基于Freescale的水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)的設(shè)計

麻銳敏

摘 ? 要：針對水質(zhì)污染情況的嚴重性和水質(zhì)主要污染源之一的氨氮缺乏實時檢測的情況，設(shè)計了一套基于Freescale單片機芯片的水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)，可以實時和快速地計算出水質(zhì)中氨氮的含量。檢測系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計主要包括微處理器模塊、溫度控制模塊、存儲模塊、信號采集模塊以及通信模塊的電路設(shè)計，軟件部分對不同的模塊進行程序設(shè)計以及上位機軟件平臺的開發(fā)。最后對整個系統(tǒng)進行實驗測試，實驗結(jié)果表明檢測系統(tǒng)可以滿足氨氮檢測的精度要求。

關(guān)鍵詞：水質(zhì);氨氮檢測;Freescale;設(shè)計;實驗

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Design of Ammonia Nitrogen Detection System

for Water Quality Based on Freescale

MA Rui-min？覮

（Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，Baoji，Shaanxi 721001，China）

Abstract： In view of the seriousness of water pollution and the real-time detection of ammonia nitrogen，one of the main pollution sources of water quality，a set of ammonia nitrogen detection system based on Freescale is designed，which can calculate the content of ammonia nitrogen in the water quality in real time and quickly. The hardware design of the detection system mainly includes the microprocessor module，the temperature control module，the storage module，the signal acquisition module and the circuit design of the communication module. The software part is designed for different modules and the development of the upper computer software platform. Finally，the whole system is tested. The experimental results show that the system can meet the accuracy requirement of ammonia nitrogen detection.

Keywords： water quality;ammonia nitrogen detection;Freescale;design;experiment

雖然我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，社會不斷進步，但是水質(zhì)污染問題日趨嚴重，其中，氨氮污染就是水質(zhì)重要的污染源之一。中國環(huán)保部的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國2014年氨氮總排放量為283.5噸，這必將對重要水體帶來污染。因此，能夠快速、實時、精確的檢測出水源中氨氮含有量對于保護水資源和保障人們用水安全至關(guān)重要。本文選用飛思卡爾微處理器為控制核心，設(shè)計了一套水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程對氨氮進行實時、準確檢測，給水質(zhì)保護提供有效的監(jiān)測信息。

1 ? 水質(zhì)氨氮檢測的方法

水質(zhì)氨氮存在與水質(zhì)的形式為呈現(xiàn)游離態(tài)的氨和離子態(tài)的氮，兩者的比例由水溫和PH值決定。目前，對于水質(zhì)氨氮檢測的方法有如下幾種方法，它們有各自的使用范圍和優(yōu)缺點，見表1。

從表中可以看出，氨氣敏電極法相比其它的三種方法，具有測量范圍廣，測量精度高，測量程序簡單的優(yōu)點，且缺點不是很明顯。因此，本系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)環(huán)境的設(shè)計要求，選擇氨氣敏電極法對水質(zhì)氨氮含量進行檢測。

2 ? 系統(tǒng)概述

根據(jù)氨氮檢測系統(tǒng)的要求，本文選擇飛思卡爾MC9S12XS128單片機芯片作為微處理器，控制系統(tǒng)中的溫度控制模塊、信號采集模塊、通信模塊和風機控制模塊等，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。溫度控制模塊主要負責對信號采集模塊采集的溫度信號進行恒溫控制，避免溫度變化對測量結(jié)果帶來誤差。信號采集模塊主要采集氨氮信號和溫度信號等。通信模塊作為系統(tǒng)與上位機通信的媒介，保證采集信號的實時傳輸。存儲模塊就是將采集到的數(shù)據(jù)信息進行存儲，保證數(shù)據(jù)有效的保存。

3 ? 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

系統(tǒng)微控制器部分選擇飛思卡爾的MC9S12XS128芯片作為中央處理器，該芯片有112個管腳，供電電源為5 V，外部連接與16 MHz晶振相連，經(jīng)過倍頻可以達到80 MHz，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。微控制器控制著整個系統(tǒng)的運行，包括：溫度控制模塊、存儲控制模塊、信號采集模塊以及通信模塊。

3.1 ? 信號采集模塊的電路設(shè)計

系統(tǒng)信號采集模塊采集的溫度傳感器的信號，以保證待檢測水質(zhì)的恒溫控制;采集的氨氣敏電極的信號，可以計算出水質(zhì)中氨氮含有量。系統(tǒng)的信號采集，考慮到兩種不同采集信號，氨氣敏電極信號的采集時考慮到誤差干擾，電路設(shè)計的時候選擇了AD8603緩沖放大器，可以有效的較少失調(diào)誤差，保證采集信號的精度。而溫度采集選擇PT100的溫度傳感器，適用溫度范圍為1-100℃，傳感器的電阻變化范圍為100-138 Ω，產(chǎn)生電壓信號變化范圍為210-290 mV。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇了AD7793芯片，該芯片噪聲低，精度高，可以精確地將氨氣敏電極的信號和溫度信號進行AD轉(zhuǎn)換。信號采集模塊的電路原理圖，如圖2所示，可以實現(xiàn)精準采集溫度信號和氨氣敏電極信號，是系統(tǒng)對水質(zhì)氨氮檢測的核心部分。

3.2 ? 溫度控制模塊的電路設(shè)計

系統(tǒng)的溫度控制就是對待測量水質(zhì)進行恒溫控制。溫度控制模塊包括電機攪拌控制部分和加熱棒控制兩個部分組成。電機攪拌控制部分就選擇兩相步進電機，通過微控制器發(fā)出的控制信號驅(qū)動步進電機，可以實現(xiàn)對待測量水質(zhì)進行攪拌。當收到微控制器加熱信號之后，加熱棒控制部分就會啟動，給待測水質(zhì)加熱，并且可以實現(xiàn)待測水質(zhì)的恒溫控制。

3.3 ? 存儲模塊的電路設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲主要是將系統(tǒng)的配置參數(shù)和測量數(shù)據(jù)存儲起來，存儲模塊的任務(wù)就是存儲這些數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)完整性和有效性。本文選擇的外部存儲芯片是由ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C512外部存儲芯片，存儲容量為512 K，與微控制器通過IIC協(xié)議進行通信。存儲模塊的電路原理圖，如圖3所示，圖中端口5和6分別通過上拉電阻連接到微控制器上，然后通過為控制IO口的通信時序，可以實現(xiàn)微控制器與存儲模塊的數(shù)據(jù)傳遞。

3.4 ? 通信模塊的電路設(shè)計

通信模塊是將現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)信息通過串口通信模塊傳遞到上位機上面，實現(xiàn)對水質(zhì)中氨氮濃度的遠程監(jiān)測。由于微控制器的通信接口是RS232接口，就需要通過RS232轉(zhuǎn)換成RS485，然后通過RS485通信芯片SN65LBC184，實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊的電路原理圖，如圖4所示。

4 ? 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計包括了上位機的軟件設(shè)計以及各控制模塊的程序設(shè)計等。上位機的軟件開發(fā)在VC6.0的開發(fā)環(huán)境中，采用VC++編程語言，包括了系統(tǒng)的參數(shù)配置部分和用戶交互部分等，實現(xiàn)了人機交互，簡單方便快捷。系統(tǒng)的下位機軟件設(shè)計基于CodeWarrior軟件開發(fā)環(huán)境中，是飛思卡爾微處理器的軟件開發(fā)人員設(shè)計和調(diào)試的重要軟件設(shè)計平臺。

4.1 ? 信號采集模塊的程序設(shè)計

信號采集模塊的程序設(shè)計流程圖，如圖5所示，對于傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程。進入信號采集程序之后，首先進行寄存器增益、模擬輸入通道等信息的配置，然后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，等到模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，讀取寄存器中的相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以得到相應(yīng)的模擬量數(shù)據(jù)。

4.2 ? 通信模塊程序設(shè)計

水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)的通信模塊程序設(shè)計包括串口通信模塊發(fā)送和接收兩個部分。通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計流程圖，如圖6所示，通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先進入中斷服務(wù)程序中，然后啟動通信發(fā)送程序，判斷通信總線是否空閑，如果總線空閑，在總線不沖突的情況下，將數(shù)據(jù)發(fā)送完成。通信模接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計流程則是，當檢測到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號時，系統(tǒng)發(fā)出通信中斷命令請求，進入中斷后按照接收協(xié)議，接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

4.3 ? 溫度控制模塊程序設(shè)計

考慮到溫度變化會對蛋蛋檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，系統(tǒng)對溫度的控制十分嚴格。溫度控制模塊程序設(shè)計流程圖，如圖7所示，首先獲取實際溫度和參考溫度值，計算得出溫度偏差e，通過PID控制算法，計算控制量后輸出，控制系統(tǒng)溫度值。

5 ? 系統(tǒng)調(diào)試和試驗測試

經(jīng)過對系統(tǒng)軟件、硬件部分的設(shè)計之后，搭建了水質(zhì)氨氮檢測試驗平臺，并經(jīng)過多次試驗測試發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)選擇在恒溫20 ℃環(huán)境下，對水質(zhì)中氨氮含量進行檢測分析。試驗過程中，待檢測6種樣品的氨氮含量均為已知，分別用檢測系統(tǒng)氨氮濃度檢測，檢測結(jié)果見表2。從表中可以發(fā)現(xiàn)，對不同樣品的檢測，實際濃度值和檢測濃度值之間的偏差在設(shè)計范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。

6 ? 結(jié) ? 論

針對目前水質(zhì)污染情況的日趨嚴重性，設(shè)計了基于飛思卡爾的水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)。經(jīng)過對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計之后，搭建了氨氮檢測試驗平臺，經(jīng)過多次試驗之后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以遠程實時、精確的檢測出水質(zhì)中的氨氮濃度，為水質(zhì)的濃度實時監(jiān)測提供了有力的技術(shù)保障。

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