趙　瑾，葉曉劍，吳葉蘭，廉小親，段振剛

(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京　100048)

0　引言

長期以來，油類物質(zhì)一直是重要的水污染源。食用含有石油類物質(zhì)的水不僅會(huì)對人們的健康構(gòu)成威脅，而且排放到水中的油類污染物會(huì)致使水質(zhì)惡化，嚴(yán)重破壞水體生態(tài)平衡。只有了解水質(zhì)的污染程度才能制定出解決方案，因此準(zhǔn)確地檢測出水體中油含量是掌握水質(zhì)變化、治理油污染、保護(hù)生態(tài)平衡必不可缺的手段[1]。但是，目前我國檢測手段相對落后，與國際先進(jìn)水平還存在一定的差距，難以測出精確的數(shù)據(jù)。為此，對水污染檢測技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，研制出了一種基于STM32的紅外分光測油儀，它能夠?qū)λ械V物油和動(dòng)植物油的含量進(jìn)行檢測并具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，為我國各級環(huán)境監(jiān)測站鑒定水質(zhì)污染程度提供了可靠的技術(shù)支持和精確的測量手段。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．1工作原理

紅外分光測油儀的設(shè)計(jì)是基于光學(xué)中的朗伯-比耳定律，該定律可以表述為：當(dāng)一束平行單色光垂直射入含有吸收物質(zhì)的溶液時(shí)，溶液的吸光度與吸收物質(zhì)的濃度成正比。朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表示式為：

A=log(1/T)=log(I0/I)=K·b·c

(1)

式中：A為待測物質(zhì)的吸光度；T為透過率，T=(I0/I)×100%；I0為入射單色光強(qiáng)度；I為透射光強(qiáng)度；K為吸光系數(shù)；b為液層厚度；c為樣品濃度。

通常，油中含有多種有機(jī)物，組成成分較為復(fù)雜，可以分為石油類和動(dòng)植物油類。對于特定種類的油，其組分穩(wěn)定，且各組分的含量一定，所以特定種類的油對特定波長的光的吸收能力也是確定的，即其吸光系數(shù)為常量[2]。當(dāng)液層厚度b一定時(shí)，K·b也為常量，由式(1)可知，只要測出入射光強(qiáng)度I0和透射光強(qiáng)度I，便可求出吸光度A．而吸光度A又與濃度c呈線性關(guān)系，根據(jù)二者之間的關(guān)系作圖，可以得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，由該曲線就可以根據(jù)吸光度求出樣品濃度，這樣就把對樣品濃度的測量轉(zhuǎn)化成了對吸光度的測量，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1．2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

紅外分光測油儀主要由濾光系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、STM32控制系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)4部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

油類物質(zhì)分子一般含有亞甲基(-CH2)、(甲基-CH3)和芳香環(huán)中的(-CH)鍵，這些-CH鍵分別對波數(shù)為2 930 cm-1、2 960 cm-1和3 030 cm-1的光具有明顯的吸收作用，而用來萃取水樣中油份的CCl4溶液在這三個(gè)波數(shù)附近基本不吸收[3]。這樣，首先將用作參比溶液的CCl4溶液放到比色皿池中，光源鹵鎢燈發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)由凸透鏡聚焦到單色器上，由單色器分離成一定波長的紅外光。紅外光經(jīng)過CCl4溶液照射到光電轉(zhuǎn)換模塊中的熱釋電偶傳感器上，由該傳感器將紅外光攜帶的熱能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過放大和濾波處理以后，進(jìn)入STM32單片機(jī)的A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，最后再通過USB串口將轉(zhuǎn)化好的數(shù)字信號(hào)上傳給上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)完成對這些數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。接下來，再將用CCl4溶液萃取好的樣品溶液放入比色皿池中，對其對應(yīng)的光信號(hào)進(jìn)行同樣的采集、上傳處理。由于CCl4溶液不含可以吸收紅外光的物質(zhì)，而萃取液含有一些可以吸收紅外光的官能團(tuán)，所以紅外光經(jīng)過萃取液時(shí)會(huì)被吸收一部分。上位機(jī)根據(jù)這兩次A/D采集數(shù)據(jù)之間的差異，結(jié)合朗伯-比爾定律，利用式(1)計(jì)算出樣品中總油對紅外光的吸光度，然后再按照《HJ637-2012》標(biāo)準(zhǔn)中的方法對萃取后的樣品溶液進(jìn)行處理，就可以分別求出水樣中總油、石油類和動(dòng)植物油類的濃度，根據(jù)這些濃度指標(biāo)就可以對水質(zhì)的污染情況進(jìn)行判斷。

圖1　整體結(jié)構(gòu)框圖

2　紅外分光測油儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1濾光系統(tǒng)

為了得到波數(shù)為2 930 cm-1、2 960 cm-1和3 030 cm-1的紅外光，需要對光源發(fā)出的復(fù)合光進(jìn)行波長掃描，濾光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是為了達(dá)到這個(gè)目的。該系統(tǒng)主要由光源鹵鎢燈、凸透鏡和單色器三部分組成，工作原理圖如圖2所示[4]。系統(tǒng)工作原理為：光源發(fā)出的復(fù)合光通過凸透鏡聚焦進(jìn)入單色器的入射狹縫處，由球面反射鏡M1使入射光變成平行光射向光柵。由于光柵表面有著細(xì)密的狹縫，能夠?qū)⑦B續(xù)的復(fù)色光色散成各個(gè)波長分離的單色光，單色光經(jīng)球面反射鏡M2反射后匯聚成像在不同的位置。為了使用方便，將儀器的入射狹縫和出射狹縫固定不變，通過步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，各路出射光的像點(diǎn)也會(huì)跟著移動(dòng)，相應(yīng)波長的光就會(huì)依次從出射狹縫射出，進(jìn)入比色皿池中。這樣只需控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就可以實(shí)現(xiàn)波長的自動(dòng)掃描，得到波數(shù)為2 930 cm-1、2 960 cm-1和3 030 cm-1的紅外光。

圖2　濾光系統(tǒng)工作原理圖

2．2信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)調(diào)理模塊2部分組成。從比色皿中透射出的光信號(hào)首先由光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；電信號(hào)再由信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波處理轉(zhuǎn)換成一定電壓范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)最終進(jìn)入到STM32的A/D模塊中實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2．2．1光電轉(zhuǎn)換模塊

由紅外分光測油儀的工作原理可知，需要測出水樣在波數(shù)為2 930 cm-1、2 960 cm-1和3 030 cm-1處的吸光度，故選取的熱釋電偶傳感器探測的光譜范圍需在3 300．33～3 412．97 nm之間。這里選擇紅外光電導(dǎo)探測器硒化鉛(PbSe)作為傳感器，它能將接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，探測范圍為1 000～7 000 nm，峰值波長為4 000 nm，能夠滿足設(shè)計(jì)要求并且具有較高的響應(yīng)速度和精準(zhǔn)的探測度。由PbSe傳感器的工作特性可知，它對光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以后輸出的物理量是電阻，隨著光照強(qiáng)度的不同，輸出阻值的大小也隨之改變。為了方便這一模擬信號(hào)的采集設(shè)計(jì)了一個(gè)恒流電源，將它與PbSe傳感器串聯(lián)就可以將對電阻量的采集轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫康牟杉?。光電轉(zhuǎn)換模塊電路見圖3。

圖3　光電轉(zhuǎn)換模塊電路圖

由于圖3中三端可調(diào)的恒流源器件LM334只在恒溫時(shí)才是恒流的，為了避免電路中溫度變化對恒流性能帶來的影響，根據(jù)其工作特性曲線，在電路中加入了一個(gè)二極管1N457和電阻R1[5]，利用PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)對LM334的正溫度系數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償，取得了良好的恒流效果，保證了測量的精度。

2．2．2信號(hào)調(diào)理模塊

經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)僅為幾十mV，因此需在電路中加入前置放大器將該電壓信號(hào)放大到STM32電壓采集的范圍。在這里選用了AD620放大器，它的最大工作電流為1．3 mA，共模抑制比較高為93 dB，具有增益調(diào)節(jié)方便、噪聲低、精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]，使用時(shí)僅需要一個(gè)外部滑動(dòng)電阻就可以調(diào)節(jié)1～10 000的增益，方便外圍電路的設(shè)計(jì)。

同時(shí)，為了得到需要的電壓信號(hào)還對放大后的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。傳統(tǒng)測油儀對光源的調(diào)制都是通過高速電機(jī)對光源進(jìn)行切光操作來實(shí)現(xiàn)的，容易產(chǎn)生大量的雜波信號(hào)，所以信號(hào)處理部分需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的濾波電路，而該設(shè)計(jì)采用了一種新的調(diào)制方法。該方法通過軟件控制鹵鎢燈以一定的周期閃爍，單片機(jī)在采集鹵素?zé)袅習(xí)rPbSe傳感器獲取的模擬量的同時(shí)也采集鹵素?zé)魷鐣r(shí)的模擬量，然后再將這兩個(gè)模擬量作差就可以得到光照強(qiáng)度的變化。由于傳感器得到的模擬量的變化頻率是跟鹵素?zé)舻墓ぷ黝l率一樣，所以用一個(gè)低通濾波器就可以濾除電路中的高頻信號(hào)。

此外，由于放大電路中AD620放大器的輸出阻抗較高，如果后級的輸入阻抗比較小，信號(hào)就會(huì)有很大一部分損耗在放大電路中的輸出電阻上。為了避免這種消耗，在STM32的A/D采集口前加入OPA2340單電源運(yùn)放進(jìn)行直流電壓的緩沖和阻抗的變換。OPA2340是一種單電源輸入/輸出精密運(yùn)放，采用了CMOS工藝，輸入阻抗高，噪聲低，軌上死區(qū)極小，可以在單電源供電的情況下實(shí)現(xiàn)良好的直流電壓緩沖，非常適合A/D采樣前的電壓緩沖和放大。整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路見圖4。

圖4　信號(hào)調(diào)理電路

2．3STM2控制模塊

控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、電機(jī)復(fù)位模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、A/D采集模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊和USB接口模塊?？紤]到主控電路主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，選用了STM32F103RB芯片作為系統(tǒng)的微處理器。它采用了先進(jìn)的ARMCortex-M3內(nèi)核，不僅運(yùn)行速度高、處理能力強(qiáng)，還自帶16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器和USB2．0全速接口[7]，不需要外加A/D采樣芯片和USB通信芯片，僅需一片STM32F103RB處理器和一些常見的外圍模塊就可以完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本。當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)就通過USB接口模塊向STM32控制系統(tǒng)發(fā)送采集命令，控制系統(tǒng)接收到命令以后就啟動(dòng)電機(jī)復(fù)位模塊，將步進(jìn)電機(jī)復(fù)位到初始位置，便于程序的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)。采集開始時(shí)控制系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制濾光系統(tǒng)進(jìn)行波長的掃描，得到特定波長的紅外光；紅外光被比色皿池中的溶液吸收之后經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊的處理進(jìn)入到A/D采集模塊，完成模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再通過USB接口模塊上傳到上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)完成后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理。

3　STM32控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32控制系統(tǒng)軟件部分在IAR開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編寫。為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和修改，軟件程序的設(shè)計(jì)方面采用了功能程序模塊化的設(shè)計(jì)思路。主要的功能模塊包括系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。系統(tǒng)的主程序就是在不斷地循環(huán)調(diào)用這些子模塊以實(shí)現(xiàn)對軟、硬件資源的有機(jī)管理。

由于水樣中油的濃度在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，將入射光和透射光強(qiáng)度的采集間隔設(shè)為30 ms，分別采集100次，采集到的數(shù)據(jù)由STM32處理器送到上位機(jī)，然后再由上位機(jī)利用中值濾波算法求出平均值，再根據(jù)式(1)完成樣品中油濃度的計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。由于篇幅的問題，上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)這里不再詳述。STM32控制系統(tǒng)主程序流程圖和采集模塊流程圖分別如圖5、圖6所示。

圖5　系統(tǒng)主程序流程圖

圖6　采集模塊程序流程圖

4　結(jié)束語

隨著石油的大量開采和廣泛使用，石油類物質(zhì)對水體的污染已成為一個(gè)越來越嚴(yán)重的問題。加強(qiáng)對水中油類污染檢測技術(shù)的研究，是為人們營造健康的生活環(huán)境，保護(hù)生態(tài)平衡必不可少的措施，具有重要的社會(huì)價(jià)值。文中在對紅外吸收光度法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高精度紅外測油儀，該儀器采用STM32微控制器，把對樣品濃度的測量轉(zhuǎn)化成了對吸光度的測量，可以準(zhǔn)確檢測出水中總油、礦物油和動(dòng)植物油的含量，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，為水體中油污染的治理提供了可靠依據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景和科學(xué)研究價(jià)值。

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