毕业设计溶氧传感器电路设计.docx
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毕业设计溶氧传感器电路设计
毕业设计
设计题目：
传感器电路设计
1.引言1
2.溶解氧传感器简介1
3.信号输入部分电路4
3.1电源滤波电路图4
3.2信号放大电路5
3.2.1信号放大电路图5
3.3AD623放大器简介6
3.3.1AD623放大器的特点6
3.3.2AD623放大器的工作原理6
4.单片机电路7
4.1单片机电源电路图8
4.289LPC925芯片简介8
4.2.1P89PLC925芯片主要功能8
4.2.2P89PLC925的低功耗选择11
4.2.3P89PLC925的极限参数11
4.2.4P89PLC925芯片管脚图11
5.MiniICP下载线的电路连接13
6.PCB板的绘制13
7.程序流程14
8.总结16
参考文献16
传感器电路设计
摘要：
溶解氧数字化传感器是应用单片机控制的智能化传感器，它可以对液体中溶解氧
的含量进行准确的测量。
本设计从总体上介绍了溶解氧数字化传感器的工作原理，着重介
绍了电路元器件的选取以及输入信号的放大和P89LPC925芯片的工作原理，利用P89LPC925
芯片实现对溶解氧浓度的准确测量。
关键词：
溶解氧传感器；P89LPC925;AD623
Thedesignofthedissolvedoxygensensor
（CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,ElectricalEngineeringandItsAutomation,
Class2Grade2003,0323110235）
Abstract:
Dissolvedoxygendigitalsensorisakingofintelligentsensorwhichusesingle-chipcomputertocontrol,itcouldmeasuretheoxygendissolvedinliquidaccurately.Thisdesignintroducestheworkprincipleofdissolvedoxygendigitalsensor,itintroducestheselectionofthecircuitcomponentsandamplificationofinputsignalsandtheworkprincipleofP89LPC925chip,P89LPC925chipusingthedissolvedoxygenconcentrationonthemeasurementaccuracy.
KeyWords:
dissolvedoxygensensor;P89LPC925;AD623
1引言
氧是维持人类生命活动必不可少的物质，它与人类的生存息息相关。
氧也是与化学、
生化反应、物理现象最密切的一种化学元素，无论是在工业、农业、能源、交通、医疗、
生态环境等各个方面都有重要作用。
特别是在水产养殖中，水体溶解氧对水中生物如鱼
类的生存有着至关重要的影响。
缺溶氧（溶解氧低于4mg/L）时将导致水生物窒息死亡；
低溶氧导致水生物生长缓慢,增重率低而饵料系数高，对疾病的抵抗能力发病率高,生物
的生长受到限制；高溶氧时某些鱼类幼体可能会出现气泡病。
因此溶解氧浓度的精确测
量显得尤为重要。
2溶解氧传感器简介
溶解氧是溶解在水中的分子态氧，该定义是可查资料[1]-[4]，随着科技和经济的发
展，溶解氧测量已从水介质延伸到了非水液体介质，如丙酮、苯、氯苯、环乙烷、甲醇、
正辛烷。
分布方式有水平分布和垂直分布两种.溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和
时，大气中的氧气向水体渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。
溶解
氧随着温度、气压、盐分的变化而变化，一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中
的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。
GBZB1-1999地表水环境质量标准中对溶解氧的测量，规定了两种方法，碘量法和电化学探头。
碘量法是溶解氧仲裁测量法，准确度高（相对误差2.2%）[3],但费时
费力。
电化学探头法快捷而方便，解决了溶解氧的现场测量问题，是进行水环境监测、水资源调查的理想方法。
电流测定法根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧（DO）的含量。
测量时，溶解于电极端头外部被测介质中的氧传递至电极透氧膜外表面，经由透氧膜和内电解质溶液膜中扩散，最后到达电极阴极表面，在适宜的极化电压
下发生电化学反应，并产生电极响应电流。
溶氧电极的薄膜只能透过气体，透过气体中
的氧气扩散到电解液中，立即在阴极（正极）上发生还原反应：
O2+2H2O+4e=4OH-⑴
在阳极（负极），如银-氯化银电极上发生氧化反应：
4Ag+4Cl-=4AgCl+4e
（2）
⑴式和⑵式产生的电流与氧气的浓度成正比，通过测定此电流就可以得到溶解氧（DO）的浓度。
电流测定法的测量速度比碘量法要快，操作简便，干扰少（不受水样色度、浊度及化学滴定法中干扰物质的影响），而且能够现场自动连续检测，但是由于它的透氧膜和电极比较容易老化，当水样中含藻类、硫化物、碳酸盐、油类等物质时，会使透氧膜堵塞或损坏，需要注意保护和及时更换，又由于它是依靠电极本身在氧的作用下发生氧化还原反应来测定氧浓度的特性，测定过程中需要消耗氧气，所以在测量过程中样品要不停地搅拌，一般速度要求至少为0.3m/s,且需要定期更换电解液，致使它的测量精度和响应时间都受到扩散因素的限制。
本设计用到的溶解氧探头属于Clark电极类型，每隔
一段时间要活化，透氧膜也要经常更换。
[6]要使用探头时必须进行校准，校准方法如下：
图1溶解氧浓度值计算原理说明
V0:
1000mL水中放入4克亚硫酸钠，此时所测得的电压值。
V100:
将溶解氧探头放在空气中所测得电压值。
K=（V100-V0）/100
DO=KVx+V0
在102.3kPa大气压下，饱和空气的水中氧的溶解度见表1,不同温度下氧在纯水
中的饱和溶解度系数见表2。
温度
溶氧量
温度
溶氧量
0
14.60
23
8.56
1
14.19
24
8.40
2
13.81
25
8.24
3
13.44
26
8.09
4
13.09
27
7.95
5
12.75
28
7.81
6
12.43
29
7.67
7
12.12
30
7.54
8
11.83
31
7.41
9
11.55
32
7.28
10
11.27
33
7.16
11
11.01
34
7.05
12
10.76
35
6.93
13
10.52
36
6.82
14
10.29
37
6.71
15
10.07
38
6.61
16
9.85
39
6.51
17
9.65
40
6.41
18
9.45
41
6.31
19
9.26
42
6.22
20
9.07
43
6.13
21
8.90
44
6.04
22
8.70
45
5.95
表1102.3kPa大气压下在饱和空气的水中氧的溶解度
温度（C）
溶解度系数（ppm/KPa）
温度（C）
溶解度系数（ppm/KPa）
0
0.6979
22
0.4215
2
0.6606
24
0.4072
4
0.6267
26
0.3924
6
0.5957
28
0.3780
8
0.5666
30
0.3667
10
0.5408
32
0.3551
12
0.5169
34
0.3437
14
0.4950
36
0.3341
16
0.4749
37
0.3294
18
0.4554
48
0.3246
20
0.4377
40
0.3150
表2不同温度下氧在纯水中的饱和溶解度系数表[5]
传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
溶解氧传感器就是将水中溶解氧通过溶解氧探头转化成电流信号，经过并联大电阻将电流转变成电压信号，电压信号通过放大再输入到单片机，经过编程计算，从而得出所测溶解氧的浓度，如图2所示。
水中溶解氧,溶解氧探4।电流信井胫大由阳।信号放不|凿江机运行।输出结手电流转变成测出结果
电压信号
单片机电源
图2溶解氧传感器简易图
近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，各种制造工艺和材料性能
的研究已达到相当高的水平。
这为传感器的发展创造了极为有利的条件。
从发展前景来看，它具有固态化、集成化和多功能化、图像化和智能化特点。
溶解氧数字化传感器就属于智能化传感器，兼有检测和信息处理功能。
[7]
3信号输入部分电路
3.1电源滤波电路图
如图3所示，滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器
C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端，电解电容具有滤波作用,
使脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。
由于电解电容一般具有一定的电感，对
高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了1uF和0.1uF的电容，以滤除
高频及脉冲干扰，值得注意的是连接电路时要把电解电容的极性连接正确。
同时为了让
低频、高频信号都可以很好的通过，就采用一个1uF大电容并上一个0.1uF小电容的方式。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路
的脉动系数，改善了直流电压的质量。
1
图3电源滤波电路
3.2信号放大电路
由溶解氧探头所输出的信号为电流信号，经并联的大电阻R6转化为电压信号，仅
为1-100mV,电压很小，必须用一个放大电路将所测信号进行放大。
3.2.1信号放大电路图
如图4所示，本设计选用AD623放大器，它低功耗，最大575仙A电源电流且可以单电源工作，只需一只外接电阻就可设置增益，而且它输入阻抗大，对输入信号影响小。
C9要用带极性的电解电容，但因所需电容比较小（1uF以下），带极性和不带极性区别不大，所以可以直接用普通电容即可。
R6用来将电流信号转化为电压信号，它的
取值主要取决于溶解氧探头的测量要求，本设计用1M。
由于电抗元件在电路中有储
能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C9在下面的电路中起平波的作用，以保证信号输入的精确性。
3.3AD623放大器简介
AD623是一个能在单电源（+3V到+12V）下提供满电源幅度输出的集成单电源仪表放大器。
AD623具有较好的灵活性，使用单个增益设置电阻就可以进行增益编程，本设计使用AD6238引脚配置。
在无外接电阻条件下，AD623被设置为单位增益（G=1）,在接入外接电阻后，AD62列编程设置增益，其增益最高可达100师。
AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（ACCMRR）而保持最小的误差。
线路噪声及谐波将由于共模抑制比（CMRR）在高达200Hz时仍保持恒定而受到抑制。
AD623具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于地电平150mV共模电压的信号。
当在电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态范围达到最大。
AD623可取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。
3.3.1AD623放大器的特点
1.便于使用；
2.性能优于分立设计；
3.单电源或双电源工作；
4.满电源幅度输出；
5.输入电压范围扩展至低于地150mV（单电源）；
6.低功耗，最大575恻电源电流；
7.单个外接电阻增益设置；[10]
8.3.2AD623放大器的工作原理
AD623是基于改进的传统三运放方案的仪表放大器，即使共模电压达到电源负限时，它也能确保单电源或双电源工作。
低的输入输出电压失调，绝对的增益精确性，并且只需一只外接电阻设置增益，使AD623成为同类产品最通用的仪表放大器之一。
输入信号加到作为电压缓冲器的PNP晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放
大器每个放大器接入一个精确的50kQ的反馈电阻以保证增益可编程。
差分输出为：
VO=（1+100K/RG）VC
然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压，该放大器也能抑制输入放大器输出信号中的任何共模电压。
AD623的误差很低，有两个误差源：
输入误差和输出误差。
当折合到输入端（RTI）
时，输出误差除以增益，实际上在增益很高时，输入误差起主要作用；在低增益时，输出误差起主要作用。
对给定增益，总失调电压（V）由下式计算：
总误差（RTI）=输入误差+输出误差/增益
总误差（RTO）=输入误差X增益+输出误差
AD623的增益由RG进行电阻编程，或更准确的说，由1脚与8脚之间的阻抗来决定。
AD623被设计为使用0.1%〜1%容限的电阻提供精确的增益。
表2列出了不同增益所需的RG阻值。
注意，当G=1时，RG端不连接（RG=«）o对于任意的增益值，RG可由以下公式计算：
RG=100kQ/（G-1）[10]
所需增益
1%精度的RG标准值，Q
使用1%精度电阻时增益计数值
2
100K
2
5
24.9K
5.02
10
11K
10.09
20
5.23K
20.12
33
3.09K
33.36
40
2.55K
40.21
50
2.05K
49.78
65
1.58K
64.29
100
1.02K
99.04
200
499
201.4
500
200
501
1000
100
1001
表2增益电阻所需阻值
4单片机电路
4.1单片机电源电路图
电子设备一般都需要稳定的电源电压。
如果电源电压不稳定，将会引起测量仪器的测量精度降低，直流放大器的零点漂移，交流噪声增大等。
输出固定3.3V正电压如图所示，TPS79133具有超低噪声、高PSRR快速射频、
低启动、100mA低压降稳压器等优良特点，所以选用TPS79133稳压块。
图5中C10用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应。
为防止自激振荡，其取值范围在0.1-luF之间（若接线不长时可不用）。
像所有的低频调节电路，TPS79133需要在OUT和GND两端口之间连接一个输出电容器以稳定内在的控制环。
最小电容量推荐是
1uF,任何的1uF或比1uF大的电容器都是适当的，故C11取1uF。
+5V
"pC102
0.1uF
」3
U3TPS79133
4c12宁
———IH
0.01uF
5
3.3V
1uFTC11
INBYPASS
GND_OUTEN
图5单片机电源稳压电路
4.289LPC925芯片简介
P89LPC925是飞利浦公司生产的一种单片封装适合于高集成度、低成本场合的微
控制器，可以满足多方面的性能要求。
P89LPC925采用了高性能的处理器结构，指令
执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。
P89LPC925集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统成本。
4.2.1P89PLC925芯片主要功能
1.主要特性
*8KBFlash程序存储器,具有1KB可擦除扇区和64字节可擦除页规格，可擦除单个字节。
*256字节RAM数据存储器。
*2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出。
*实时时钟可作为系统定时器。
*4输入8位的A/D转换器/1个DAC输出。
2个模拟比较器，可选择输入和参考源。
*增强型UART。
具有波特率发生器、间隔检测、错误检测、自动地址识别和通用的中断功能。
*400kHz字节宽度的I2C通信端口。
*可配置的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项（通过用户可编程Flash配置位选
择）。
选择RC振荡器时不需要外接振荡器件。
振荡器选项支持的频率范围为
20KHz-18MHz。
可选择RC振荡器选项并且其哦可进行很好的调节。
*操作电压VDD范围为2.4-3.6V,I/O口可承受5V（可上拉或驱动到5.5V）。
*最少15个I/O口，选择片内振荡和片内复位时可多达18个I/O口。
*看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。
2.A/D转换器
P89LPC925包含1个八位、4路逐步逼近式模数转换器。
A/D转换器的原理框图见图6
控制逻辑
图6A/D转换器的原理框图
用于A/D转换器的模拟输入管脚也具有数据输入和输出功能。
为了得到最好的模
拟特性，用于ADC或DAC的管脚应当禁止其数字输出和输入功能，并且断开与5V最大允许电压的连接。
通过将端口设置成仅为输入模式来禁止数字信号输出。
A/D转换器的特性：
（1）8位4路输入的逐次逼近式A/D转换器。
4个结果寄存器。
（2）6种工作模式：
-固定通道，单次转换模式
-固定通道，连续转换模式
-自动扫描，单次转换模式
-自动扫描，连续转换模式
-双通道，连续转换模式
-单步模式
（3）3种转换启动模式
-定时器触发起动
-立即起动
-边沿触发
（4）在3.3MHz的ADC时钟下，8位转换时间》3.9us;
中断或查询操作；
边界限制中断；
DAC输出到高输出阻抗的I/O口；
时钟分频器；
掉电模式；
3.I2C总线接口
I2C总线用两条线，串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）,在总线和器件之间传递信息。
总线的主要特性如下：
主机和从机之间为双向数据传送；多主机总线（无中央主机）；多主机同时传送时进行仲裁避免总线上数据冲突；串行时钟同步使得不同位速率的器件可以通过一条串行总线进行通信；用行时钟同步可作为握手机制，用于挂起和恢
复串行传输；I2C总线可用于测试和诊断。
I2C总线配置如图7所示，根据方向位（R/W）状态的不同，I2C总线上具有两种不同类型的数据传输：
（1）数据从主发送器传送到从接收器。
主机发送的第一个字节为从地址，每接收一个字节就返回一个应答位。
（2）数据从从发送器传送到主接收器。
第一个字节（从地址）由主机发送，然后从机返回一个应答位。
接下来是从机向主机发送的数据字节。
主机每接收一个字节会返回一个应答位，但最后一个字节除外。
接收完最
后一个字节时返回一个“非应答”。
主机产生所有的串行时钟脉冲以及起始和停止条件。
传输以一个停止条件或一个重复的起始条件结束。
由于重复的起始条件是下一次传输的开始，因此I2C总线不会被释放。
P89LPC925提供字节方式的I2C接口。
它支持4种工作模式：
主发送模式、主接收模式、从发送模式和从接收模式。
图7I2C总线配置
4.2.2P89PLC925的低功耗选择
P89LPC925设计最大工作频率为18MHz（CCLK）。
但是如果CCLK为8MHz或更低，CLKLP位（AUXR1.7）可置位以降低功耗。
止匕外，在任何一次复位后，CLKLP都为0以允许实现最高性能。
如果CCLK运行在8MHz或更低的频率时，该位可以在
软件当中置位。
本设计工作频率为12MHZ。
[9]
4.2.3P89PLC925的极限参数
1.极限参数
符号参数条件
Tamb（bias）工作环境温度-55~+125℃
Tstg储存温度-65~+150C
Vn任意月却对VSS电压-0.5~+5.5V
IOH（I/O）每个I/O口高电平输出电流-8mAIOL（I/O）每个I/O口低平输出电流-20mA
II/O（tot）（max）I/O口最大总电流-80mA
4.2.4P89PLC925芯片管脚图
1.P89LPC925勺管脚图和功能原理图如图8所示：
KBiafCMPZ/PO.Opi.7pyPL6叵
R5T/P1.S[TZ
VSS匠
XTALI/P3.1
CL^OUVXTAL2/P3,0\~7~1LT1/P1,4k
SDA/iNTO/Pl,3叵二5CLi'T0/PL2叵
FOOHLFCW
20P0J[CIN2B/KBU
亘|PO2/CIN2A/KBI2
回加国口叫腓眼
亘P0..4/C1N1WDI4/PDA
"16"1PCIS/CMPREF休BI6附L
亘|VDD
亘|PCL6J匚MPl/KBIS
卫]P0.7/T1/KB17
亘|PL.O/T^D
TF|PLIJQO
图8P89LPC925的管脚图
2.本设计中用到的P89LPC92瘠脚其类型、名称和功能，如表3所示:
管脚号
名称
功能
4
I
RST
外部复位输入（通过Flash配置选择）
5
I1
VSS
地：
0V参考点
9
I/O
SDA
I2C申行数据输入/输出
10
I/O
SCL
『C用行时钟输入/输出
15
I
VDD
电源：
正常操作模式、空闲模式和掉电模式时的电源
16
I/O
P0.5
P0口位4
17
I/O
P0.4
；P0口位5
20
I
AD11
ADC1通道0模拟输入
表3P89LPC925主要管脚及其功能
3.P89LPC925的逻辑符号如图9所示:
CMP2
*
KB10+KB11*KB12•KB13*KB14
AD10
AD11
AD12
WMH3
ciroza奏
:
口必二
*CIMLB_
*CIN1A-
既15—►CNTREF-
KB15―►CMP1t
CLEOUT-XTAL2-
XTAL1
KB17-*T1*
图9P89LPC925逻辑符号
5MinilCP下载线的电路连接
MinilCP下载线是针对用于P89LPC900系列FLASH单片机进行ICP编程的下载线，它体积小重量轻。
使用时不需要适配器，只要在电路设计时预留MinilCP接口下载线即可。
用USB接口，下载速度快，由USB供电支持，热插拔编程更稳定、可靠性更高，使用简便，适用于除旧版932以外的900系列任何一款单片机。
ICP是一种串行的编程方法，通过一根时钟线PCL控制数据线PDA传输编程指令和数据，完全依靠硬件无须内驻代码，编程的时候不用将芯片从目标板上取下只需将芯片与编程器连接起来。
MinilCP继承了ICP方式的快捷可靠，针对ICP编程方式设计一个专用MinilCP接口，只要在硬件板上预留MinilCP接口就可直接相连，使用更方便。
MinilCP用到的五个口线分别是VCC、VSS、RST、PCL、P05PDA、
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