基于ARM的污水檢測電路設(shè)計與實現(xiàn)

汪秋婷+王德前

（1 浙江大學(xué)城市學(xué)院 浙江 杭州 310015；2 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 浙江 杭州 310000）

摘 要：本論文介紹一種多參數(shù)的畜牧場污水處理系統(tǒng)的測量儀器。儀器以LPC2132為核心單元，對生態(tài)化的畜牧場的污水處理過程中3個比較重要的參數(shù)，溫度、溶解氧含量和氨氮含量進(jìn)行實時在線測量，儀器可以與時間一起建立時間序列的成組數(shù)據(jù)。儀器可以就地測量顯示存儲測量數(shù)據(jù)，也采用了液晶實時顯示測量的數(shù)據(jù)，儀器中采用卡爾曼濾波算法對其中的氨氣敏電極測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了測量的精度和數(shù)據(jù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：LPC2132，污水參數(shù)檢測，無色卡爾曼濾波

引言

水質(zhì)監(jiān)測就是通過人工或儀器設(shè)備監(jiān)視和測定水體中污染物的種類，各類 污染的濃度以及其的變化趨勢，通過各種方法對水質(zhì)進(jìn)行評價的過程。目前，我國的水質(zhì)檢測儀器主要以當(dāng)參數(shù)向多參數(shù)檢測儀過度，其中多參數(shù)檢測儀發(fā)展也非常迅速，但是整體的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，因此，對水質(zhì)檢測儀的研究業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)前水質(zhì)檢測中刻不容緩的一部分。從目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用狀況來看，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)可以向以下的方向發(fā)展：

（1）隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實時在線檢測和控制；

（2）在監(jiān)測區(qū)域大小方面，由小型的局部地區(qū)監(jiān)測向結(jié)合衛(wèi)星遙感遙測技 術(shù)的大范圍，全方位監(jiān)測方向發(fā)展；

（3）在水質(zhì)監(jiān)測的方法方面，做到綜合性越來越強，靈敏度越來越高和監(jiān) 測覆蓋范圍越來越廣，這已成為該方面的主流方向。

本文的研究對象是基于ARM的畜牧場水質(zhì)的檢測系統(tǒng)，在結(jié)合國內(nèi)外水質(zhì)檢測儀發(fā)展以及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對水質(zhì)檢測的技術(shù)進(jìn)行了研究。本文主要設(shè)計水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)多參數(shù)的信號采集、顯示。該系統(tǒng)采用已有的氨氮、pH值和溫度等傳感器實現(xiàn)多參數(shù)的信號采集，采用 ARM 芯片模擬前端處理電路對多參數(shù)的采集信號進(jìn)行處理，通過液晶顯示屏對檢測信號進(jìn)行實時顯示和操作等可視化信息管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本文選用分光光度法來監(jiān)測水質(zhì)的氨氮情況。分光光度法是通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強度，對該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法。一定濃度的納氏試劑與待測樣品溶液中的氨氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成淡紅棕色膠態(tài)化合物，對波長400-425nm范圍內(nèi)的光具有強烈的吸收，其吸光度與溶液的濃度以及溶液層厚度成正比。通過分光光度法測定溶液在特定波長處或在一定波長范圍內(nèi)的吸光度，即可求得溶液中氨氮的濃度，以此判定樣品溶液中氨氮的濃度和水質(zhì)污染的程度。

水溫監(jiān)測一般采用傳感器。監(jiān)測用的傳感器有很多選擇，常用的有熱敏電阻，熱電偶，集成溫度傳感器等。其中，熱敏電阻可滿足水溫的測量，但精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，對于監(jiān)測1℃的溫度信號是不適用的；熱電偶精度高、測量范圍廣等優(yōu)點。但本研究選擇直接采用集成溫度傳感器，其具有較高精度和重復(fù)性，輸出信號恒定。

空氣中的分子態(tài)氧溶解在水中稱為溶解氧。當(dāng)水中溶解氧低于3-4mg/L時，許多魚類呼吸困難；當(dāng)溶解氧在2mg/L以下時，水體會發(fā)臭。一般規(guī)定水體中溶解氧至少在4mg/L以上。在本研究中選擇極譜式薄膜溶解氧電極作為傳感器來對水質(zhì)中溶解氧進(jìn)行監(jiān)測。傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理如下：陽電極為Ag/AgCl、陰電極為Pt，電解質(zhì)為KCl溶液，頂端以聚四氟乙烯薄膜覆蓋。由于外加極化電壓使得兩電極間存在電位差，如果待測液中有氧存在，其則通過聚四氟乙烯薄膜在陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生電流。反應(yīng)式如下：

陰極：

陽極：

針對監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的設(shè)計與要求，采用如下的設(shè)計方案：

（1）傳感器采集到的水溫、氨氮和溶解氧是哪個參數(shù)信號等3路模擬量，經(jīng)過信號調(diào)理電路，進(jìn)入LPC2132，LPC2132對其進(jìn)行運算處理，轉(zhuǎn)換成可以顯示的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水溫、氨氮和溶解氧三個參數(shù)的型號測量；

（2）裝置采用模塊式結(jié)構(gòu)，模塊式結(jié)構(gòu)具有相對可靠、靈活、穩(wěn)定和高擴展性等特點，而且給現(xiàn)場的使用帶來了便利。綜上所述，大致可以將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計如圖1。

2 硬件設(shè)計

該模塊必須由軟件進(jìn)行控制以符合外設(shè)功能與管腳在特定應(yīng)用中的需求。LPC2131/2132/2138分別含有32kB、64kB和512kB的FLASH存儲器系統(tǒng)。該存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對FLASH存儲器的編程可通過幾種方法來實現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行JTAG接口，通過在系統(tǒng)編程（ISP）和UART0，或通過在應(yīng)用編程（IAP）。使用應(yīng)用程序也可以在程序運行時對FLAH進(jìn)行擦除和/或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。如果LPC2131使用了片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序（bootloader），32/64/512kB的Flash存儲器就可用來存放用戶代碼。

2.1 主電路設(shè)計

本文設(shè)計基于ARM的污水檢測電路如圖1所示，主芯片選擇LPC2132，檢測電路完成以下功能：

（1）小型LQFP64封裝的16/32 位 ARM7TDMI-S 微控制器。

（2）8/16/32kB片內(nèi)靜態(tài)RAM。

（3）片內(nèi) Boot 裝載軟件實現(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用中編程（ISP/IAP）。扇區(qū)擦除或整片擦除的時間為 400ms，1ms 可編程 256 字節(jié)。

（4）EmbeddedICE？RT 和嵌入式跟蹤接口可實時調(diào)試（利用片內(nèi) RealMonitor 軟件）和高速跟蹤執(zhí)行代碼。

（5）1 個（LPC2132/2132）或2個（LPC2138）8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器共包含16個模擬輸入，每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至2.44us。

（6）2 個32位定時器/計數(shù)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、 PWM 單元（6 路輸出）和看門狗。

（7）多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、 2個高速 I2C 接口（400 kbit/s）、 SPITM 和 SSP（具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長度可變）。

（8）多達(dá)47 個5V的通用I/O 口（LQFP64 封裝）。

（9）通過片內(nèi) PLL 可實現(xiàn)最大為60MHz 的CPU操作頻率，PLL的穩(wěn)定時間為 100us。

（10）可通過個別使能/禁止外部功能和降低外部時鐘來優(yōu)化功耗。

（11）CPU 操作電壓范圍：3.0～3.6 V （3.3 V+/- 10%），I/O 口可承受5V的最大電壓。

2.2 電源部分設(shè)計

電源模塊設(shè)計如圖3所示，供電模塊采用USB口取電，得到5V電源，然后經(jīng)過SPX1117-3.3給系統(tǒng)供電。選擇SPX1117 作為正向電壓調(diào)節(jié)器，器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應(yīng)用，當(dāng)輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。SPX1117可調(diào)節(jié)，以選擇1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的輸出電壓。SPX1117為提供多種3引腳封裝：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。一個10uF的輸出電容可有效 地保證穩(wěn)定性，然而在大多數(shù)應(yīng)用中，僅需一個更小的2.2uF電容。綜上所述，SPX1117-3.3可以滿足系統(tǒng)的供電需求，選用此芯片作為系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 模擬信號處理部分

信號調(diào)理模塊由調(diào)零、放大和濾波三部分功能電路組成。模塊接收傳感器的檢測信號，并對輸入信號進(jìn)行交直流耦合濾波、放大或衰減及輸出調(diào)零，提高輸入信號的信噪比和分辨率，使信號滿足后續(xù)電路對輸入信號的電平要求。傳感器所處檢測環(huán)境復(fù)雜，輸出的信號微弱，很容易受到檢測環(huán)境或者其他電氣干擾源的高頻信號干擾。采用信號調(diào)理模塊消除高頻干擾，并使所輸出的mV級信號放大到0到3.3V信號，以滿足A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓輸入要求。氨氮值檢測選用美國全球水公司公司的WQ201型氨氮值值傳感器，它采用玻璃復(fù)合電極原理制造，氨氮測量范圍廣，精度高，且具有溫度補償功能. 其中，信號調(diào)節(jié)采用雙運放差分電路，其檢測電路原理如圖3所示.

溶解氧檢測選用美國全球水公司的WQ401型溶解氧傳感器，其測量范圍為0到15mg，精度為± 0.1mg，工作溫度為-40到50℃，具有溫度補償?shù)裙δ? 其信號調(diào)理電路與氨氮值檢測電路基本一致。WQ401溶解氧傳感器堅固耐用、值得信賴。連接到7.6m的船舶級電纜，電纜最長可定制到150m。溶解氧傳感 器輸出為3線配置，4-20mA，使用船舶級環(huán)氧樹脂將電子部件完全封裝。

3 實驗結(jié)果與分析

本文設(shè)計的檢測電路流程為：系統(tǒng)上電后開始運行，然后開始初始化模塊，初始化模塊主要是初始化I/O口、配置LCD1602、配置系統(tǒng)時鐘、配置AD轉(zhuǎn)換的相關(guān)寄存器。在模塊都初始化完畢后，啟動一次AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功則繼續(xù)執(zhí)行程序，不成功則重新進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換，直到成功進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。然后保存數(shù)據(jù)后并讀取DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，讀取成功則繼續(xù)執(zhí)行程序，不成功則重復(fù)讀取，直到得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，處理然后在LCD1602液晶屏上顯示出來，完成后進(jìn)行下一輪while循環(huán)。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過實際的調(diào)查設(shè)計提出了一種較為有效的基于ARM的污水檢測器設(shè)計的實現(xiàn)方案，主要用嵌入式C語言開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序和AD繪制相關(guān)的程序原理圖。本設(shè)計選取了LPC2132的開發(fā)板和各種傳感器，通過實際的工作使得軟硬件系統(tǒng)配合起來，達(dá)到本設(shè)計的基于ARM的畜牧場污水檢測器設(shè)計的設(shè)計與實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo)?；贏RM的場污水檢測器設(shè)計是污水檢測現(xiàn)代化的必然趨勢，只有借助現(xiàn)代化的信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高管理的效率與能力，才能滿足實當(dāng)前社會快速變化的檢測工作的需要。智能的污水檢測系統(tǒng)是污水檢測的信息化管理平臺的重要組成部分。與傳統(tǒng)的依靠人力管理的污水檢測的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有成本低、易實現(xiàn)及管理簡單等特點，可以節(jié)約管理成本，提高管理效率，特別適用于環(huán)保部門和相關(guān)工廠自查。同時該基于ARM的畜牧場污水檢測器設(shè)計選用的設(shè)備及開發(fā)平臺具有很好的通用性、兼容性及易移植性。其市場前景廣闊，具有一定的推廣價值。就目前的科技水平來說，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)很成熟，但仍有很多方面需要完善。

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作者簡介：

汪秋婷，女（1982.8-），漢族，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向：自動控制系統(tǒng)

基金項目：杭州市科技計劃項目（20160432B27）