全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦 剛，楊珊珊，劉永紅

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

水體中的氨氮對魚類呈現(xiàn)毒害作用，對人體也有非常嚴(yán)重的危害。實(shí)時進(jìn)行水體氨氮含量的測量，對于開展水體質(zhì)量評價、保障生產(chǎn)、生活安全具有重要意義。然而，目前國內(nèi)氨氮檢測設(shè)備在自動化程度、測量精度以及測量周期等方面明顯落后于國外氨氮檢測設(shè)備，而國外相關(guān)備價格昂貴，推廣使用有困難。因此開發(fā)設(shè)計(jì)一款全自動氨氮在線檢測設(shè)備，對于彌補(bǔ)我國在該領(lǐng)域的技術(shù)不足，推動國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

國內(nèi)大多數(shù)氨氮檢測設(shè)備采用納氏比色法檢測氨氮，這種方法雖然操作簡單，但是測量范圍有限，而且測量很容易受水中鈣、鎂、鐵等金屬離子、硫化物、醛和酮類顏色及濁度的干擾，而且所用試劑的毒性較大，試驗(yàn)后的廢液處理也給實(shí)驗(yàn)帶來麻煩[1]。除此之外，這些設(shè)備自動化程一般不高、測量誤差比較大。針對這些問題，本文從渭水流域氨氮檢測的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹一種全新的氨氮在線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用氨氣敏電極法，以“飛思卡爾”MC9S12XS128單片機(jī)為主控芯片搭建硬件平臺，使用Visual C++語言和C語言開發(fā)系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)軟件，通過對影響系統(tǒng)自動準(zhǔn)確測量氨氮的結(jié)構(gòu)、硬件和軟件等因素進(jìn)行深入研究、設(shè)計(jì)和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了不同監(jiān)測點(diǎn)水體氨氮含量的全自動在線準(zhǔn)確測量。

1 全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)是基于電極電位感測原理，采用氨氣敏電極進(jìn)行液體氨氮含量測量的全自動在線檢測裝置[2]。系統(tǒng)基于化學(xué)反應(yīng)：NH+4+OH-?NH3↑+H2O產(chǎn)生氨氣，單片機(jī)通過氨氣敏電極采集氨氣信息，然后通過一定算法得出待測液的氨氮濃度。系統(tǒng)原理示意圖如圖1（a）所示。系統(tǒng)采用高精度耐腐蝕蠕動泵按壓力抽取給定量的測量液和堿液屏蔽劑，進(jìn)入混合線圈充分混合，然后由耐腐蝕隔膜泵將溶液抽入測量池，氨氣敏電極采集氨氮信息，最后通過一定算法得出氨氮濃度。為了防止測量液中金屬離子遇堿生成沉淀堵塞管道，系統(tǒng)在堿液中加入金屬離子屏蔽劑乙二胺四乙酸（EDTA），有效避免了沉淀對測量過程的影響[3]。

在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用單片機(jī)分別控制不同蠕動泵實(shí)現(xiàn)不同液體抽取的設(shè)計(jì)是非常繁瑣且浪費(fèi)資源的。本系統(tǒng)采用耐腐蝕電磁閥和三通閥門，單片機(jī)通過對不同電磁閥的選擇，完成蠕動泵對不同液體的抽取，避免了液體“死角殘留”，從而節(jié)省了硬件資源，優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，普通微型水泵抽取反應(yīng)液體時精度難以保證，系統(tǒng)采用高精度耐腐蝕蠕動泵與壓力傳感器組成壓力反饋控制系統(tǒng)，按壓力變速抽取反應(yīng)液體，在保證控制時間最短的基礎(chǔ)上，保證了反應(yīng)液體的準(zhǔn)確抽取。溫度變化對測量結(jié)果有較大影響，系統(tǒng)采用半導(dǎo)體電子制冷片以及安裝在測量池四周的鋁塊，通過PID算法閉環(huán)控制測量池溫度恒定，控制精度可以達(dá)到0.1攝氏度，有效避免了溫度變化對測量結(jié)果造成的影響[4]。系統(tǒng)的測量池以及其恒溫控制模塊如圖1（b）（c）所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 System principle diagram

2 全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。主要包括電源模塊、中央處理模塊、信號采集模塊、閥門控制模塊、電機(jī)控制模塊、恒溫控制模塊和鍵盤顯示模塊7個部分。這些模塊中，中央處理模塊、信號采集模塊以及閥門、電機(jī)和恒溫控制模塊的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 System hardware principle diagram

1）控制器模塊的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的微控制器采用低功耗控制芯片MC9S12XS128，它是Freescale公司以ARM為架構(gòu)推出的微處理器。該處理器具有16位中央處理單元（CUP12X），128 KB Flash，8K RAM。 內(nèi)部集成 SCI，SPI，TIM，ADC，PWM等模塊，內(nèi)部資源豐富、性價比高。

2）信號采集模塊的設(shè)計(jì)。信號采集模塊主要完成壓力、溫度和氨氣敏電極信號的采集。其中氨氣敏電極輸出為皮安級微弱電流信號，信號容易被現(xiàn)場其它干擾信號淹沒。因此，信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵。信號調(diào)理電路由電極緩沖電路、ADC采集電路和數(shù)字及電源隔離電路三部分組成。信號調(diào)理電路的原理圖如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路原理圖Fig.3 Signal conditioning circuit schematic diagram

氨氣敏電極內(nèi)部是以PH玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極的復(fù)合電極。PH玻璃電極電阻從1 MΩ到1 GΩ不等，串入電路后，流過該串聯(lián)電阻的偏置電流會給系統(tǒng)帶來較大的失調(diào)誤差。為使電路與該高源電阻隔離開來，電路采用高輸入阻抗、超低輸入偏置電流的緩沖放大器AD8603。該芯片超低的輸入電流可以最大限度地減少流過電極電阻的偏置電流所產(chǎn)生的電壓誤差。

氨氮信號的采集和傳感器的溫度補(bǔ)償基于24位 （Σ-Δ）ADC芯片AD7793。該芯片有3個差分模擬輸入和一個片內(nèi)低噪聲、可編程增益放大器（PGA）。由于氨氣敏電極的輸出是雙極性的，而AD7793采用單電源供電。因此，電路中將210μA IOUT1電流注入5 kΩ 高精密（1%）電阻，產(chǎn)生1.05 V共模偏置電壓，充當(dāng)AD采集芯片的基準(zhǔn)電壓，使其處于芯片的可接受共模范圍之內(nèi)。溫度補(bǔ)償電路采用PT1000，由AD7793的IOUT1電流輸出引腳驅(qū)動。210μA激勵電流驅(qū)動由PT1000和精密電阻 （5 kΩ，0.1%）構(gòu)成的串聯(lián)組合。PT1000電阻在 0°C （1 000 Ω）至 100 °C （1 385Ω）范 圍內(nèi)變化，產(chǎn)生的電壓信號范圍為210 mV至290 mV。精密5 kΩ電阻產(chǎn)生作為外部基準(zhǔn)電壓源的1.05 V電壓。當(dāng)增益為1時，模擬輸入范圍為±1.05 V（±VREF/G）。 因此，外界環(huán)境對激勵電流的干擾不會影響系統(tǒng)的測量精度。

數(shù)字信號及電源隔離電路采用四通道數(shù)字隔離器ADUM5401，為AD7793與微控制器數(shù)字線路之間提供穩(wěn)定的數(shù)字信號和電源隔離功能。

3）閥門、電機(jī)、恒溫控制模塊的設(shè)計(jì)。該模塊主要完成電磁閥（12 V）、加管閥（12 V）、蠕動泵（12 V）、隔膜泵（12 V）和電子制冷片（12 V）的控制。單片機(jī)輸出電壓為3.3 V，驅(qū)動能力不夠，不能直接完成這些執(zhí)行器件的控制。因此系統(tǒng)采用三極管和N溝道增強(qiáng)型MOS管75NF75組成放大電路，將單片機(jī)輸出電壓信號抬高到12 V左右。通過Multisim軟件對電路的仿真分析可知，系統(tǒng)控制效果良好，PWM波形干凈穩(wěn)定。該模塊主要電路的原理圖如圖4所示?？刂齐娐酚上聵蚝蜕蠘騼刹糠纸M成，單獨(dú)下橋可完成電磁閥和加管閥等開關(guān)量的控制，單獨(dú)上橋可完成蠕動泵、隔膜泵和電子制冷片的控制。

圖4 電機(jī)、閥門和半導(dǎo)體電子制冷片控制模塊原理圖Fig.4 Motor，valve&thermoelectric control module schematic diagram

國內(nèi)大多數(shù)便攜式氨氮檢測儀，采用手動添加溶液，精度難以保證，測量結(jié)果受到影響。該系統(tǒng)采用由蠕動泵和壓力傳感器組成的壓力反饋控制系統(tǒng)。蠕動泵按壓力變速抽取反應(yīng)液體，在滿足抽取時間最短的基礎(chǔ)上，滿足了控制精度的要求。

4）系統(tǒng)電磁兼容性的設(shè)計(jì)。引入EMC（電磁兼容性）技術(shù)、EMC的屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、接地技術(shù)等，增加多級防雷設(shè)計(jì)，避免了雷電對設(shè)備造成損壞。設(shè)備可導(dǎo)電外殼進(jìn)行接地處理，形成完善的接地保護(hù)系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，使設(shè)備在工作時，不受其他設(shè)備的干擾，也不會對其他設(shè)備造成干擾。

3 全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件平臺，系統(tǒng)采用Visual C++編寫上位機(jī)程序，采用C語言編寫下位機(jī)程序，上位機(jī)和下位機(jī)通過RS485總線完成信號的采集、設(shè)備的控制和管道的自動清洗[5]。系統(tǒng)的軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。

上位機(jī)軟件主要包括：用戶交互部分和文件管理部分。用戶交互部分完成氨氮檢測界面的操作和圖形文字顯示。文件交互部分完成配置文件的管理和數(shù)據(jù)庫文件的管理。

下位機(jī)軟件主要由初始化程序、中斷程序和主程序組成。初始化程序完成系統(tǒng)定時資源和各模塊狀態(tài)的初始化。中斷程序包括定時中斷和通信中斷，完成系統(tǒng)信息的維護(hù)更新。主程序包括數(shù)據(jù)的采集、控制信號的輸出和通信數(shù)據(jù)的收發(fā)等。下位機(jī)軟件主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)下位機(jī)軟件主程序流程圖Fig.5 The main flow chart of the slave computer software

系統(tǒng)開機(jī)初始化后，檢測人員通過上位機(jī)對設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，蠕動泵按給定壓力準(zhǔn)確吸取一定量的反應(yīng)液體并充分混合，恒溫控制模塊控制測量池溫度恒定。反應(yīng)液體緩慢流入測量池，氨氣敏電極采集氨氮信號，然后經(jīng)過濾波處理、氨氮濃度算法轉(zhuǎn)換得到待測液氨氮濃度。最后系統(tǒng)通過RS485總線將氨氮含量信息發(fā)送至顯示界面。

4 全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)的測試

氨氣敏電極法測量氨氮，氨氣敏電極的特性是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。然而，測試研究發(fā)現(xiàn)：測量方法、測試現(xiàn)場的溫度、氨氣敏電極的活度等，都是影響測量的關(guān)鍵因素。由于篇幅限制，本文在詳細(xì)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對電極以及設(shè)備特性做以下簡單介紹。

1）氨氣敏電極校準(zhǔn)曲線

系統(tǒng)采用上海雷磁傳感器有限責(zé)任公司型號為PNH3-1的氨氣敏電極對不同濃度氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測量，測量曲線符合能斯特方程（Nernst）。對大于1 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，電極響應(yīng)迅速，電極穩(wěn)定時間小于3 min，能夠滿足快速測量的基本要求[6]。

實(shí)驗(yàn)控制溫度25攝氏度，蠕動泵變速抽取反應(yīng)液體的條件下，系統(tǒng)對不同濃度梯度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液測試的結(jié)果如圖6所示。圖中縱軸為線性坐標(biāo)，表示電極電勢的變化，橫軸為對數(shù)坐標(biāo)，表示氨氮濃度的對數(shù)。由圖可見，系統(tǒng)在氨氮濃度為：0.3~100 mg/L范圍內(nèi)，電極電勢變化和氨氮濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系，而對于濃度小于0.3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)液，電極非線性特性比較明顯。

圖6 氨氣敏電極校準(zhǔn)曲線（溫度25攝氏度）Fig.6 Ammonia electrode response curve

2）國內(nèi)不同氨氮檢測設(shè)備性能對比

系統(tǒng)在25℃，蠕動泵變速抽取反應(yīng)液體的實(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)性能的測試結(jié)果如表1所示。

表1 國內(nèi)不同氨氮檢測設(shè)備參數(shù)對比Tab.1 Dom estic amm onia nitrogen testing equipm ent w ith different param eters

測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的氨氮在線檢測系統(tǒng)在自動化程度、測量精度和測量周期等方面較國內(nèi)大部分同類氨氮檢測設(shè)備有所提高。系統(tǒng)測量誤差小于7.5%，測量周期小于20 min（>0.5 mg/L），滿足基本設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

作為一種在線檢測裝置，系統(tǒng)在其自動化程度、實(shí)時性、精度，還有一些軟硬件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，是非常值得研究的重要方面。本文通過對這些關(guān)鍵技術(shù)的研究，以及對這些研究的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使得本文能夠在全自動氨氮在線檢測系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)上提供了一些思路。本文設(shè)計(jì)的全自動氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)可用于河流、湖泊以及污水處理廠等不同監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)氨氮含量的全自動在線測量。

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[5]尹洧.現(xiàn)代分析技術(shù)在水質(zhì)氨氮監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國無機(jī)分析化學(xué)，2013，3（2）:1-5.YIN Wei.Modern analytical techniques application in water ammonia quality monitoring[J].Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry，2013，3（2）:1-5.

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