专利名称：一种高精便携式水溶氧仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型高精便携式水溶氧仪，尤其涉及一种可以针对不同测量环境实现高精度测量的新型高精便携式水溶氧仪。
背景技术：
随着全球生产规模急剧扩大，人口迅速增加，排入环境的废弃物严重破坏人类的生存环境，水污染尤为严重，大量的工业和生活污水、农田排水严重污染了江河湖海，使得水资源的水质日益恶化，水资源短缺日益严重，所以迫切需要对污水进行及时监控和有效处理。其中，水溶氧含量是水质监测的一项重要指标。影响水溶氧测量精度的因素较多，气候条件的变化(温度.湿度和气压的波动) 会对氧传感器性能的稳定性产生不同程度的影响。温度的变化会对透氧膜的透氧率产生影响，从而影响扩散电流。水质也会对电化学溶氧传感器产生影响，受PH值波动、水中的化学物质或重金属的影响，如水中存在硫化氢、二氧化硫等气体时，电化学溶氧传感器将受到污染，致使灵敏度下降。放大器的非线性预处理电路的噪声也会对测量精度产生影响。目前市场上的便携式水溶氧仪在解决小型化和便携时，提高其检测精确度是一个重要的问题。

实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种高精便携式水溶氧仪，以解决现有便携式水溶氧仪的精确度不足的缺陷。为解决上述技术问题，本实用新型提供的高精便携式水溶氧仪包括溶氧传感器及其信号放大及处理系统，电子触摸屏，闪存，电源接口，及微电脑控制器。为了方便测量数据的导出功能，本实用新型提供的水溶氧仪还提供简单的RS232 接口，可以方便实现测量数据传送到上位机中。所述信号放大及处理系统包括运放电路、压控振荡器及光电耦合器；运放电路将溶氧传感器微弱的电流信号转化成电压小信号；压控振荡器将捕获到的电压转化为与电压成正比的频率信号。所述微电脑控制器包括MSP430F1611，利用其较高的处理能力和较大的程序存储器，采用动态均值算法、三次样条插值高精度查表算法和温度补偿算法，消除系统噪声、放大器的非线性和环境温度对测量精度的影响。所述触摸屏可以利用丰富的菜单，实现测量功能的扩展，可以根据测量环境提供相应的修正方式选择，减少环境对测量精度的影响。所述电源接口采用直流电供电或交流电供电。本实用新型的原理电化学溶氧传感器输入的微弱电流信号经放大电路后输入电压频率转换电路，这时信号的频率与水中的溶氧量成比例，通过光电耦合电路输入到单片机的Pi. 1引脚，单片机根据Pi. 1引脚的输入，由频率测量软件模块计算出频率值，如果直接将频率值转化为溶氧量，那么这时的溶氧值与实际值相比误差可能比较大，而且波动也大，很不稳定。为此，本实用新型通过下列几种算法来解决。温度补偿算法，随着温度的变化，氧在电解质溶液中的扩散系数增大，电极化学反应速度也增大，从而引起容氧传感器的电流输出也增大。在特定的氧分压P下，溶氧传感器
电极的输出电流I与温度τ的关系为I = I0Pe^通过该公式来修正输出电流值，从而达
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到温度补偿的目的。快速动态测量算法和动态均值算法，单片机利用一定的时间间隔(这里是300ms， 水溶氧的实际值是缓慢变化的)对Pl. 1引脚的信号测量。假如采样得到的序列为Ix1, X2, ...Xi...}，对应的输出序列为{yi，y2, ...yi...}，动态均值算法Syi = [(i-l)/i] yH+a/Dxi，也就是前面得到的均值和当前的测量值进行加权求和。但当i达到较大值时， 当前值的加权系数只有l/i，那么就不能真正反映当前的动态值，为此，这里采用分段函数来修正，当测量开始时，S卩i < 20时，采用公式yi = [(i-D/ihH+d/Dxi，当测量进入稳定状态时α >= 20)，采用公Syi = (19/20)7^+(1/20)1，从而既能减小测量值的波动， 有效消除高斯噪声的影响，又能反映实际动态值(到目前为止还是对频率值的修正，还是频率值)。三次样条插值高精度查表算法，由上述动态均值算法要通过频率水溶氧值转换算法转化为实际的水溶氧值，这里充分利用单片机的大容量程序存储器，将细分的水溶氧值/ 频率曲线转换成数据表，这里的细分程度已经达到较高的精度，为了实现更高的测量精度， 利用三次样条插值算法来查表计算，将频率值转换成实际的水溶氧值。环境补偿算法，利用用户在触摸屏菜单中输入水的流速、水中阴阳离子的含量，通过查询相应的补偿曲线(存在闪存中的数据表)进行补偿。本实用新型提供的水溶氧仪实现了低功耗、便携式的设计。通过多种提高测量精度的算法(动态均值算法、三次样条插值高精度查表算法和温度补偿算法)来提高测量精度。通过触摸屏菜单输入环境基本信息，利用多种算法来修正环境对测量精度的影响，同时还采用了快速动态测量算法，从而使本实用新型具有小型化、便携性的同时，还具有经济型、高精度和快速性等优点。

图1为本实用性的平面结构及工作原理图。图2为本实用新型的信号的放大、预处理电路图。图3为本实用新型温度传感器信号处理的电路图。图4为本实用新型电源模块电路图。图5为本实用新型16位单片机最小系统电路图。图6为本实用新型触摸屏和闪存电路图。图7为本实用新型RS232通信接口电路图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。[0026]如图1所示，本实用新型提供的高精便携式水溶氧仪，其硬件由溶氧传感器及其放大电路、电压频率转换电路、光电耦合电路、MSP430最小系统、5英寸触摸屏、闪存、RS232 接口电路组成。软件设计中采用了补偿算法、快速动态测量算法、动态均值算法、三次样条插值高精度查表算法、环境补偿算法，从而确保了高精度的要求。如图2所示，电化学溶氧传感器的信号的放大、预处理电路图包括溶氧传感器接口 IN+、IN-，由电阻(R1、R2、R3、R5、R6)、电容Cl、电位器R4、镇流二极管Zl、放大器CA3140、 电源+12和地GND组成的溶氧传感器信号放大电路，由电阻(R7、R8、R9)、电容(C2、C3)、压频转换器AD654、电源+12和地GND组成的电压频率转换电路，由电阻(R10、R11、R12)、光电耦合器U3、电源VCC3和地GND组成的光电耦合电路。如图3所示，温度传感器信号处理的电路由温度传感器PT100、电阻(RT1、RT2、 RT3、R22、R23、R24、R25)和放大器 LMl24 组成。如图4所示，电源模块电路由12v锂电池、电容(C6、C7、C8、C10、C11、C12)、电解电容(C5、C9、C13)、电阻Rl5、发光二极管Dl、电源模块7805和电源模块1117-3. 3组成。如图5所示，MSP430单片机最小系统包括由电阻(R13、R14)、电容C14、按钮开组成的复位电路，由电容(C12、Ci;3)和低速晶振Y2组成的低速晶振电路，由电容
(C15、C16)和高速晶振Yl组成的高速晶振电路，MSP430F1611芯片和JTAG接口电路。如图6所示，触摸屏和闪存电路包括由2片741vc4245组成的总线电平双向变换电路，由电阻R88和R89构成的触摸屏中断信号的分压电路，由电阻R90和R919构成的触摸屏忙信号的分压电路，闪存芯片MC512和触摸屏接口电路。如图7所示，RS232通信接口电路由电容(C31、C32、C33、C34)、RS232驱动芯片和 RS232接口组成。本实用新型在闪存中建立环境补偿曲线数据表、温度补偿曲线数据表、频率/溶氧量曲线数据表，通过触摸屏菜单中输入水的流速、水中阴阳离子的含量，通过环境补偿算法进行补偿，实现修正环境因素对测量精度的影响。通过多种提高测量精度的算法(动态均值算法、三次样条插值高精度查表算法和温度补偿算法)来进一步提高测量精度。本实用新型通过采用闪存中建立的数据表大大减少了复杂算法对系统的影响，增加单位时间的采样次数，从而再进一步提高测量精度，同时还能提高测量速度。本实用新型通过丰富的简洁有效的软件算法和闪存技术，在几乎不增加硬件成本的情况下实现良好的测量性能。从而使本实用新型具有小型化、便携性的同时，还具有经济型、高精度和快速性等优点。虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
权利要求1.一种高精便携式水溶氧仪，包括溶氧传感器及其信号放大及处理系统，电子触摸屏， 闪存，电源接口，其特征在于还包括微电脑控制器。
2.根据权利要求1所述的水溶氧仪，其特征在于还包括RS232接口，实现测量数据传送到上位机中。
3.根据权利要求1或2所述的水溶氧仪，其特征在于所述信号放大及处理系统包括运放电路、压控振荡器及光电耦合器；运放电路将溶氧传感器微弱的电流信号转化成电压小信号；压控振荡器将捕获到的电压转化为与电压成正比的频率信号。
4.根据权利要求3所述的水溶氧仪，其特征在于所述微电脑控制器包括MSP430F1611。
5.根据权利要求3所述的水溶氧仪，其特征在于所述电源接口采用直流电供电或交流由由HZi I/、HZi ο
专利摘要本实用新型公开了一种新型高精便携式水溶氧仪，包括溶氧传感器及其信号放大及处理系统，电子触摸屏，闪存，电源接口，微电脑控制器。其中电化学氧传感器通过信号的放大、预处理电路接入微电脑控制器中的P1.1，温度传感器PT100经放大和信号处理后接入微电脑控制器的P6.0，触摸屏、闪存及上位机接口与微电脑控制器连接。微电脑控制器通过动态均值算法、三次样条插值高精度查表算法和温度补偿算法实现对测量值的修正，提高测量精度。本实用新型通过触摸屏菜单输入环境基本信息，利用多种算法来修正环境对测量精度的影响，同时还采用了快速动态测量算法，从而使水溶氧仪具有小型化、便携性的同时，还具有经济型、高精度和快速性等优点。
文档编号G01N33/18GK202275074SQ201120315638
公开日2012年6月13日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者茅正冲, 荆政, 郑展望 申请人:浙江商达环保有限公司