一种荧光法溶解氧测量电路及溶解氧测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及溶解氧测量技术领域，尤其涉及一种荧光法溶解氧测量电路及溶解氧测量装置。


背景技术：

2.溶解氧（dissolved oxygen）是指溶解于水中的氧的含量，它以每升水中氧气的毫克数表示。没有受到污染的水中溶解氧呈饱和状态。清洁地表水溶解氧接近饱和。如果水中有机物含量较多，其耗氧速度超过氧的补给速度则水中溶解氧量将不断减少，当水体受到有机物的污染时水中溶解氧量甚至可接近于零，这时有机物在缺氧条件下分解就出现腐败发酵现象，使水质严重恶化。所以把溶解氧作为水质污染程度的一项指标。溶解氧越少表明污染程度越严重。
3.当前污水处理中的生物处理大多是采用厌氧与好氧相结合的处理工艺，溶解氧在实际的废水生物处理操作中具有举足轻重的作用，这一指标的不合适或波动过大，会迅速导致活性污泥系统受到冲击，进而影响处理效率。因此在实际生化处理工艺中，需严格控制溶解氧的含量。
4.此外，在水产养殖，鱼类运输和水族馆应用中，要监测溶解氧，以确保水生生物在其栖息地中具有足够的氧气来生存，生长和繁殖。一些食品行业也需要对溶解氧进行测量，葡萄酒的含氧量对葡萄酒的质量、稳定性和寿命有很大的影响。在酿酒和装瓶过程的不同阶段监测和控制氧气的结合正成为酿酒厂日益关注的问题。不佳的溶解氧会导致白葡萄酒变色，白葡萄酒和红葡萄酒的风味退化。
5.通常的溶解氧的测量方法包括碘量法、电极极谱法、荧光法等。碘量法测定步骤繁杂，不适合现场测定，检测时间相对较长。在水藻繁生的水体中，由于光合作用使放氧量增加，可能使水中的氧达到过饱和状态，此时用碘量法测定水中溶解氧比较困难，测定结果不够准确。电极极谱法测定水中溶解氧步骤简单快捷，仪器价格相对较为低廉，属国家标准方法。但是随着氧气的消耗会在膜和电极上产生污垢，形成氧气梯度会降低反应速度。如果半透膜损坏，电解液容易被污染，会造成电池电势漂移，而漂移会被错误地显示为水样中溶解氧的浓度，因此需定期更换电解液及半透膜。荧光法测定水中溶解氧步骤简单快捷。相对前两种方法，荧光法测定水中溶解氧无需标定，响应时间快，测量结果稳定，对流量没有要求，无干扰，减少清洗频率，维护量低。某些光敏物质的原子受激发后，会以发射荧光的形式返回基态，而氧的存在会干扰这一行为的进行，即氧分子含量越多，荧光寿命越短，对应强度越低，可以根据试样溶液产生的荧光强度或荧光寿命来测定试样溶液中氧的含量。荧光法是通过蓝光光源照射基体使其激发，发出红光，由于氧分子可以使基体发生猝息效应，所以激发红光的光强和时间受氧分子浓度的影响。采用与蓝光同步的红光光源作为参比，采用定点快速取样并使用快速傅里叶变换得到正弦波的方法测量激发红光与参比光之间的相位差，并与内部标定值比对，从而计算出氧分子的浓度，经过线性化和温度补偿，输出最终值。这种方法计算量大，对单片机的要求高，功耗也大。


技术实现要素：

6.本实用新型提供一种荧光法溶解氧测量电路及溶解氧测量装置，解决了现有技术中荧光法测量溶解氧电路计算量大、对单片机要求高、功耗大的问题。
7.一种荧光法溶解氧测量电路，包括采集模块，采集模块包括依次连接的感光元件、iv转换电路、一级放大电路、二级放大电路、异或门、rc整流电路、单片机，rc整流电路包括依次连接的第一rc整流电路、第二rc整流电路和第一阻抗匹配电路。感光元件为硅光电池或光电二极管。本实用新型使用时，感光元件采集的反射红光与荧光基体发射的红光的波形经异或门处理后成为方波，方波再经rc整流电路处理成为直流电压信号，电压的大小与方波的占空比成正比。单片机只需处理直流电压信号并根据电压的大小计算溶解氧的浓度即可，单片机的计算量小，因此电路对单片机的要求低，单片机能耗降低。
8.进一步，所述iv转换电路与所述一级放大电路之间设有高通滤波电路，所述一级放大电路与所述二级放大电路之间设有高通滤波电路。
9.进一步，所述感光元件包括硅光电池，所述iv转换电路包括运放器u1.2、电容器c54和电阻r59，电容器c54的两端分别与运放器u1.2的反相输入端以及输出端连接，电阻r59的两端分别与运放器u1.2的反相输入端以及输出端连接。
10.进一步，还包括光源模块，光源模块包括恒流控制电路、第一光源和第二光源，第一光源和第二光源分别与恒流控制电路连接，第一光源和第二光源上均连接有数字三极管。
11.进一步，所述恒流控制电路包括依次连接的滤波电路、运放器u6和扩流三极管q10。
12.进一步，还包括供电模块，供电模块包括依次连接的电压芯片u30、电压芯片u24、电压基准芯片q11、分压电路和第二阻抗匹配电路。
13.进一步，所述电压芯片u30的输入端依次连接有滤波电路、瞬态抑制二极管tvs2、防反接二极管d13，所述电压芯片u30与电压芯片u24之间设有滤波电路，电压芯片u24的输出端连接有滤波电路。
14.进一步，所述第二阻抗匹配电路包括运放器u1.1，运放器u1.1的反相输入端与其输出端连接，运放器u1.1的同相输入端与所述分压电路连接。
15.溶解氧测量装置，包括第一筒体、第二筒体以及荧光法溶解氧测量电路，第一筒体与第二筒体可拆卸密封连接，荧光法溶解氧测量电路位于第二筒体内，第一筒体内设有荧光基体和石英玻璃，荧光基体远离石英玻璃的一面上设有遮光膜，石英玻璃与荧光法溶解氧测量电路之间设有滤光片。
16.进一步，所述第二筒体内设有安装座，安装座上设有第一光源通道、第二光源通道和检测通道，所述第一光源位于第一光源通道内，所述第二光源位于第二光源通道内，所述感光元件位于检测通道内。
17.从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：
18.本实用新型使用时，感光元件采集的反射红光与荧光基体发射的红光的波形经异或门处理后成为方波，方波再经rc整流电路处理成为直流电压信号，电压的大小与方波的占空比成正比。单片机只需处理直流电压信号并根据电压的大小计算溶解氧的浓度即可，单片机的计算量小，因此电路对单片机的要求低，单片机能耗降低。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型供电模块局部电路图；
21.图2为本实用新型供电模块局部电路图；
22.图3为本实用新型供电模块局部电路图；
23.图4为本实用新型测温模块电路图；
24.图5为本实用新型采集模块局部电路图；
25.图6为本实用新型模拟开关电路图；
26.图7为本实用新型采集模块的异或门电路图；
27.图8为本实用新型采集模块的rc整流电路电路图；
28.图9为本实用新型光源模块电路图；
29.图10为本实用新型单片机电路图；
30.图11为本实用新型rs485输出模块电路图。
具体实施方式
31.为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
32.实施例1
33.如图1
‑
11所示，一种荧光法溶解氧测量电路，包括采集模块、光源模块、供电模块、控制模块、测温模块、rs485输出模块。
34.供电模块包括接线座p7、防反接二极管d13、瞬态抑制二极管tvs2、电容器c66、电容器c56、电阻r68、ldo电压芯片（low dropout regulator，是一种低压差线性稳压器）u3、电容器c68、电感l2、电阻r69、电阻r70、电容器c69、电容器c67、瞬态抑制二极管tvs3、ldo电压芯片u2、电容器c57、电容器c58、电压基准芯片q11、电容器c63、电阻r62、电阻r63、电容器c61、运放器u1.1、电容器c64。接线座p7的3第三端和第四端连接市电。接线座p7的第三端接地，接线座p7的第四端与防反接二极管d13的阳极连接，防反接二极管d13的阴极与瞬态抑制二极管tvs2的第一端连接，瞬态抑制二极管tvs2的第二端接地，防反接二极管d13的阴极与电容器c66的第一端连接，电容器c66的第二端接地，电容器c66的第一端与电容器c56的第一端连接，电容器c66的第二端与电容器c56的第二端连接，在电容器c66的第一端形成vcc输出端。电容器c56的第一端与电阻r68的第一端连接，电阻r68的第二端与ldo电压芯片u3的4管脚连接，ldo电压芯片u3的5管脚与电容器c56的第一端连接，ldo电压芯片u3的6管脚与电感l2的第一端连接，ldo电压芯片u3的1管脚与电容器c68的第一端连接，电容器c68的第二端与电感l2的第一端连接，ldo电压芯片u3的2管脚接地，ldo电压芯片u3的3管脚与电阻r69的第一端连接，电阻r69的第二端与电感l2的第二端连接，电阻r70的第一端与电阻r69的第一端连接，电阻r70的第二端接地，电容器c69的第一端与电阻r69的第二端连接，电
容器c69的第二端与电阻r69的第一端连接，电容器c67的第一端与电阻r69的第二端连接，电容器c67的第二端与电阻r69的第一端连接，瞬态抑制二极管tvs3的第一端与电阻r69的第二端连接，瞬态抑制二极管tvs3的第二端与电阻r69的第一端连接，瞬态抑制二极管tvs3的第二端接地，在瞬态抑制二极管tvs3的第一端形成5v电压输出端。瞬态抑制二极管tvs3的第一端与ldo电压芯片u2的2管脚（输入端）连接，ldo电压芯片u2的1管脚接地，ldo电压芯片u2的3管脚与电容器c57的第一端连接，电容器c57的第二端接地，在电容器c57的第一端形成a3.3v电压输出端。ldo电压芯片u2的3管脚与电容器c58的第一端连接，电容器c58的第二端接地。电阻r62、电阻r63组成分压电路。电容器c66、电容器c56、电容器c69、电容器c67、电容器c57、电容器c58、电容器c61分别构成滤波电路。
35.电压基准芯片q11的1管脚与5v电压输出端连接，在电压基准芯片q11的2管脚形成vref输出端，电压基准芯片q11的3管脚接地，电容器c63的第一端与电压基准芯片q11的2管脚连接，电容器c63的第二端与电压基准芯片q11的3管脚连接。
36.电阻r62的第一端与vref输出端连接，电阻r62的第二端与电阻r63的第一端连接，电阻r63的第二端接地，电容器c61的第一端与电阻r63的第一端连接，电容器c61的第二端与电阻r63的第二端连接，电阻r63的第一端与运放器u1.1的同相输入端连接，运放器u1.1的反相输入端与其输出端连接，在运放器u1.1的输出端上形成ref_mid输出端，运放器u1.1的电源正极与a3.3v电压输出端连接，运放器u1.1的电源正极与电容器c64的第一端连接，电容器c64的第二端接地，运放器u1.1的电源负极接地。
37.采集模块包括硅光电池pd2、电容器c54、电阻r59、运放器u1.2、电容器c55、电阻r58、运放器u1.3、电阻r56、电容器c46、电阻r57、电容器c45、电阻r55、运放器u7.1、电阻r53、电容器c44、电阻r54、异或门u4、电阻r48、电阻r47、电容器c33、电阻r45、电容器c15、运放器u7.2。硅光电池pd2的第二端与ref_mid输出端连接，硅光电池pd2的第一端与电阻r59的第一端连接，硅光电池pd2的第一端与电容器c54的第一端连接，硅光电池pd2的第一端与运放器u1.2的反相输入端连接，硅光电池pd2的第二端与运放器u1.2的同相输入端连接，电阻r59的第二端与运放器u1.2的输出端连接，电容器c54的第二端与运放器u1.2的输出端连接，运放器u1.2的输出端与电容器c55的第一端连接，电容器c55的第二端与电阻r58的第一端连接，电阻r58的第二端与ref_mid输出端连接，电容器c55的第二端与运放器u1.3的同相输入端连接，运放器u1.3的反相输入端与电阻r57的第一端连接，电阻r57的第二端与ref_mid输出端连接，运放器u1.3的反相输入端与电阻r56的第一端连接，运放器u1.3的反相输入端与电容器c46的第一端连接，运放器u1.3的输出端与电阻r56的第二端连接，运放器u1.3的输出端与电容器c46的第二端连接，运放器u1.3的输出端与电容器c45的第一端连接，电容器c45的第二端与电阻r55的第一端连接，电阻r55的第二端与ref_mid输出端连接，电容器c45的第二端与运放器u7.1的同相输入端连接，运放器u7.1的反相输入端与电阻r54的第一端连接，电阻r54的第二端与ref_mid输出端连接，运放器u7.1的反相输入端与电阻r53的第一端连接，运放器u7.1的反相输入端与电容器c44的第一端连接，运放器u7.1的输出端与电阻r53的第二端连接，运放器u7.1的输出端与电容器c44的第二端连接。运放器u1.2、电阻r59、电容器c54组成iv转换电路。电容器c55、电阻r58组成高通滤波电路。运放器u1.3、电阻r56、电容器c46、电阻r57组成一级放大电路。运放器u7.1、电阻r53、电容器c44、电阻r54组成二级放大电路。电阻r47、电容器c33组成一级rc整流电路。电阻r45、电容器c15
组成二级rc整流电路。运放器u7.2构成第一阻抗匹配电路。
38.运放器u7.1的输出端与异或门u4的2b输入端连接，异或门u4的输出端与电阻r48的第一端连接，电阻r48的第二端接地。
39.异或门u4的输出端与电阻r47的第一端连接，电阻r47的第二端与电容器c33的第一端连接，电容器c33的第二端接地，电阻r47的第二端与电阻r45的第一端连接，电阻r45的第二端与电容器c15的第一端连接，电容器c15的第二端接地，电阻r45的第二端与运放器u7.2的同相输入端连接，运放器u7.2的反相输入端与运放器u7.2的输出端连接。
40.光源模块包括电阻r60、电容器c48、电阻r66、电容器c65、运放器u6、电容器c60、扩流三极管q10、电阻r61、发光二极管d15、数字三极管q9、发光二极管d14、数字三极管q8、电容器c59。发光二极管d15的中心波长为650nm，发光二极管d14的中心波长为450nm。电阻r60的第一端与电容器c48的第一端连接，电容器c48的第二端接地，电阻r60的第一端与电阻r66的第一端连接，电阻r66的第二端与运放器u6的1管脚连接，运放器u6的2管脚接地，运放器u6的3管脚与电容器c65的第一端连接，电容器c65的第二端与电阻r66的第二端连接，运放器u6的5管脚与a3.3v电压输出端连接，运放器u6的5管脚与电容器c60的第一端连接，电容器c60的第二端接地，运放器u6的4管脚与扩流三极管q10的基极连接，扩流三极管q10的射极与运放器u6的3管脚连接，扩流三极管q10的射极与电容r61的第一端连接，电容r61的第二端接地，扩流三极管q10的集电极与发光二极管d15的阴极连接，发光二极管d15的阳极与数字三极管q9的4管脚连接，数字三极管q9的3管脚与5v电压输出端连接，数字三极管q9的1管脚接地；扩流三极管q10的集电极与发光二极管d14的阴极连接，发光二极管d14的阳极与数字三极管q8的4管脚连接，数字三极管q8的3管脚与5v电压输出端连接，数字三极管q8的3管脚与电容器c59的第一端连接，电容器c59的第二端接地，数字三极管q8的1管脚接地。电阻r60、电容器c48、电阻r66、电容器c65、运放器u6、电容器c60、扩流三极管q10、电阻r61组成恒流控制电路，其中电阻r60、电容器c48、电阻r66、电容器c65组成滤波电路。
41.控制模块包括单片机u20、电阻r51、电阻r49、电容器c36、电阻r50、发光二极管led2、电容器c42、电容器c43、晶振y2、电阻r52、电容器c37、电容器c39、电容器c40、电容器c41、模拟开关u5、电阻r67。单片机u20的10管脚与数字三极管q9的2管脚连接，单片机u20的11管脚与数字三极管q8的2管脚连接，单片机u20的14管脚与模拟开关u5的1管脚连接，单片机u20的15管脚与运放器u7.2的输出端连接，单片机u20的5管脚与电阻r52的第一端连接，单片机u20的6管脚与电阻r52的第二端连接，电阻r52的第一端与晶振y2的第一端连接，电阻r52的第二端与晶振y2的第二端连接，电阻r52的第一端与电容器c42的第一端连接，电容器c42的第二端接地，电阻r52的第二端与电容器c43的第一端连接，电容器c43的第二端接地，单片机u20的44管脚与电阻r51的第一端连接，电阻r51的第二端接地，单片机u20的7管脚与电阻r49的第一端连接，电阻r49的第二端与a3.3v电压输出端连接，电阻r49的第一端与电容器c36的第一端连接，电容器c36的第二端接地，单片机u20的1管脚与a3.3v电压输出端连接，单片机u20的24管脚、36管脚、48管脚、9管脚均与a3.3v电压输出端连接，单片机u20的20管脚与发光二极管led2的阴极连接，发光二极管led2的阳极与电阻r50的第一端连接，电阻r50的第二端与a3.3v电压输出端连接，单片机u20的41管脚与模拟开关u5的6管脚连接，单片机u20的23管脚、35管脚、47管脚、8管脚均接地。
42.电容器c37的第一端、电容器c39的第一端、电容器c40的第一端、电容器c41的第一
端均与a3.3v电压输出端连接，电容器c37的第二端、电容器c39的第二端、电容器c40的第二端、电容器c41的第二端均接地。
43.模拟开关u5的4管脚与电阻r60的第二端连接。
44.测温模块包括热敏电阻r65、电容器c62、电阻r64、运放器u1.4。热敏电阻r65的第一端与ref_mid输出端连接，热敏电阻r65的第二端与电阻r64的第一端连接，电阻r64的第二端接地，电容器c62的第一端与电阻r64的第一端连接，电容器c62的第二端与电阻r64的第二端连接，热敏电阻r65的第二端与运放器u1.4的同相输入端连接，运放器u1.4的反相输入端与其输出端连接，运放器u1.4的输出端与单片机u20的16管脚连接。
45.rs485输出模块包括rs485芯片u9、电容器c21、电阻r17、电阻r19、瞬态抑制二极管tvs3、瞬态抑制二极管tvs4、瞬态抑制二极管tvs5、自恢复保险丝t1、自恢复保险丝t2。rs485芯片u9的1管脚与单片机u20的31管脚连接，rs485芯片u9的2管脚、3管脚均与单片机u20的32管脚连接，rs485芯片u9的4管脚与单片机u20的30管脚连接，rs485芯片u9的5管脚接地，rs485芯片u9的8管脚与5v电压输出端连接，rs485芯片u9的8管脚与电容器c21的第一端连接，电容器c21的第二端接地，rs485芯片u9的6管脚与自恢复保险丝t1的第一端连接，rs485芯片u9的7管脚与自恢复保险丝t2的第一端连接，电阻r17的第一端与电容器c21的第一端连接，电阻r17的第二端与rs485芯片u9的6管脚连接，电阻r19的第一端与rs485芯片u9的7管脚连接，电阻r19的第二端接地，瞬态抑制二极管tvs3的第一端与自恢复保险丝t1的第一端连接，瞬态抑制二极管tvs3的第二端接地，瞬态抑制二极管tvs5的第一端与自恢复保险丝t2的第一端连接，瞬态抑制二极管tvs5的第二端接地，瞬态抑制二极管tvs4的第一端与自恢复保险丝t1的第一端连接，瞬态抑制二极管tvs4的第二端与自恢复保险丝t2的第一端连接，自恢复保险丝t1的第二端与接线座p7的第二端连接，自恢复保险丝t2的第二端与接线座p7的第一端连接。
46.实施例2
47.本实施例与实施例1的区别在于，感光元件为光电二极管。
48.实施例3
49.溶解氧测量装置，包括第一筒体、第二筒体以及荧光法溶解氧测量电路，第一筒体与第二筒体可拆卸密封连接，荧光法溶解氧测量电路位于第二筒体内，第一筒体内设有荧光基体和石英玻璃，荧光基体远离石英玻璃的一面上设有遮光膜，石英玻璃与荧光法溶解氧测量电路之间设有滤光片。滤光片允许通过中心波长为650nm的红光。第二筒体内设有安装座，安装座上设有第一光源通道、第二光源通道和检测通道，发光二极管d15位于第一光源通道内，发光二极管d14位于第二光源通道内，硅光电池位于检测通道内。
50.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
51.本实用新型的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
52.对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本实用新型。
对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。