基于PLC的魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、鹽城工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PLC的魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名唐匯泓班級(jí)BMZ電氣091學(xué)號(hào)0961402110指導(dǎo)教師吳冬春完成日期2012年5月26日基于PLC的魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康快速發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)水產(chǎn)業(yè)的步伐。在水產(chǎn)業(yè)中氧在水中的含氧量是一重點(diǎn)研究的課題。魚對(duì)水中的含氧量非常敏感，魚類只有在水中溶氧量達(dá)到一定數(shù)值后，才能維持其生命活動(dòng)，且在一定的范圍內(nèi)，其生長(zhǎng)速度及對(duì)飼料的利用率都將隨著水中溶氧量的升高而增加，低氧對(duì)魚類的生活及生長(zhǎng)十分不利。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察魚的浮頭情況，來(lái)判斷水中是否缺氧。為了防止泛塘的發(fā)

2、生，漁民需花費(fèi)大量時(shí)間、精力觀察魚塘情況。為了提高魚類產(chǎn)品飼養(yǎng)的質(zhì)量和數(shù)量，提升水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的自動(dòng)化水平，減輕漁民的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的成本，本文對(duì)魚塘中溶解氧的檢測(cè)和控制展開研究工作，提出一種智能化的溶解氧監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)時(shí)檢測(cè)水中的含氧量和溫度，自動(dòng)啟動(dòng)水產(chǎn)增氧機(jī)運(yùn)行，使魚塘中水的含氧量和溫度的上下限保持在設(shè)定范圍內(nèi)，有效地提高了魚類的安全性，降低了養(yǎng)殖成本。關(guān)鍵詞：溶解氧；PLC；變頻調(diào)速器； PLC-based ponds oxygen detection and control system designAbstract： With healthy and rapid

3、development of China's economy, driving the pace of China's aquaculture. Oxygen in aquaculture oxygen content in the water is a key research topic. Fish, the oxygen content of the water is very sensitive to oxygen in the water fish only reaches a certain value, in order to maintain their lif

4、e activities, and in a certain range, the growth rate and feed efficiency of the water will vary depending dissolved oxygen increased with increasing hypoxia on fish life and growth is very unfavorable. Traditional farming methods are generally based on empirical observation of fish floating head, t

5、o determine whether the water anoxia. In order to prevent the occurrence of the Pan Tong, fishermen need to spend a lot of time, effort, observation pond situation. Reared fish products in order to improve quality and quantity of aquaculture technology to enhance the level of automation, reduce the

6、labor intensity of the fishermen to reduce the cost of aquaculture, fish ponds in this paper, the detection and control of dissolved oxygen to commence the study proposed an intelligent of dissolved oxygen monitoring and control system design, real-time detection of oxygen and water temperature, aqu

7、atic aerator automatically start running, so that the oxygen content of water in ponds and the temperature of the upper and lower limits to keep within a set range, effectively improve the safety of fish, reduce farming costs.Keywords:dissolved oxygen; PLC;inverter;2基于PLC的魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 概 述1.1課題背景水

8、體溶解氧(D0)是魚類賴以生存和微生物生物處理微生物硝化過(guò)程所必須的物質(zhì)。對(duì)于冷水性魚類的養(yǎng)殖，溶解氧水平一般要求高于5 mg·Ld或是在水體飽和溶解氧的60以上。在養(yǎng)殖過(guò)程中，水體溶解氧不斷地被消耗：魚類的生理活動(dòng)需要氧，每噸魚每天消耗約3kg氧；生物濾器轉(zhuǎn)化氨氮也需要氧，每噸魚每天排出lkg氨氮，要消耗457kg氧。當(dāng)DO<2 mg·L：1時(shí)，硝化細(xì)菌將失去活性。因此，持續(xù)不斷的為魚類和生物濾器提供充足的溶解氧是水體循環(huán)處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。空氣中的氧溶解在水中成為溶解氧。水中的溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系。在自然情況下，空氣中的含氧量

9、變動(dòng)不大，故水溫是主要的因素，水溫愈低，水中溶解氧的含量愈高。 1.1.1養(yǎng)殖魚類的溶解氧需求不同的養(yǎng)殖種類有不同的溶解氧需求，要根據(jù)養(yǎng)殖的具體情況確定。冷承性魚類生長(zhǎng)快、攝食量大、代謝旺盛、溶解氧消耗比較多。本研究利用虹鱒魚類作必設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在正常養(yǎng)殖條件下，虹鱒魚的體重與耗氧的關(guān)系方程為：OfA10eT×Wb式中：Of魚類呼吸耗氧量，mg·kg-1·h-1 W個(gè)體魚重量，g T養(yǎng)殖水溫， A、b、c為耗氧計(jì)算系數(shù)，取值范圍為： 410時(shí)：A75;b=0.196；c0.055 1222時(shí)：A29;b=0.142；c0.024魚類的耗氧還和養(yǎng)殖過(guò)程的投餌量有關(guān)系，

10、有資料表明，虹鱒魚在規(guī)范養(yǎng)殖的條件下，每kg飼料需要250g溶解氧，也可根據(jù)投餌量計(jì)算其溶解氧需求：Of10.42×k×BW式中：Of魚類呼吸耗氧量，g·kg-1·h-1 K 投餌系數(shù)，魚體重的% BW魚體重量。 1.1.2生物硝化處理溶解氧需求在循環(huán)養(yǎng)殖程中，魚類的排泄和殘餌需要進(jìn)行處理，氨氮的處理一般選用生物硝化的辦法，生物硝化反應(yīng)是亞硝化細(xì)菌把氨氮氧優(yōu)為亞硝酸鹽、硝化細(xì)菌髯把亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過(guò)程，其基本反應(yīng)為： 55NH4+76O2109HCO3C5H7O2N54NO257H2O10H2CO3 400NO2NH44H2CO3HCO3195O2

11、C6H7O2N3H2O400NO3從以上反應(yīng)式可得，轉(zhuǎn)化l克氨氮所需的溶解氧約為43克。有關(guān)研究表甓，在養(yǎng)殖魚類的代謝過(guò)程中，飼料中的蛋白質(zhì)有40轉(zhuǎn)化成了氨氮排泄物【341。由此，生物硝化處理所需溶解氧計(jì)算為：ON71.7××式中：ON魚類排泄生物處理的耗氧量，g·kg-1·h-1 投餌系數(shù)，魚體重的% 飼料蛋白含量%3、 養(yǎng)殖過(guò)程中溶解氧需求 OOfON O為正常投餌條件下，養(yǎng)殖lkg魚類所需要的溶解氧，單位g·kg。·h一。4、增氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及養(yǎng)殖過(guò)程的溶解總需求、系統(tǒng)的增氧方式和增氧效率。系統(tǒng)的溶解氧總需求可

12、計(jì)算為：OZk×W f×O1000式中：OZ 系統(tǒng)總?cè)芙庋跹a(bǔ)充量，kg-1·h-1 W f 養(yǎng)殖魚類重量，kg K 安全系數(shù)，一般為1.21.8。系統(tǒng)采用的增氧方式不同，增氧速度和效率有很大的差別。在利用空氣進(jìn)行氣泡充氣的工藝中，增氧效率較低，一般為045513(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)；在利用純氧增氧的方式中，增氧效率根據(jù)不同的混合方式，其效率在氧氣剩用率的40-70之間。在空氣增氧的條件下，增氧量計(jì)算為：純2億x N (2一17)式中： rl。為增氧效率，kgkW岫N為空氣機(jī)的功率，kW。在純氧增氧的情況下，增氧量計(jì)算為：OZo×N式中：o為增氧效率，kgkw&

13、#183;h N為空氣機(jī)的功率，kw 在純氧增氧的情況下，增氧量計(jì)算為： OZ1.43×o×QO其中：o純氧的利用率，4070，可根據(jù)試驗(yàn)確定； QO純氧的流量，m3·h-1 1.43氧氣在標(biāo)準(zhǔn)條件下的密度，kg·m-31.2水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展魚塘養(yǎng)殖要求水體溶解氧一般應(yīng)高予5mg·L或是水體飽和溶解氧的60以上，如果使用增氧機(jī)不斷向水體中充入空氣來(lái)滿足溶解氧的要求，對(duì)增氧機(jī)控制要求低，琵較容易實(shí)現(xiàn)，控制的露的主要是為了節(jié)約能耗。如果使焉某個(gè)功率的增氧機(jī)連續(xù)滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水體的溶解氧遠(yuǎn)高于要求，此時(shí)就可以對(duì)增氧機(jī)相應(yīng)的控制

14、，在保證水體溶解氧要求的基礎(chǔ)上能減少電能消耗，節(jié)約成本。對(duì)增氧機(jī)實(shí)現(xiàn)控制可以有如下的兩種方法：間歇運(yùn)行原理，即設(shè)定一個(gè)最低值，比如是5mg·01或是60，水體溶解氧高于此最低德時(shí)，增氧機(jī)停機(jī)；反之，增氧視開楓運(yùn)行一段固定的時(shí)聞。該控制方法是通過(guò)控制增氧機(jī)運(yùn)行時(shí)間來(lái)達(dá)到控制目的。規(guī)定增氧機(jī)開機(jī)以后要運(yùn)行一段露定的時(shí)聞是避免增氧機(jī)頻繁開視。變頻調(diào)速原理，即通過(guò)變頻器降低增氧機(jī)運(yùn)行功率。變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備【3仁搬。傳感器檢測(cè)出水體溶解氧值，送至下位機(jī)，下位機(jī)按照控制算法計(jì)算出結(jié)果送入變頻器，慮變頻器根據(jù)下位機(jī)送來(lái)的數(shù)

15、據(jù)改變頻率，以改變?cè)鲅鯔C(jī)轉(zhuǎn)速。增氧機(jī)轉(zhuǎn)速改變了，向水體充入的氣體流量就改變，從而達(dá)到控制水體溶解氧水平的效果。所使用的控制算法可以是PID算法或模糊控制算法。使用變頻器調(diào)速控制一大優(yōu)點(diǎn)是控制過(guò)程中只是降低功率，增氧機(jī)始終是運(yùn)轉(zhuǎn)的，這樣就避免了增氧機(jī)反復(fù)啟?？赡軐?dǎo)致的電機(jī)使用壽命降低，故障率增加等缺點(diǎn)。本課題對(duì)增氧機(jī)節(jié)能降耗潛力進(jìn)行初步探討，所以選擇聞歇運(yùn)行原理來(lái)控制。1.3溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)的組成1.4本課題完成的主要任務(wù)本課題主要完成了魚塘溶解氧檢測(cè)與控制整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。其中硬件電路主要包括：根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，整個(gè)系統(tǒng)由微控制器，傳感器電路，信號(hào)采集處理電路，LC

16、D顯示模塊，鍵盤控制電路，報(bào)警電路，電源電路組成。軟件部分主要包括：溶解氧檢測(cè)程序，顯示程序，報(bào)警程序，這三個(gè)主要的軟件程序共同作用，對(duì)魚塘的溶解氧指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，主要工作如下：A分析魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)的工作原理。B完成魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。C完成魚塘溶解氧檢測(cè)與控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)課題研究的內(nèi)容和要求，經(jīng)分析可知，本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：微控制器，溶氧傳感器電路，溫度傳感器電路，調(diào)整電路，信號(hào)處理電路，液晶顯示模塊，鍵盤控制電路，報(bào)警電路等。圖1系統(tǒng)安裝圖圖2系統(tǒng)組成圖2.2系統(tǒng)的主要功能1)溶氧度（DO）檢測(cè)傳感器頭的自

17、動(dòng)清洗，或者能提示用戶及時(shí)清洗傳感器頭，以確保準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果；2) 溶氧度測(cè)昔值的溫度補(bǔ)償：在不同的溫度下溶氧度檢測(cè)值與實(shí)際值將會(huì)有偏差，此自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償作用；3) 使用變頻調(diào)速來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制曝氣池所含溶氧量的目的，從而獲得最佳的污水處理效果，同時(shí)人人：肖約電能損耗降低污水處理成本：4) 能提供報(bào)警點(diǎn)輸山功能：根據(jù)人工設(shè)置的報(bào)警點(diǎn)，當(dāng)由于某種因素而使得曝氣池溶氧度值過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)；5) 數(shù)據(jù)打印輸出功能，包括定時(shí)打印(具體時(shí)間可由人工設(shè)定)和實(shí)時(shí)打印功能；61 數(shù)據(jù)傳輸通訊功能，通過(guò)RS232或者RS-485方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)

18、程傳輸功能，可將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，或者接受上何機(jī)傳輸?shù)目刂浦噶?，進(jìn)行相應(yīng)的操作；7) 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能根據(jù)人J：設(shè)置的存儲(chǔ)時(shí)間間隔，來(lái)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并提供查詢、傳送等服務(wù)：8）校時(shí)功能，能夠由人，r或者上位機(jī)校準(zhǔn)溶解氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間；9) 能設(shè)置各種T作參數(shù)，用戶可以根據(jù)具體的丁作需要，設(shè)置如PID參數(shù)等各種參數(shù)：10)提供聯(lián)機(jī)使_j說(shuō)明，從而用戶可以通過(guò)觸摸屏查看此監(jiān)控系統(tǒng)的各種功能使用說(shuō)明。以上各功能由PLC和觸摸屏共同編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，其有較高的可靠性，可以用于干擾較大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，具有良好的實(shí)川價(jià)值。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 根據(jù)課題研究的內(nèi)容和要求，經(jīng)分析

19、可知，本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：微控制器，溶氧傳感器電路，溫度傳感器電路，調(diào)整電路，信號(hào)處理電路，液晶顯示模塊，鍵盤控制電路，報(bào)警電路等。3.2 PLC簡(jiǎn)介及最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.1 PLC簡(jiǎn)介 本文選用三菱FX系列的PLC,FX系列PLC是由三菱公司近幾年來(lái)推出的高性能小型可編程控制器,具有很高的性價(jià)比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。 3.2.2 FX系列PLC型號(hào)說(shuō)明FX系列PLC型號(hào)的含義如下：其中系列名稱：如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等單元類型：M基本單元 E輸入輸出混合擴(kuò)展單元      Ex擴(kuò)

20、展輸入模塊      EY擴(kuò)展輸出模塊輸出方式：R繼電器輸出 S晶閘管輸出     T晶體管輸出特殊品種：DDC電源，DC輸出 A1AC電源，AC（AC100120V）輸入或AC輸出模塊 H大電流輸出擴(kuò)展模塊 V立式端子排的擴(kuò)展模塊 C接插口輸入輸出方式 F輸入濾波時(shí)間常數(shù)為1ms的擴(kuò)展模塊如果特殊品種一項(xiàng)無(wú)符號(hào)，為AC電源、DC輸入、橫式端子排、標(biāo)準(zhǔn)輸出。例如FX2N32MTD表示FX2N系列，32個(gè)I/O點(diǎn)基本單位，晶體管輸出，使用直流電源，24V直流輸出型。 3.2.3可編程控制器控制系統(tǒng)

21、設(shè)計(jì)的基本步驟1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（ 1 ）擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式來(lái)確定，它是整個(gè)設(shè)計(jì)的依據(jù)；（ 2 ）選擇電氣傳動(dòng)形式和電動(dòng)機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；（ 3 ）選定 PLC 的型號(hào)；（ 4 ）編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪制輸入 / 輸出端子接線圖；（ 5 ）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求編寫軟件規(guī)格說(shuō)明書，然后再用相應(yīng)的編程語(yǔ)言（常用梯形圖）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；（ 6 ）了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)人與機(jī)器之間的友善關(guān)系；（ 7 ）設(shè)計(jì)操作臺(tái)、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電氣元件、部件；（ 8 ）編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書和使用說(shuō)明書；根據(jù)具體任務(wù)，上述內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)整

22、。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟（ 1 ）深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求a 被控對(duì)象就是受控的機(jī)械、電氣設(shè)備、生產(chǎn)線或生產(chǎn)過(guò)程。B 控制要求主要指控制的基本方式、應(yīng)完成的動(dòng)作、自動(dòng)工作循環(huán)的組成、必要的保護(hù)和聯(lián)鎖等。對(duì)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，還可將控制任務(wù)分成幾個(gè)獨(dú)立部分，這種可化繁為簡(jiǎn)，有利于編程和調(diào)試。（ 2 ）確定 I/O 設(shè)備根據(jù)被控對(duì)象對(duì) PLC控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、傳感器等，常用的輸出設(shè)備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。（ 3 ）選擇合適的 PLC 類型根據(jù)已確定的用

23、戶 I/O 設(shè)備，統(tǒng)計(jì)所需的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，選擇合適的 PLC 類型，包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、 I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。（ 4 ）分配 I/O 點(diǎn)分配 PLC 的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入 / 輸出分配表，或者畫出輸入 / 輸出端子的接線圖。接著就可以進(jìn)行 PLC程序設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制柜或操作臺(tái)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。（ 5 ）設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序根據(jù)工作功能圖表或狀態(tài)流程圖等設(shè)計(jì)出梯形圖即編程。這一步是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中核心的工作，也是比較困難的一步，要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時(shí)還要有一定的電氣設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。（ 6 ）將程序輸入 PLC當(dāng)使用簡(jiǎn)易編程器將

24、程序輸入 PLC時(shí)，需要先將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令助記符，以便輸入。當(dāng)使用可編程序控制器的輔助編程軟件在計(jì)算機(jī)上編程時(shí)，可通過(guò)上下位機(jī)的連接電纜將程序下載到PLC 中去。（ 7 ）進(jìn)行軟件測(cè)試程序輸入 PLC 后，應(yīng)先進(jìn)行測(cè)試工作。因?yàn)樵诔绦蛟O(shè)計(jì)過(guò)程中，難免會(huì)有疏漏的地方。因此在將 PLC連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上去之前，必需進(jìn)行軟件測(cè)試，以排除程序中的錯(cuò)誤，同時(shí)也為整體調(diào)試打好基礎(chǔ)，縮短整體調(diào)試的周期。（ 8 ）應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試在 PLC軟硬件設(shè)計(jì)和控制柜及現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，如果控制系統(tǒng)是由幾個(gè)部分組成，則應(yīng)先作局部調(diào)試，然后再進(jìn)行整體調(diào)試；如果控制程序的步序較多，則可先進(jìn)行分段

25、調(diào)試，然后再連接起來(lái)總調(diào)。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，要逐一排除，直至調(diào)試成功。（ 9 ）編制技術(shù)文件系統(tǒng)技術(shù)文件包括說(shuō)明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC 梯形圖。3.3 通信電路的設(shè)計(jì)3.4信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路由含氧量傳感器、溫度傳感器和A/D 轉(zhuǎn)換器組成。氧探頭和溫度探頭轉(zhuǎn)換的信號(hào)較弱，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換前先用儀用放大器進(jìn)行放大處理。利用ADC0809 轉(zhuǎn)換器的8 通道可實(shí)現(xiàn)水中含氧量和溫度等多個(gè)參數(shù)的多路數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。為防止輸出電壓過(guò)大損壞A/D 轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前應(yīng)加限幅保護(hù)電路，使其輸出電壓范圍在05V 內(nèi)，電路如圖3 所示。圖3 中，利用兩個(gè)二極管D1 和D

26、2 將輸入電壓幅度限制在0 5V 之間，電容C、電阻R 和外部電路阻抗構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，濾除頻率較高的干擾信號(hào)，提高A/D 轉(zhuǎn)換的可靠性。其中,電容C 的大小根據(jù)輸入信號(hào)的頻率來(lái)選擇，電阻R 限制過(guò)壓狀態(tài)下的輸入電流的大小。3.4.1 含氧量傳感器和溫度傳感器本系統(tǒng)采用極譜型復(fù)膜氧電極， 由鉑電極和Ag/AgCl 參比電極組成電極對(duì)，電極腔內(nèi)充有特制的電解液,響應(yīng)時(shí)間為90%（30s）。在兩個(gè)電極上加上一個(gè)固定的極化電壓，當(dāng)電極插入被測(cè)樣品時(shí)，水中溶解氧或氣體中的氧透過(guò)薄膜，在陰極上將發(fā)生還原反應(yīng)。電極輸出的電流與氧的活度（氧分壓）成正比。極譜型復(fù)膜氧電極的反應(yīng)分別為陰極：O2+2H2O+2

27、e- H2O2+2OH- (1)H2O2+2e-2OH- (2)陽(yáng)極：Ag+Cl-AgCl+e- (3)全反應(yīng)：4Ag+O2+2H2O+4Cl-4AgCl+4OH- (4)采用溶氧變送器對(duì)溶氧傳感器進(jìn)行供電和信號(hào)變送，其由溶氧傳感器、測(cè)量放大器和24V 開關(guān)電源等組成。它將溶氧傳感器產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并加以放大，輸出信號(hào)可由數(shù)字電壓表讀數(shù)或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。極譜型復(fù)膜氧電極有極大的溫度系數(shù)，而且是非線性的，溫度變化對(duì)測(cè)量的精度有較大的影響。本系統(tǒng)采用鉑式熱敏電阻測(cè)量水中的溫度，通過(guò)橋式電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)查表獲得溫度值?？紤]溫度影響，

28、水中溶解氧的計(jì)算O2mg /L )=O2 1+5%(T 1-T 2)(E 2-E 0)/(E 1-E 0) (5)式中 Q2氧飽和水在水溫T 1 時(shí)的含氧量；E 0電位值，將電極浸入Na2SO3 內(nèi)讀取；E 1電位值，將電極清洗后浸入氧飽和水中測(cè)得；T 1測(cè)量溶液溫度；E 1電位值，電極清洗后在樣品溶液測(cè)得；T 2溶液溫度。3.1.2 A/D 轉(zhuǎn)換器8 位A/D 轉(zhuǎn)換器件ADC0809 為單+5V 供電，輸入電壓范圍0 5V，轉(zhuǎn)換速度100 s，通過(guò)其引腳IN0 IN7 可輸入8 路模擬電壓，由地址線A、B、C的狀態(tài)決定轉(zhuǎn)換8 路輸入中的其中一路。3.5增氧機(jī)控制電路增氧機(jī)控制電路原理圖如圖4

29、 所示。增氧機(jī)控制電路主要由光電耦合器和可控硅組成。單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當(dāng)光電耦合器工作后，使得可控硅的觸發(fā)極處于高電平，可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而控制增氧機(jī)工作。使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.6 鍵盤輸入及顯示電路、聲光報(bào)警電路鍵盤由復(fù)位鍵、模式鍵、加一鍵和移位鍵組成。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)復(fù)位鍵使系統(tǒng)恢復(fù)工作。通過(guò)模式鍵、加一鍵和移位鍵的組合，可設(shè)定含氧量和溫度的上下限， 為系統(tǒng)控制增氧機(jī)的開停、聲光報(bào)警電路的工作與否提供依據(jù)。當(dāng)信號(hào)采集電路采集到的含氧量大于設(shè)定值上限時(shí)，系統(tǒng)則停止增氧機(jī)工作，反之，系統(tǒng)則開啟增

30、氧機(jī)。當(dāng)溫度信號(hào)高于設(shè)定值上限或低于設(shè)定值下限時(shí)，系統(tǒng)則啟動(dòng)聲光報(bào)警電路。顯示電路采用16×2 字符型點(diǎn)矩陣式LCD 模組（簡(jiǎn)稱LCM），用于顯示控制器采集水的溶氧量和溫度值,以及溶氧量的上下限設(shè)定值。利用單片機(jī)P1口作為液晶顯示器數(shù)據(jù)輸入端口， 輸入的數(shù)據(jù)為ASCII 碼。顯示模塊無(wú)需接口電路，直接與單片機(jī)相連。3.7增氧機(jī)工作狀態(tài)檢測(cè)電路增氧機(jī)工作狀態(tài)檢測(cè)電路如圖5 所示。增氧機(jī)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵控制對(duì)象，其工作狀態(tài)檢測(cè)電路主要由電流互感器和集成運(yùn)算放大器組成。利用電磁感應(yīng)原理，電流互感器檢測(cè)增氧機(jī)中是否有電流流過(guò)。電流互感器提供的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大傳輸后給單片機(jī)。第一級(jí)運(yùn)算放大器將電

31、流互感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，第二級(jí)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大。電路可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)增氧機(jī)的工作狀態(tài)是否與系統(tǒng)指定的工作狀態(tài)一致。當(dāng)增氧機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警電路工作。本系統(tǒng)使用瑞士Hamilton公司的溶解氧電極檢測(cè)魚塘中水的含氧量，該電極有一個(gè)內(nèi)置的22k的溫度補(bǔ)償電阻，極化和反應(yīng)時(shí)間極短，可以精確地檢測(cè)到水中的含氧量。溫度傳感器用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它是美國(guó)DALLAS公司推出的一種可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，采用1Wire總線接口，測(cè)溫范圍為55125，精度可達(dá)0067 5，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ms3，傳感器輸出的溶解氧和溫度送入一調(diào)整電路，調(diào)理電路將各種傳感器的輸出

32、信號(hào)調(diào)理到適于A D轉(zhuǎn)換的范圍（05V），再通過(guò)多路A D轉(zhuǎn)換器（TLC2453）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，分時(shí)傳送給單片機(jī)。4.軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)魚塘溶解氧自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件突出簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)原則。簡(jiǎn)單，是因?yàn)闈O業(yè)養(yǎng)殖人員的整體文化素質(zhì)較低，因此在操作使用上盡量設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單、直接，讓漁業(yè)養(yǎng)殖人員在操作說(shuō)明書的指導(dǎo)下能夠快速掌握；穩(wěn)定，是指測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、判斷等各種環(huán)節(jié)保持穩(wěn)定，不出現(xiàn)跳變。魚塘溶解氧自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由C語(yǔ)言編寫而成，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。信號(hào)采集模塊LCD顯示模塊鍵盤控制模塊時(shí)鐘日歷模塊信號(hào)輸出模塊串行通信模塊系統(tǒng)軟件組成初始

33、化模塊開始系統(tǒng)初始化采集傳感器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)檢查A/D轉(zhuǎn)化溶氧量<下限量溶氧量>下限量停止增氧機(jī)啟動(dòng)增氧機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)YYNN圖3系統(tǒng)主程序流程圖5。13傳感器 溫度傳感器按傳感器予被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可分為2大類：一類是接觸式溫度傳感器，另一類是非接觸式遺度傳感器，接觸式溫度傳感器昀測(cè)瀣元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測(cè)對(duì)象的濕度。這種測(cè)瀣方法精度斃較高，并在一定程度上還可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測(cè)溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交

34、換原理。此種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測(cè)溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。熱電偶傳感器是工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中聞介質(zhì)的影響，具有較高的精確度；測(cè)量范圍廣。熱電偶傳感器主要按照熱電效應(yīng)來(lái)工作。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連接起來(lái)，組成一個(gè)閉合回路，即構(gòu)成感溫元件。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)l和2之闋存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象即稱為熱電效應(yīng)，也叫溫差電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)進(jìn)行工作的。熱電偶的一端是將A、B兩種導(dǎo)體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測(cè)介

35、質(zhì)中。另一端稱為參比端或自由端，放于溫度為t0的恒定溫度下。當(dāng)工作端的被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢(shì)隨之發(fā)生變化，將熱電勢(shì)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即可得到溫度值。溫度傳感器選用Ptl00熱電阻和RWB變送器，使用24V直流電源，測(cè)量范圍為0"100，輸出420mA電流。Ptl00是一種正電阻系數(shù)金屬，溫度升高焉電阻值交大。RWB系列熱電偶熱電阻溫度變送器模塊是一種現(xiàn)場(chǎng)安裝式溫度變送單元。它采用二線鍘傳送方式(電源輸入與信號(hào)輸出為二根公用導(dǎo)線)，輸出與被測(cè)溫度成線性的4-20mA電流信號(hào)。變送器可以安裝于熱電偶、熱電阻的接線盒內(nèi)與之形成一體化結(jié)構(gòu)，也可單獨(dú)安裝于儀表盤內(nèi)作轉(zhuǎn)換單元。廣泛應(yīng)用

36、于各種工業(yè)和科研領(lǐng)域，進(jìn)行自動(dòng)化溫度檢測(cè)、變送和控制。本次設(shè)計(jì)的溫度傳感器選用衡欣儀表的K型熱電偶溫度傳感器，其型號(hào)為AZ87P6，可測(cè)量溫度：一20+7e；以及R謝8系列溫度交送器，可輸出4-20mA電流。溶解氧檢測(cè)儀選用APURE公司的RDl08變送器和漢米爾頓公司的溶解氧傳感器。使用24V直流電源供電，測(cè)量范網(wǎng)為O，-20ppm，輸出4-20mA電流。517變頻器的選擇變頻調(diào)速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI(variablevoltage&variable frequency inverter)，是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

37、它采用大功率晶體管IGBT作為功率元件，以單片機(jī)失核心進(jìn)行控制，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制方式，是電力電子與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。517變頻器的結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，變頻器結(jié)構(gòu)如圖35所示。圖中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制交頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。整流器中間電 路逆變器M控制電路圖 變頻器結(jié)構(gòu)圖(1)整流器整流器與單相或三相交流電源相

38、連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電蕊。(2)中間電路中聞電路有以下三種作用：使脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定和平滑，供變頻器使用。通過(guò)開關(guān)電源為各個(gè)控制電路供電。可以配置濾波或制動(dòng)裝置，以提高變頻器性能。(3)逆變器將固定的直流電壓變換成可變電壓或頻率的交流電壓。(4)控制電路將信號(hào)傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)也接受來(lái)自這些設(shè)備的信號(hào)。其主要組成部分是：輸出驅(qū)動(dòng)電路、操作控制電路。主要功能是：利耀信號(hào)來(lái)開關(guān)逆變器的半導(dǎo)體器件。提供操作變頻器的各種控制信號(hào)。監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功熊。518水泵的選擇直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生于19世紀(jì)，距今有了很多年的歷史，并已經(jīng)成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)

39、裝置。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，占整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)80左右的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)中采用的是交流電動(dòng)機(jī)(包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī))，而在需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動(dòng)系統(tǒng)中則基本上采用的是直流電動(dòng)機(jī)。但是眾所周知，由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn)：(1)需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短；(2)由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動(dòng)機(jī)。而與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，易于維護(hù)保養(yǎng)；(2)不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；(3)容

40、易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流流電動(dòng)機(jī)。在本次設(shè)計(jì)中，選擇保定工業(yè)水泵公司的IS5032125A。31溶解氧測(cè)試儀的設(shè)計(jì)一、溶解氧測(cè)試儀的功能與主要技術(shù)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際需要以及GLl5400型溶解氧傳感器的性能參數(shù)智能溶解氧測(cè)試儀的主要功能與技術(shù)指標(biāo)如下1 溶解氧測(cè)量范圍：0-4000pprn(mgL)：2， 測(cè)量精度： ±01量程：3 靈敏度： ±0 05量程：4 線性度： ±O1量程：5 重復(fù)性： 十O05量程；6 溫度范圍： 050(待測(cè)水體溫度)、一2070。C(測(cè)試儀工作溫度)：7 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，分為電流方式(4-20mA)和電壓方式(05V)的兩種模

41、式的信號(hào)輸出；8 具有顯示和鍵盤操作功能；9 具有時(shí)鐘日歷顯示功能：10具有可供擴(kuò)展的RS485接口；11其它的一些附加功能如指示燈、報(bào)警提示等：其中前6項(xiàng)參數(shù)主要是由GLl5400型溶解氧傳感器的技術(shù)規(guī)格所決定的，它可以滿足極大部分的應(yīng)用場(chǎng)合。電源模塊+5V+12V-12V信號(hào)處理電路電源模塊GLJ5400DO過(guò)濾器MAX4624模擬開關(guān)ADCAds1302MCUDAC輸出信號(hào)處理電路信號(hào)采集模塊1x7鍵盤鍵盤接口鍵盤模塊LCD控制模塊顯示模塊信號(hào)輸出模塊時(shí)鐘日歷RS485發(fā)送器時(shí)鐘看門狗模塊串行通訊模塊圖 溶解氧測(cè)試儀總體框圖整個(gè)SGY00l型溶解氧測(cè)試儀可以分為主控制模塊、電源模塊、信號(hào)

42、采集模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、信號(hào)輸出模塊、時(shí)鐘看門狗模塊、通訊模塊、報(bào)警模塊等部分組成，下面詳細(xì)說(shuō)明它們的設(shè)計(jì)思想。l、主控制模塊溶解氧測(cè)試儀是以89C58為中央處理單元，基于GLI 5400型溶解氧傳感器構(gòu)成的。89C58實(shí)現(xiàn)對(duì)其他數(shù)控模塊的控制，然后完成諸如ADC、DAC、液晶顯示和鍵盤操作等眾多功能。2、電源模塊溶解氧測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，89C58的工作電壓為5V，對(duì)于其它的一些數(shù)字器件(液晶等)也工作于+5V電壓，所以需要設(shè)計(jì)獲得一個(gè)+5V的電源。同時(shí)在測(cè)試儀輸出模塊中，需要輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號(hào)，因此需要+12V和12V的一組直流穩(wěn)壓電源供模擬電路部分使用。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常

43、僅有直流24V和220V交流電源，這兩種電源無(wú)法直接提供給溶解氧測(cè)試儀數(shù)字和模擬電路使用，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)專用的直流電源。實(shí)現(xiàn)直流電源的方案很多，常見(jiàn)的有線性電源和開關(guān)電源兩種。采用高精度的開關(guān)電源模塊可以很方便的得到所需要的電源，這種方案電路體積小，但是成本較高。而線性電源產(chǎn)生的電壓功率較大、紋波小。其不足之處是變壓器體積較大。在溶解氧測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，需要三組電源，但是對(duì)于電路體積的要求不是很苛刻，所以我們通過(guò)變壓器降壓的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)供電模塊。供電部分輸入為220V、50Hz交流電，然后經(jīng)過(guò)變壓器降壓處理，對(duì)降壓后的交流電壓信號(hào)進(jìn)行單相橋式整流，最后通過(guò)三端穩(wěn)壓模塊將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的直流電

44、壓。3、信號(hào)采集模塊信號(hào)采集模塊就是利用相關(guān)處理電路和MCU控制器來(lái)讀取GLI 5400溶解氧傳感器的輸出信號(hào)。根據(jù)GLI 5400溶解氧傳感器的技術(shù)資料，其正常工作的時(shí)候需要外界提供一組較精確穩(wěn)定的+75V和75V供電電壓，而且這個(gè)供電電壓的精度和穩(wěn)定性將直接影響傳感器的輸出信號(hào)。由于目前較少有現(xiàn)成的芯片能夠?qū)崿F(xiàn)+75V和一75V這樣的穩(wěn)定電壓，在本課題的設(shè)計(jì)中通過(guò)REF02來(lái)獲得一個(gè)精密+50V電壓參考源。然后經(jīng)過(guò)高精度雙通道的高速FET運(yùn)算放大器OPA2132組成的運(yùn)算電路來(lái)獲得士7，5V的電壓輸出。OPA2132供電電壓采用士12V，其輸出驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)(短路電流為士40mA)。完全能滿

45、足溶解氧傳感器的供電要求。溶解氧傳感器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)溶解氧的檢測(cè)和溫度的檢測(cè)。對(duì)于溶解氧檢測(cè)部分，其輸出信號(hào)為毫伏級(jí)。經(jīng)過(guò)與GLI公司技術(shù)支持部門的Chris McCartney交流得知，GLI 5400型溶解氧傳感器每lppm的溶解氧含量大致對(duì)應(yīng)一90mV的電壓信號(hào)變化(溶解氧傳感器電纜中的信號(hào)線red與屏蔽線Shield之間電壓)。此型號(hào)的溶解氧傳感器量程為0-40ppm，因此對(duì)應(yīng)電壓輸出4mH變化范圍大約為O3.6v。對(duì)于這樣一個(gè)變化范圍的電壓信號(hào)，可以通過(guò)一個(gè)離性能運(yùn)放組成的反相電壓跟隨器處理后再由一個(gè)ADC來(lái)讀取。溶解氧傳感器的測(cè)量精度為量程的01(004ppm)，測(cè)量靈敏度為量程的0

46、05(002ppm)，分別對(duì)應(yīng)于傳感器的輸出信號(hào)電壓36mV和18mV左右。為了盡量減少信號(hào)采樣過(guò)程中可能帶來(lái)的誤差而影響最后的精度，溶解氧測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中必須選擇一個(gè)合適的AD轉(zhuǎn)換器。比較常見(jiàn)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的各種規(guī)格的AD轉(zhuǎn)換器芯片，我們選用BB公司性價(jià)比較高的16位逐次逼近式ADS8320芯片來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集功能。ADS8320在應(yīng)用中供電電源和參考電源均采用+5V電壓值，這樣就能實(shí)現(xiàn)0-5V范圍內(nèi)的模擬信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換，最小可分辨電壓約為5V(2n16)，即76uV，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要。根據(jù)GEl5400溶解氧傳感器的技術(shù)規(guī)范，其溫度測(cè)量通過(guò)一負(fù)溫度系數(shù)(NTC)阻值為30K Q的熱敏電阻來(lái)

47、實(shí)現(xiàn)的。我仃可以通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路，將電阻值變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于O5v之間的電壓變化來(lái)方便ADC的讀取，具體可以采用一個(gè)分壓電路或者恒流源芯片米完成轉(zhuǎn)換功能。由于在個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ADC芯片的成本相對(duì)較高，所以對(duì)于多輸入信號(hào)采樣的情況，一般優(yōu)先考慮采用多路通道的工作方式來(lái)共用ADC轉(zhuǎn)換器，從而降低成本。在溶解氧測(cè)試儀設(shè)計(jì)中，需要采樣的信號(hào)只有兩組(溶解氧值和溫度)，所以通過(guò)一個(gè)模擬多路開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)共用一個(gè)ADC來(lái)完成采用。在此我們選用MAXIM公司的SPDT模擬開關(guān)MAX4624，其連通電阻極低(1歐姆)，開關(guān)速度為50ns，可以較好的滿足信號(hào)采用的要求。這樣，通過(guò)MCU來(lái)控制模擬開關(guān)，就能很好的實(shí)現(xiàn)

48、了信號(hào)的兩路采樣。由于ADS8320的采樣率可以高達(dá)100kHz，而且精度較高，所以信號(hào)采集過(guò)程中引入的誤差極小。4、液晶顯示模塊對(duì)于一個(gè)智能溶解氧測(cè)試儀，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示是必不可少的一部分。為了使得我們?cè)O(shè)計(jì)的溶解氧測(cè)試儀樣機(jī)不僅可以用于溶解氧自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，而且可以應(yīng)用于單獨(dú)的溶解氧測(cè)試場(chǎng)合；為了提高系統(tǒng)的性價(jià)比，選用了128×64的圖形點(diǎn)陣液晶屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。5、鍵盤模塊由于溶解氧測(cè)試儀的檢測(cè)部分采用GLl5400型的溶解氧傳感器，其需要進(jìn)行標(biāo)定工作，所以需要提供一個(gè)人機(jī)交互的界面。結(jié)合實(shí)際需要，這里設(shè)計(jì)了7個(gè)按鍵，通過(guò)IO設(shè)備的方式來(lái)讀取識(shí)別，節(jié)省了單片機(jī)的通用IO口資源。6、信

49、號(hào)輸出模塊為了使溶解氧測(cè)試儀能夠滿足一般的工業(yè)應(yīng)用需求，提高它的適用性，在設(shè)計(jì)中提供了標(biāo)準(zhǔn)4-,-20mA的電流輸出和05V的電壓輸出。測(cè)試儀中有溶解氧值和溫度兩種信號(hào)，因此需要4個(gè)通道的輸出。我們選用BB公司的4通道12位的DA轉(zhuǎn)換器DAC7615來(lái)完成數(shù)字量至模擬量的轉(zhuǎn)換。DAC7615的數(shù)據(jù)輸入具有雙緩沖的功能，可以用于實(shí)現(xiàn)4通道輸出的同時(shí)更新。在使用中，DAC7615采用單+5V電源供電，參考電源取0V fftl+2，5V，可以輸出025V電壓信號(hào)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的輸出，通過(guò)單片機(jī)程序控制DAC的輸出電壓，然后接一個(gè)集成運(yùn)算放大器就能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于4-,20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，可以采用高

50、精度集成運(yùn)算放大器MAX478和場(chǎng)效應(yīng)管BSl07組成的電壓電流轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)專用的電壓電流轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成。由于專用的電流電壓轉(zhuǎn)換芯片成本較高，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用第一種方案。7、時(shí)鐘看門狗模塊對(duì)于一個(gè)以MCU為核心的智能測(cè)試系統(tǒng)，CPU的監(jiān)督管理功能必不可少?？紤]到溶解氧測(cè)試儀作為一個(gè)實(shí)時(shí)參量的檢測(cè)儀器，還需要時(shí)間日歷功能，因此我們選用了XICOR公司的高性價(jià)比芯片X1227來(lái)完成這些功能。X1227具有CPU監(jiān)督管理(看門狗WDT電路和電壓監(jiān)測(cè)PORLVS)、備份電源自動(dòng)切換、時(shí)鐘日歷等功能，可以極大地提高溶解氧測(cè)試儀的設(shè)計(jì)完各性。32電源模塊設(shè)計(jì)任何一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的供電模塊是整個(gè)設(shè)

51、計(jì)方案中一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法、穩(wěn)定程度和紋波大小將直接系統(tǒng)的測(cè)量精度和使用壽命等參數(shù)。下面簡(jiǎn)要介紹對(duì)智能溶解氧測(cè)試儀中所需要的電源模塊設(shè)計(jì)。一、系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)SGYO01型溶解氧測(cè)試儀的系統(tǒng)供電電源具體電路圖如圖3,2所示。供電部分輸入為220V、50Hz的交流電，經(jīng)過(guò)變壓器、電橋、整流電路輸出sGYOOl型溶解氧測(cè)試儀工作所需的三種電壓：+5V，+12V和，12V。圖32中+5V主要供數(shù)字電路部分使用(單片機(jī)，液晶，鍵盤，DA轉(zhuǎn)換等使用)，最大輸出電流可達(dá)500mA：其中±12V電源主要供模擬電路部分使用，包括基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、模擬電路、傳感器的供電電路等。考慮到市

52、壓電網(wǎng)可能有±10波動(dòng)的影響，變壓器線圈采用有交流雙路16V抽頭和交流9V抽頭的定制線圈；這樣可以確保在交流供電波動(dòng)的情況下整個(gè)系統(tǒng)仍能穩(wěn)定的工作。溶解氧測(cè)試儀應(yīng)能滿足長(zhǎng)期不間斷測(cè)量工作而且應(yīng)當(dāng)能承受可能出現(xiàn)的瞬時(shí)電勢(shì)干擾，為此這里整流電的選用2A、100V標(biāo)準(zhǔn)的圓形電橋。根據(jù)整流器數(shù)據(jù)手冊(cè)，為了獲得電源輸出良好的穩(wěn)定性，三端穩(wěn)壓塊輸出端跨接10uF鉭電容。在電路圖相應(yīng)位置并聯(lián)二極管1N4001來(lái)防Lt設(shè)備輸入瞬間短路(1N4001可額定耐負(fù)壓峰值至50V左右)。二、電壓基準(zhǔn)源為了提高溶解氧測(cè)試儀AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理等電路的精度，需要選擇和設(shè)計(jì)高精度的基準(zhǔn)電壓源。1、+5v基

53、準(zhǔn)電壓源溶解氧測(cè)試儀所需要的+5V基準(zhǔn)電壓源選用BB公N(BURR。BROW)的電壓基準(zhǔn)源芯片REF02來(lái)實(shí)現(xiàn)。REF02是一個(gè)精確的基準(zhǔn)電壓源。其溫漂被激光調(diào)制至在加寬工業(yè)環(huán)境和軍工環(huán)境范圍內(nèi)，最人溫漂系數(shù)小于85ppw4C。REF02能提供穩(wěn)定的5v基準(zhǔn)輸出，輸出電壓的最大誤差為±01，其可以在較寬的輸入電壓范圍(8V一40V)內(nèi)正常工作，所需供電電流僅為1mA，而且它可應(yīng)用于一40+85這樣一個(gè)擴(kuò)展的工業(yè)應(yīng)用溫度環(huán)境中。根據(jù)REF02的雖大負(fù)載電流與輸入電壓曲線圖可知當(dāng)輸入電壓大于10V的時(shí)候REF02最大負(fù)載電流可高達(dá)30mA(短路保護(hù))。在本溶解氧測(cè)試儀應(yīng)用中，REF02采

54、用+12V供電具體連接電路圖如圖33所示。在溶解氧測(cè)試儀中，REF02輸出的基準(zhǔn)電壓將用于實(shí)現(xiàn)傳感器供電電壓電路，AD轉(zhuǎn)換模塊電壓基準(zhǔn)和供電電源，以及其他一些模擬電路中作為基準(zhǔn)+5V來(lái)使用。2、+25V電壓基準(zhǔn)：在DA轉(zhuǎn)換模塊電路中，需要使用+25V電壓基準(zhǔn)。為了確保較高的精度，此處選用了Maxim公司的低溫漂、低噪聲的電壓基準(zhǔn)源MAX6325。該芯片供電電壓范圍為8V-36V，典型溫漂系數(shù)為05ppm，初始化誤差為±O02，其通過(guò)應(yīng)用掩埋齊納(buriedzener)技術(shù)來(lái)獲得極低的噪聲性能。額定負(fù)載規(guī)范為能保證高達(dá)15mA的出電流或入電流。良好的線路調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和高頻時(shí)的低

55、輸出電阻使得gtAX6325成為高達(dá)16位的高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的理想選擇，所以它為DAC7615基準(zhǔn)電源的一個(gè)理想選擇。MAX6325的電路應(yīng)用連接圖如圖34所示：MAX6325芯片供電電源的噪聲將會(huì)影響輸出基準(zhǔn)電壓的噪聲，所以圖34中用電容C11和C22來(lái)降低供電電壓+12V的噪聲。而輸出端連接的C35(22uF鉭電容)和C29用來(lái)減小輸出紋波和由于負(fù)載瞬變而帶來(lái)的電壓干擾。三、傳感器供電電源設(shè)計(jì)GLI 5500系列的溶解氧傳感器(5540型號(hào))工作時(shí)候需要提供±75V大小的電壓，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量可得，傳感器的信號(hào)輸出受供電電壓高低影響較大。為了提高溶解氧測(cè)量的精度以及在長(zhǎng)期測(cè)

56、量中保持較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，必須設(shè)計(jì)較為精確穩(wěn)定的±75V電壓。在這部分電路實(shí)現(xiàn)中，我們利用REF02提供的+5V基準(zhǔn)電壓和一個(gè)兩通道的運(yùn)算放大器來(lái)獲得所需要的較為準(zhǔn)確穩(wěn)定的4-75V電壓源，具體電路圖如圖35所示。這里的運(yùn)算放大器選用BB公司的FET輸入運(yùn)算放大器OPA2132。它的響應(yīng)速度較快，具有偏置電壓低。(小于500pV)、失真率小(低于O00008)、噪聲低(小于8aV瓦(1kHz)等特點(diǎn)，是一般應(yīng)用、音頻處理、數(shù)據(jù)采集和通信應(yīng)用中的理想選擇。OPA2132的供電范圍可以為土25v至+18V，工作溫度范圍為-4085"C。采用DC特性性能較好的OPA2132設(shè)計(jì)的電壓電路將具有較高的精度