??? 調(diào)理電路的輸出Uo飽和氧電壓隨溫度而上升，相同溫度下不同傳感器的電壓值也不盡相同，但同一傳感器的飽和氧電壓在不同溫度下成確定的比例關(guān)系，公式表示為：
???
??? U_tn、K_tn為tn溫度下的飽和溶氧電壓和氧溫系數(shù)。由關(guān)系式I=KCs和U=I₀C可知，在一定溫度下，溶氧電壓U正比于氧濃度O。溶氧量溫度補(bǔ)償關(guān)系如圖2所示。

?

??? 由圖2可知：得出：
??? 上式中：U_tx為tx溫度下的飽和溶解氧電壓，U_t0為t0溫度時(shí)的校準(zhǔn)飽和溶解氧電壓。校準(zhǔn)量U_t0用以表征不同傳感器斜率特性。在測(cè)量中，將各溫度下的K_tx、O_tx值存放在智能儀表EPROM中，U_t0由校準(zhǔn)操作存放在E²PROM中，這樣就可由檢測(cè)到的U_x計(jì)算出溶解氧含量。另外，為了進(jìn)一步提高溶解氧的測(cè)量精度，還要檢測(cè)大氣壓和水質(zhì)電導(dǎo)率，用于對(duì)溶解氧進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
1.2 PH值測(cè)量
??? PH值測(cè)量傳感器選用上海雷磁E-201-C型塑殼可充式復(fù)合電極，該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復(fù)合電極，其測(cè)量范圍在0～14PH，輸出為電壓信號(hào)，無(wú)需進(jìn)行i-v的變換。PH值的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

?

1.3 鹽度（電導(dǎo)率）測(cè)量
??? 鹽度（電導(dǎo)率）是衡量水質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。當(dāng)水環(huán)境遭受污染或富營(yíng)養(yǎng)化威脅時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致水中離子濃度增加。對(duì)水中鹽度動(dòng)態(tài)變化過程的監(jiān)測(cè)，可及時(shí)反映池水污染程度的變化，同時(shí)還可為精確測(cè)定溶氧提供補(bǔ)償參數(shù)。本設(shè)計(jì)使用電導(dǎo)電極作為傳感元件，通過測(cè)定水的電導(dǎo)率來計(jì)算鹽度。其測(cè)量電路如圖4所示。

?

??? 測(cè)量時(shí)，將電導(dǎo)電極固定放置在水中，當(dāng)振蕩器輸出一定頻率的交變信號(hào)時(shí)，在插入電導(dǎo)池中的電導(dǎo)電極之間便形成交變電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，液體導(dǎo)電而產(chǎn)生電流Ix。測(cè)量放大器是一個(gè)高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，根據(jù)運(yùn)算放大器基本特性有：
???
??? 上式表明，水的電導(dǎo)率δ_x與運(yùn)算放大器的輸出電壓V1成正比，即與運(yùn)算放大器的輸入電流I_x成正比(K、Vs、R_F、γ均為常數(shù))。精確測(cè)量出V₁值，便可得到被測(cè)溶液電導(dǎo)率δ_x，從而計(jì)算出水中的含鹽量。在實(shí)際使用前，需進(jìn)行標(biāo)定，以確定電極電流I_x與鹽度之間的比例因子，測(cè)控儀將自動(dòng)把相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)存入E²PROM中。
2? 測(cè)控儀總體硬件結(jié)構(gòu)
??? 測(cè)控儀由單片機(jī)系統(tǒng)＋SPC3實(shí)現(xiàn)，直接面向控制對(duì)象，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，即對(duì)各傳感器采集進(jìn)來的參數(shù)如溫度、溶氧量、大氣壓、鹽度、PH值等的電壓信號(hào)按特定算法進(jìn)行校準(zhǔn)、補(bǔ)償運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果經(jīng)LCD顯示出來。測(cè)控儀通過SPC3采用RS485與主站進(jìn)行雙向通信，發(fā)送環(huán)境參數(shù)值，同時(shí)獲取主站指令，調(diào)整PID參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)溶解氧和溫度，關(guān)啟電磁閥和水泵，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。測(cè)控儀總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

?

??? 在設(shè)計(jì)中，為了加強(qiáng)可移植性和靈活性以及便于同其他總線相兼容，將通信接口分成SPC3通信板與測(cè)控儀表主板。智能儀表主板與SPC3通信板只要留出接口部分的接線即可。
3? 智能從站通信接口芯片SPC3
??? 本設(shè)計(jì)選用SIMENS公司的智能從站通信接口芯片SPC3，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。SPC3集成了DP協(xié)議中的MAC和FDL層，可以承擔(dān)通信部分的微處理器負(fù)載，實(shí)現(xiàn)DP從站通信處理；SPC3通過它的雙口RAM與微處理器交換數(shù)據(jù)，微處理器操作SPC3芯片就像操作它的外部RAM；SPC3的總線接口是一個(gè)可參數(shù)化的同步/異步接口，適合于Motorola和Intel的微控制器/處理器。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，用戶通過訪問不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)即可得到各種報(bào)文信息； SPC3內(nèi)部集成1個(gè)看門狗定時(shí)器，操作于3種不同的狀態(tài)：波特率監(jiān)測(cè)、波特率控制和DP控制。內(nèi)部的UART實(shí)現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換，且SPC3可以自動(dòng)標(biāo)識(shí)總線的波特率(96Ｋ～12Ｍbps)。空閑定時(shí)器控制串行總線電纜上的總線定時(shí)。微序列器(Micro Sequencer，MS)控制整個(gè)SPC3的工作過程。內(nèi)部集成了1.5ＫB格式化的雙口RAM，用戶程序通過對(duì)它的訪問與SPC3交換數(shù)據(jù)。

?

4? 多環(huán)境參數(shù)的控制策略
??? 針對(duì)環(huán)境參數(shù)變化緩慢、時(shí)滯性大的特點(diǎn)，采用了模糊控制和自校正PI控制等控制策略。以水中溶解氧控制為例，溶解氧恒定過程中，供氧與耗氧持平，溶解氧可認(rèn)為保持不變，是一個(gè)純滯后過程；溶氧上升過程為一大時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。因此，水池增氧的數(shù)學(xué)模型可等效為一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間常數(shù)相比，可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，增氧的近似模型為：
???
??? 由于水位、溫度、放養(yǎng)量等參數(shù)的時(shí)變性，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行控制。而模糊控制不需要了解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)，對(duì)于未知模型的系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值，因此本測(cè)控儀采用模糊控制策略來實(shí)現(xiàn)溶解氧控制。模糊控制器采用雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，分別用溶氧偏差E和溶解氧變化率EC作為輸入變量,以調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的控制量U作為輸出變量。E、EC、U相應(yīng)的論域分級(jí)為NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL，論域：E、EC為{-3.0，-1.5，-0.5，0，0.5，1.5，3.0}；U為{-5，-3，-1，0，1，3，5}。根據(jù)過程控制的成熟經(jīng)驗(yàn)可以得到對(duì)應(yīng)控制量的一系列語(yǔ)言規(guī)則：如 If E＝NB and EC＝NB then U＝PB，進(jìn)一步歸納整理可確定系統(tǒng)溶解氧的模糊控制規(guī)則表如表1所示。

?

5? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 測(cè)控儀軟件是一個(gè)較復(fù)雜的程序。本設(shè)計(jì)中兼顧開發(fā)效率和代碼運(yùn)行速度，采用KEIL C語(yǔ)言和MCS-51匯編語(yǔ)言混合編程的方法。KEIL C語(yǔ)言是C語(yǔ)言在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，它提供了十分完備的規(guī)范化流程控制結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的規(guī)范化和模塊化。為了使從站軟件結(jié)構(gòu)清晰及易于調(diào)試和維護(hù)，整個(gè)程序按功能分成若干個(gè)模塊，不同的模塊完成不同的功能。對(duì)于不同的功能模塊，分別指定相應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)。而經(jīng)常使用的一些程序都編成函數(shù)，這樣既有利于整個(gè)程序的編寫和管理，又可增強(qiáng)可讀性和可移植性。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

?

5.1 多環(huán)境參數(shù)的測(cè)控軟件設(shè)計(jì)
??? 為了優(yōu)化從站軟件設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)控程序中一些實(shí)時(shí)性或運(yùn)算能力要求很高的模塊采用匯編語(yǔ)言編程，如參數(shù)實(shí)時(shí)控制、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、傳感器校準(zhǔn)、定時(shí)顯示及E²PROM存取等，同時(shí)把這些模塊嵌入到KEIL C程序中進(jìn)行處理。針對(duì)一般參數(shù)測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)操作繁瑣的缺陷，采用24C02串行E²PROM，編制了傳感器校準(zhǔn)模塊，既可避免每次開機(jī)校準(zhǔn)，又可按使用情況進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定和校準(zhǔn)，使儀器長(zhǎng)期獲得正確補(bǔ)償和校準(zhǔn)，提高了儀器的測(cè)量精度。
5.2 PROFIBUS-DP的通信軟件設(shè)計(jì)
??? 由于SPC3集成了完整的PROFIBUS－DP協(xié)議，因此用戶程序的主要任務(wù)就是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷(中斷服務(wù)流程如圖7(b)所示)對(duì)SPC3接收到的主站發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，編排要通過SPC3發(fā)給主站的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求編排外部診斷等。所有SPC3軟件用KEIL C語(yǔ)言編程，其中SPC3初始化包括設(shè)置SPC3允許的中斷、寫入從站識(shí)別號(hào)和地址、設(shè)置SPC3方式寄存器、診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配制緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始長(zhǎng)度，并根據(jù)以上初始值求出各個(gè)緩沖區(qū)的指針及輸人輸出緩沖區(qū)的指針。
6? 應(yīng)用舉例
??? 本測(cè)控儀曾在“水產(chǎn)工廠化養(yǎng)殖多環(huán)境因子的智能控制”項(xiàng)目中（江蘇省“十五”攻關(guān)項(xiàng)目）進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，用于對(duì)江蘇環(huán)太集團(tuán)水產(chǎn)河豚養(yǎng)殖場(chǎng)的水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)控制。現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試配置如圖8所示。

?