飲用水溴離子濃度測量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計*

潘 凱， 朱名日， 姚 鑫， 劉文彬， 鄭丹平， 周光祥

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué) 北海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 北海 536000; 3.桂林電子科技大學(xué) 計算機與控制學(xué)院，廣西 桂林 541004)

飲用水溴離子濃度測量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計*

潘 凱1， 朱名日2， 姚 鑫1， 劉文彬1， 鄭丹平3， 周光祥2

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué) 北海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 北海 536000; 3.桂林電子科技大學(xué) 計算機與控制學(xué)院，廣西 桂林 541004)

針對一種基于微波感應(yīng)的新型飲用水中溴離子濃度測量裝置中微弱電壓信號采集和分析的需求，設(shè)計了一種采集系統(tǒng)，包括信號采集部分和上位機顯示部分。信號采集部分對傳感器輸出的微弱信號的放大和濾波后由C8051F310單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采集并通過串口發(fā)送給LabVIEW編寫的上位機，上位機進行數(shù)據(jù)的接收、分析并顯示溴酸鹽濃度值。實驗表明:該采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以作為飲用水溴離子濃度測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

溴酸鹽； 濃度檢測； LabVIEW

0 引 言

日常的飲用水，其化學(xué)消毒法主要包括二氧化氯消毒、液氯消毒和臭氧消毒，其中臭氧消毒成本很低，被廣泛應(yīng)用于桶裝水和瓶裝水工業(yè)中。各大廠家使用臭氧殺菌過程中，不可避免會產(chǎn)生溴酸鹽這種副產(chǎn)物[1]，對人體健康構(gòu)成了威脅。目前檢測溴酸鹽的主要方法是離子色譜法，該檢測方法周期較長，實時性較差，因此,設(shè)計一種基于微波感應(yīng)的新型飲用水中溴離子濃度測量裝置非常重要，其本文將重點討論信號的采集和上位機的分析顯示。

1 溴離子濃度測量裝置原理和結(jié)構(gòu)組成

溴離子濃度測量裝置是根據(jù)微波感應(yīng)原理，該原理利用敏感電感線圈接于微波信號激勵電路，線圈隨周圍飲用水中溴酸鹽濃度的不同產(chǎn)生電感阻抗變化，使微波信號激勵電路產(chǎn)生的微波頻率隨之改變。微波頻率信號由頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過濾波電路后由C8051F310單片機采集，然后通過串口送給由LabVIEW編寫的上位機，上位機分析并顯示溴酸鹽濃度值。系統(tǒng)包括：盛放溴酸鹽水溶液的玻璃槽、微波信號激勵電路、微波頻率檢測以及電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波放大電路、C8051F310單片機信號采集部分和用LabVIEW編寫的上位機[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

線圈用細銅絲繞制，放溶液的容器采用薄壁玻璃瓶，厚度為0.8 mm，敏感線圈繞制在玻璃瓶外面并固定。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，其中硬件部分主要負責對傳感器輸出的微弱電壓信號進行放大并濾波處理，處理后由C8051F310單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進行采集，采集后通過串口向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。

軟件部分是由LabVIEW編寫的上位機，其接收來自串口的數(shù)據(jù)并進行分析，分析后顯示溴酸鹽濃度值。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分由濾波電路和放大部分組成，因為微波頻率信號再由頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號幅值較小，而且有干擾信號，無法直接被單片機采集，所以,需要經(jīng)過濾波放大電路后才可以送給單片機。濾波電路采用Sallen-Key濾波器，Sallen-Key濾波器又稱雙極點電壓控制電壓源[3]，如圖2所示。濾波器輸出信號后再通過放大電路，電路采用LMC6484[4]組成的放大電路，如圖3所示。

圖2 濾波電路

圖3 放大電路

經(jīng)過放大電路后，C8051F310單片機利用內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器對放大后的信號進行采集得到電壓信號，然后送給上位機。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括C8051F310單片機對電壓信號的采集程序和用LabVIEW編寫的上位機。

2.2.1 C8051F310單片機采集程序

C8051F310單片機內(nèi)部自帶10位AD，轉(zhuǎn)換速率可達200 ksps，具有17個外部單端或差分輸入，VREF可以在外部引腳或VDD中選擇[5]。設(shè)計采用單端輸入，VREF接5 V電壓，可以采集到0～5 V的電壓信號，精度為0.004 88 V，可以滿足實驗需要。

串口發(fā)送利用單片機的串口發(fā)送給上位機，波特率設(shè)置為9600，單片機采集完電壓信號后，立即發(fā)送給上位機。圖4為單片機采集程序流程圖。

圖4 單片機采集程序流程圖

2.2.2 軟件設(shè)計

溴酸鹽檢測與分析系統(tǒng)的軟件部分在LabVIEW平臺上進行開發(fā)，采集硬件部分的電壓信號，利用RS—232接口將信號傳入PC，及時地顯示信號數(shù)值及其波形，完成對溴酸鹽檢測與分析系統(tǒng)硬件設(shè)備的檢測，設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計流程

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)分析。在數(shù)據(jù)接收方面，上位機一幀一幀地接收數(shù)據(jù)，每一幀有4個字節(jié)數(shù)據(jù)，分別為：1個字節(jié)的幀頭、2個字節(jié)的電壓值、1個字節(jié)的幀尾。為了保持數(shù)據(jù)的可靠性，程序采取對50組數(shù)據(jù)求平均值的方法。這里采用的是移位寄存器，在大循環(huán)框內(nèi)使用2個移位寄存器，程序每一次循環(huán)4個數(shù)都不斷疊加直到50組數(shù)發(fā)送完成，然后對這個總數(shù)求平均值。

數(shù)據(jù)分析方面，由于傳感器輸出的電壓值與所測溴酸鹽濃度值之間存在明顯的非線性，為了提高測量精度，必須進行非線性化校正，使之線性化。線性化方法很多，在此應(yīng)用最小化二乘法原理實現(xiàn)曲線擬合，而且選取在Matlab平臺上實現(xiàn)[6]。

先用精密天平稱量不同質(zhì)量的溴酸鉀粉末，再用蒸餾水分別配置5，8，11，14，17，20，23,26，29，32，35，38，41，44，47，50 μg/L的溴酸鉀溶液，并用滴管分別取不同濃度的溴酸鉀溶液進行測試，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溴酸鉀溶液濃度對應(yīng)的電壓值

得到數(shù)據(jù)在Matlab平臺上進行曲線擬合，分別用二，三，四，五次多項式進行擬合，如圖7～圖10所示。

可以看出，用五次多項式能夠很好地擬合出電壓值與溴酸鹽濃度值的關(guān)系，而且在計算機上實現(xiàn)起來也比較快速、容易，因此，采用五次多項式進行擬合。

圖7 二次多項式擬合曲線圖

圖8 三次多項式擬合曲線圖

圖9 四次多項式擬合曲線圖

圖10 五次多項式擬合曲線圖

從圖10的曲線圖可以很容易得到溴酸鹽濃度值與傳感器輸出電壓值之間的關(guān)系，五次多項式的系數(shù)分別為0.276 4,-2.499 0,7.090 0,-5.596 8,7.379 4,2.652 6，因此,擬合的曲線方程可以表示為

P(x)=0.276 4x5-2.499x4+7.09x3-5.596 8x2+ 7.379 4x+2.652 6.

其中,x為傳感器測得的電壓幅值，P(x)為對應(yīng)的溴酸鹽濃度值。

3 系統(tǒng)實驗

先用精密天平稱量不同質(zhì)量的溴酸鉀粉末，再用蒸餾水分別配置5，10，15，20，30，40，50 μg/L的溴酸鉀溶液。配完溶液后，用滴管分別取不同濃度的溴酸鉀溶液滴到薄壁玻璃瓶內(nèi)進行測試，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

飲用水中溴酸鹽超標會危及人的身體健康導(dǎo)致癌變問題已引起國際社會普遍關(guān)注，因此,設(shè)計一種能快速、準確檢測出飲用水中溴酸鹽濃度的裝置有重要意義。本文在溴酸鹽濃度檢測傳感器的基礎(chǔ)上，采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠準確測量傳感器輸出的微弱信號，并正確顯示溴酸鉀溶液的濃度值，精度為2 μg/L。

[1] 張沼園.飲用水消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].水處理技術(shù),1998,24(1):7.

[2] 桂林電子科技大學(xué)．蔗汁晶化過飽和度微波感應(yīng)在線監(jiān)測方法和檢測器:中國,CN101059453A[P].2007—10—24.

[3] Baker B.嵌入式系統(tǒng)中的模擬設(shè)計[M].李喻奎,譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4] 李樹靖.線性光耦合器LOC110的原理與應(yīng)用[J].世界電子元器件,2002(12):44-46.

[5] 侯佳娜,姚愛琴,孫運強.基于C8051F310單片機的實時心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].計量與測試技術(shù),2010,37(9):50-52.

[6] 付艷茹.基于 Matlab 曲線擬合的應(yīng)用研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,31(2):55-58.

Design of data acquisition system for bromide ion

concentration measuring apparatus in drinking water*PAN Kai1, ZHU Ming-ri2, YAO Xin1, LIU Wen-bin1, ZHENG Dan-ping3, ZHOU Guang-xiang2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Beihai Vocational Technology College, Guilin University of Electronic Technology,Beihai 536000,China; 3.School of Computer and Control, Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Aiming at demand of measuring weak voltage signal acquisition and analysis for a new type of bromide ion concentration measuring apparatus in drinking water,design a collection system, including signal acquisition and upper PC display section.Weak signal of sensor output is amplified and filtered and then collected by C8051F310 MCU comes with A/D converter collects and send to LabVIEW compiled upper PC through serial port,upper computer receives data,analyze and display bromate concentration values.Experiments show that this type of acquisition system is stable and reliable,it can be used as data acquisition system for bromide ion concentration measuring device in drinking water.

bromate; concentration detection; LabVIEW

2014—08—12

廣西省研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(YCSZ2012075)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0089—03

TN 914

B

1000—9787(2015)04—0089—03

潘 凱(1990-)，男，山東章丘人，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。