用三个厂家生产的溶解氧电极，分别安装在待测溶液的上中下三个位置，对所测溶液进行测量，采用直观的加权平均法对所测数据进行融合。由于中间位置的溶解氧最能反应DO的真实值，所以中间传感器的权选择为50%，而上面和下面位置传感器的权重各为25%，因此此系统的融合算法公式为：

DO＝DO₁×25%+DO₂×50%+DO₃×25%                    (4)

其中，DO1、DO2、DO3分别代表三个不同位置传感器测得10次DO值的平均值，即：

${\mathrm{DO}}_x=\frac{\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DO}}_i}{10},(n=\mathrm{1,2,3})---\left(5\right)$

本发明的优点和有益效果：

本发明在软件温度补偿的同时采取多组电极测量，运用多传感器数据融合技术对采集数据进行优化，从而消除测量误差以及测量时间对检测电流的影响，这样可以进一步提高DO测量精度。

附图说明

图1为该测量系统结构示意图。

图中：1.多传感器模块2.信号调理模块3.微控制器4.温度补偿模块

5.输入模块6.输出模块7.通信模块8．电源模块

图2为数据融合结构示意图。

图3为温度测量电路硬件图。

图4为信号调理电路图。

图5为软件流程图。

图6为溶解氧测量系统电路示意图。

具体实施方式

实施例

一种溶解氧测量系统，如图1所示，包括由三个不同厂家生产的DO传感器组成的多传感器模块1、信号调理模块2、微控制器3、DS18B20构成的温度补偿模块4、输入模块5、输出模块6、通信模块7和电源模块8，图6为溶解氧测量系统电路框图。

本发明的核心微控制器3采用Cygnal公司生产的完全集成混合信号系统级MCU芯片C8051F020，该MCU内部集成8通道12位ADC，最高工作频率可达到25MHZ，具有多种通信方式，可以实现SPI、I2C和UART通信，完全满足本系统的需求。

温度补偿模块4采用的温度传感器是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其测量范围为-55℃～125℃，精度达0.0675℃，最大转换时间为200ms。传感器选用不锈钢封装，探头可直接接触溶液。

DS18B20采用的是单总线的通信方式，共有三根引线：VCC、GND、DATA。它与MCU之间的连接如图3所示，这种连接方式节约了MCU的硬件资源，但增加了软件的复杂程度，根据DS18B20的DATASHEET中的时序可很方便测得溶液的温度值。

本发明在多传感器模块1采用低层次的数据融合技术，分别使用三个厂家生产的溶解氧电极对所测溶液进行测量，采用如式（4）所示的加权平均法对所测数据进行融合，融合结构如图2所示。

信号调理模块4用于对所述溶氧信号和温度信号进行处理，溶解氧在激励电压的作用下输出的是微弱的电流信号，因此在MCU对信号进行AD转换之前必须对信号进行处理，信号调理模块的电路图4所示。

信号调理模块包括I/V转换电路和放大电路。本系统采用ADI公司的集成微电流放大器AD8217来检测溶解氧传感器的输出电流，输出电流范围是0～100nA，经过精密电阻的转换，电流值转化为0～250mV的电压值，由于AD8217的总增益为20V/V，所以，输出端电压为0～5V，这个电压范围在C8051F020的ADC的待测电压范围内。

输入模块5和输出模块6主要包括LCD液晶显示、报警和键盘输入。LCD上主要显示的参数有DO浓度、溶液温度以及三个传感器使用状态。所述键盘是通过软件扫描键盘来调用菜单程序，主要包括：调整参数、电极标定、参数显示和系统维护。菜单式的程序调用使得测量系统的操作方便简洁。

本发明的键盘模块采用软件扫描方式，而串口通信和报警模块采用中断方式。软件流程图如图5所示。

所述通信模块7与微控制器3相连，与外部进行数据交换。

所述电源模块8用于为多传感器模块1、信号调理模块2和微控制器3供电。

Claims (7)

1.一种溶解氧测量系统，其特征在于该系统包括多传感器模块、信号调理模块、微控制器、温度补偿模块、键盘输入模块、输出模块、通信模块和电源模块；

多传感器模块经信号调理模块连接微控制器，微控制器分别与通信模块和温度补偿模块双向连接，微控制器同时还分别连接键盘输入模块和输出模块；所述的电源模块分别与多传感器模块、信号调理模块和微控制器连接供电。

2.根据权利要求1所述溶解氧测量系统，其特征在于：所述微控制器采用Cygnal公司生产的完全集成混合信号系统级MCU芯片C8051F020，该MCU内部集成8通道12位ADC，最高工作频率可达到25MHZ，具有多种通信方式，可以实现SPI、I2C和UART通信。

3.根据权利要求1所述溶解氧测量系统，其特征在于：所述温度补偿模块中的温度传感器采用的是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其测量范围为-55℃～125℃，精度达0.0675℃，最大转换时间为200ms,传感器选用不锈钢封装，探头可直接接触溶液。

4.根据权利要求1所述溶解氧测量系统，其特征在于：采用了多传感器数据据融合方法；用三个DO传感器测得数据，MCU对测得的三个数据用低层次的加权平均法对所测数据进行融合。

5.根据权利要求1所述溶解氧测量系统，其特征在于：所述信号调理模块包括I/V转换电路和放大电路。

6.根据权利要求1所述溶解氧测量系统，其特征在于：所述键盘输入模块为一键盘，输出模块为LCD液晶显示器和报警器。

7.根据权利要求6所述溶解氧测量系统，其特征在于所述键盘输入模块采用软件扫描方式，而串口通信和报警器采用中断方式。

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