Design of the Intelligent Online DO Analyzer Based on the ATmega128 Micro-controller
摘要：本文介绍了基于ATmega128单片机的智能在线溶解氧分析仪的设计。本设计综合应用了低功耗的单片机和外围芯片，并采用了灵敏度高、稳定性强的电化学传感器。总体设计实现了系统的测量精度高、低功耗、稳定性好等特性，同时达到智能化处理和中英文操作的功能，已广泛应用于水质溶解氧的在线检测。
关键字：溶解氧；极谱式；电化学；ATmega128
Abstract: A kind of design scheme of the Intelligent Online DO Analyzer based on the ATmega128 Micro-conteoller has been now presented. The ultralow-power single-chip ATmega128, other peripheral chips and high sensitivity and strong stability electrochemistry sensors are used synthetically in this scheme. The whole design can realize some traits such as high- precision, ultralow-power, strong stability of the system and it can also perform functions like intelligent processing and English-Chinese hinting, which have been widely used to measure the water DO property on line.
Keywords: dissolved oxygen, polarographic, electrochemistry, ATmega128

0 引言
 近年来，随着科学技术的不断发展，越来越多的人开始意识到监测水中溶氧的必要性和重要性。尤其是大中型发电厂、水处理厂、油田及环保等单位，为确保水质，保证设备长期正常运行，必须严格地监测和控制所用水中的溶解氧含量。
目前,普遍采用专用仪器（溶氧仪）代替化学法测定溶解氧含量。溶氧仪主要由主机和传感器(电极) 构成。传感器主要有两种,即原电池式“DO”电极和极谱式复膜电极。原电池式“DO”电极由于消耗电极材料、精度低、寿命短而逐渐被淘汰。而极谱式复膜电极以其受干扰小、使用寿命长、便于储存等优点被大量应用在DO测量上。目前，国内也生产极谱式电极溶氧仪,但存在准确度差、稳定性差、定标复杂、各种补偿功能不足的缺点。国外的溶氧仪虽然精度高 ,但其价格昂贵，维护困难，难以满足国内的需求。因此，设计了基于ATmega128微控制器的智能在线溶解氧分析仪，该系统具有低功耗、精确度高、稳定性好、存储量大等特点。
1测量原理
测量水中溶解氧含量的仪表属于电流式分析仪器，电流式分析仪的传感器能够把被分析物质浓度的变化转换成电流信号的变化。按工作原理的不同，又可分为原电池式和极普式。本设计是基于极普式工作原理的。
1.1极普式原理
在极普型电流传感器的阴、阳电极间施加从小到大的电压时，由于溶液中某种被分析物质的存在，测量输出电流可以得到如图1所示的极谱图。

     由图1可知，当电压小于Uo时，极限扩散电流I≈0，随着电压U增高，I按指数函数规律上升，直至U≥U1，I趋于稳定值Io，且Io与被测物质的浓度成正比。Io/2对应的电压U1 /2称为半波电位，其值仅与被测物属性有关，可作为定性分析的依据。
当溶液中存在多种物质时，各物质对总极限扩散电流都有贡献，当要用极谱法在线连续测量溶液中某物质时，例如溶解氧浓度时，就会受到某些物质的干扰，所以必须用有选择性的膜将样品液与电极室隔离。
1.2传感器工作原理
根据极谱原理，传感器制成一个特殊的电解池。其参比电极（阳极）采用表面积为64cm2的银电极，而测量电极（阴极）采用表面积仅为0.8cm2的金电极。金电极为极化电极，银电极为去极化电极，支持浓度为0.7—1mol/L的KCL电解液。实验表明，当电解池的外加电压在某一恒定值时，电解液中的溶解氧产生的电解电流具有极限扩散电流的特征，即电流的大小与电解池的工作电压无关，得到氧的极谱曲线如图2所示，这时电极上的电极反应为：

 
由极谱分析原理可知，传感器在一定的温度下，电解液中溶解氧产生的极限扩散电流与溶解氧的浓度成近似线性关系（见图3中）。

2 总体设计
智能在线溶氧仪的设计以低功耗8位控制器ATmega128为核心，其总体的设计框图如图4所示。可分为八个部分：微控制器、氧传感器、温度传感器、信号处理及A/D转换、键盘显示电路、标准电流输出电路、报警及控制电路和通信接口电路等。
 
图4总体设计框图
 氧传感器及温度传感器输出的模拟信号，经过放大处理后，进行A/D转换，并将转换后的数字信号输入微控制器进行分析处理，然后对数据进行存储和上传，并显示。
智能在线pH分析仪的硬件设计是基于低功耗的ATmega128单片机，不仅可以用来控制其本身的低功耗工作模式，并且可以通过编程控制外围器件的低功耗工作方式，节约能量。并且多采用高精度、高性能的芯片，实现了整体设计的精度高、功耗低、稳定性好等特性。

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