毕业设计-溶氧传感器电路设计

毕业设计设计题目：传感器电路设计目录1.引言12.溶解氧传感器简介13.信号输入局部电路43.1电源滤波电路图43.2信号放大电路53.2.1信号放大电路图53.3AD623放大器简介6AD623放大器的特点6AD623放大器的工作原理64单片机电路74.1单片机电源电路图84.289LPC925芯片简介84.2.1P89PLC925芯片主要功能84.2.2P89PLC925的低功耗选择114.2.3P89PLC925的极限参数114.2.4P89PLC925芯片管脚图115.MiniICP下载线的电路连接136.PCB板的绘制137.程序流程148.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;AD623Thedesignofthedissolvedoxygensensor(CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,ElectricalEngineeringandItsAutomation,Class2Grade2003,0323110235)Abstract:Dissolvedoxygendigitalsensorisakingofintelligentsensorwhichusesingle-chipcomputertocontrol,itcouldmeasuretheoxygendissolvedinliquidaccurately.Thisdesignintroducestheworkprincipleofdissolvedoxygendigitalsensor,itintroducestheselectionofthecircuitcomponentsandamplificationofinputsignalsandtheworkprincipleofP89LPC925chip,P89LPC925chipusingthedissolvedoxygenconcentrationonthemeasurementaccuracy.KeyWords:dissolvedoxygensensor;P89LPC925;AD6231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、生化反响、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]，随着科技和经济的开展，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外表，经由透氧膜和内电解质溶液膜中扩散，最后到达电极阴极外表，在适宜的极化电压下发生电化学反响，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〕上发生复原反响：

O2+2H2O+4e=4OH-(1)

在阳极〔负极〕，如银－氯化银电极上发生氧化反响：

4Ag+4Cl-=4AgCl+4e(2)(1)式和(2)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拟容易老化，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复原反响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)/100DO=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014.60238.56114.19248.40213.81258.24313.44268.09413.09277.95512.75287.81612.43297.67712.12307.54811.83317.41911.55327.281011.27337.161111.01347.051210.76356.931310.52366.821410.29376.711510.07386.61169.85396.51179.65406.41189.45416.31199.26426.22209.07436.13218.90446.04228.70455.95表1102.3kPa大气压下在饱和空气的水中氧的溶解度温度〔℃〕溶解度系数〔ppm/KPa〕温度〔℃〕溶解度系数〔ppm/KPa〕00.6979220.421520.6606240.407240.6267260.392460.5957280.378080.5666300.3667100.5408320.3551120.5169340.3437140.4950360.3341160.4749370.3294180.4554480.3246200.4377400.3150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。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到达相当高的水平。这为传感器的开展创造了极为有利的条件。从开展前景来看，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信号输入局部电路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比照拟稳定的直流电压。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，既可保存直流分量、又可滤掉一局部交流分量，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。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575μA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，但因所需电容比拟小〔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在电源供应的电压升高时，能把局部能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比拟平滑，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。图4信号输入电路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，AD623可编程设置增益，其增益最高可达1000倍。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到达最大。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575μA电源电流;7.单个外接电阻增益设置;[10]3.3.2AD623放大器的工作原理AD623是基于改良的传统三运放方案的仪表放大器，即使共模电压到达电源负限时，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50kΩ的反响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×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=∞〕。对于任意的增益值，RG可由以下公式计算：RG=100kΩ/〔G-1〕[10]所需增益1%精度的RG标准值，Ω使用1%精度电阻时增益计数值2100K2524.9K5.021011K10.09205.23K20.12333.09K33.36402.55K40.21502.05K49.78651.58K64.291001.02K99.04200499201.450020050110001001001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正电压如下图，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0.1-1uF之间〔假设接线不长时可不用〕。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。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、低本钱场合的微控制器，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本钱。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个模拟比拟器，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个结果存放器。〔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防止总线上数据冲突；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；串行时钟同步可作为握制，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。此外，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~+150℃Vn任意脚对VSS电压-0.5~+5.5VIOH(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-20mAII/O(tot)(max)I/O口最大总电流-80mA4.2.4P89PLC925芯片管脚图1.P89LPC925的管脚图和功能原理图如图8所示：图8P89LPC925的管脚图2.本设计中用到的P89LPC925管脚其类型、名称和功能，如表3所示：管脚号类型名称功能4IRST外部复位输入〔通过Flash配置选择〕5IVSS地：0V参考点9I/OSDAI2C串行数据输入/输出10I/OSCLI2C串行时钟输入/输出15IVDD电源：正常操作模式、空闲模式和掉电模式时的电源16I/OP0.5P0口位417I/OP0.4P0口位520IAD11ADC1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：图9P89LPC925逻辑符号5MiniICP下载线的电路连接MiniICP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MiniICP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。MiniICP继承了ICP方式的快捷可靠，针对ICP编程方式设计一个专用MiniICP接口，只要在硬件板上预留MiniICP接口就可直接相连，使用更方便。MiniICP用到的五个口线分别是VCC、VSS、RST、PCL、P0.5、PDA、P0.4。图9中1、2、4三点GND在MiniICP下载线中已经相连，在进行编程的时候，除了GND以外，其它引脚都要与系统断开，除非该引脚外接器件ICP时为高阻态，以确保编程时序不受影响。系统运行时，跳线跳到右侧，USER使用用户的器件。要进行ICP的时候，跳线跳至ICP端，与系统断开，进行编程。图10P89LPC925与MiniICP的电路连接6.PCB板的绘制本设计的电路采用的是双层板，包括顶层〔TOPLAYER〕和底层〔BOTTOMLAYER〕两层，两面敷铜，中间为绝缘层。在设计印刷电路板时，一定要考虑所用元件的多少以及这些元件的形状和尺寸。电路板的设计都是围绕如何布置导线来进行的。印刷电路板设计的好坏对电路的抗干扰能力影响很大：〔1〕应尽可能的缩小高频元件之间的连线，设法减小它们之间的电磁干扰。〔2〕按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。〔3〕以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来布局。位于电路边缘的元件，离电路板边缘一般不应小于2mm。同时，还应留出印刷板的定位孔和固定板子所占用的位置，各安装孔一般以略大于实际的孔为宜。1.布线的方法对PCB的性能有重要的影响，应遵循的规那么：〔1〕输入输出端的导线应尽量防止相邻平行.〔2〕印刷电路板的导线的最小宽度主要由导线的与绝缘基板间的粘附程度和流过它们的电流值来决定的。〔3〕印制板导线拐弯一般取圆弧形，因直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。2.抗干扰措施：〔1〕电源线设计根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线的宽度，减少环路电阻。同时，应使电源线、地线的走向与数据传递方向一致，这有助于增强抗干扰能力。〔2〕地线设计在设计地线时，应把数字地和模拟地分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地。高频电路采用多点串联接地，地线应粗而短。接地线应尽量加粗，且构成环路状。〔3〕去耦电容的配置，在电源输入端跨接10uF的电容，原那么上在每个芯片的电源输入端都接上一个电容。对于抗干扰能力弱、关断时电源变化大的元件，如ROM、RAM等存储元件，应在芯片的电源和地线之间接入去耦电容。〔4〕同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应该接在该极接地点上，采用这样“一点接地法”的电路，工作稳定，不宜自激。[11]7.本课题的程序设计流程图本课题的程序任务是：初始化单片机各引脚、A/D模块和看门狗，并且设置总线，开启I2C中断。运行A/D转换程序并使其循环执行。同时通过单片机检测从机是否接受到主机通过I2C总线传递过来的校准指令。当接收完校准指令后，调用校准程序计算出溶解氧数值