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(chǎng)污水處理系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。儀器以LPC2132為核心單元，對(duì)生態(tài)化的畜牧場(chǎng)的污水處理過程中3個(gè)比較重要的參數(shù)，溫度、溶解氧含量和氨氮含量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量，儀器可以與時(shí)間一起建立時(shí)間序列的成組數(shù)據(jù)。儀器可以就地測(cè)量顯示存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，也采用了液晶實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)，儀器中采用卡爾曼濾波算法對(duì)其中的氨氣敏電極測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了測(cè)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(cè)，無色卡爾曼濾波

引言

水質(zhì)監(jiān)測(cè)就是通過人工或儀器設(shè)備監(jiān)視和測(cè)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(shì)，通過各種方法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程。目前，我國(guó)的水質(zhì)檢測(cè)儀器主要以當(dāng)參數(shù)向多參數(shù)檢測(cè)儀過度，其中多參數(shù)檢測(cè)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(guó)外，因此，對(duì)水質(zhì)檢測(cè)儀的研究業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)前水質(zhì)檢測(cè)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(cè)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(cè)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和控制；

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

（3）在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方法方面，做到綜合性越來越強(qiáng)，靈敏度越來越高和監(jiān) 測(cè)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(duì)象是基于ARM的畜牧場(chǎng)水質(zhì)的檢測(cè)系統(tǒng)，在結(jié)合國(guó)內(nèi)外水質(zhì)檢測(cè)儀發(fā)展以及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)水質(zhì)檢測(cè)的技術(shù)進(jìn)行了研究。本文主要設(shè)計(jì)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的信號(hào)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(shí)現(xiàn)多參數(shù)的信號(hào)采集，采用 ARM 芯片模擬前端處理電路對(duì)多參數(shù)的采集信號(hào)進(jìn)行處理，通過液晶顯示屏對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和操作等可視化信息管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文選用分光光度法來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的氨氮情況。分光光度法是通過測(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)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(cè)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(duì)波長(zhǎng)400-425nm范圍內(nèi)的光具有強(qiáng)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(cè)定溶液在特定波長(zhǎng)處或在一定波長(zhǎng)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(cè)一般采用傳感器。監(jiān)測(cè)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(cè)量，但精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，對(duì)于監(jiān)測(cè)1℃的溫度信號(hào)是不適用的；熱電偶精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)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(shí)，許多魚類呼吸困難；當(dāng)溶解氧在2mg/L以下時(shí)，水體會(huì)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(duì)水質(zhì)中溶解氧進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與要求，采用如下的設(shè)計(jì)方案：

（1）傳感器采集到的水溫、氨氮和溶解氧是哪個(gè)參數(shù)信號(hào)等3路模擬量，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)入LPC2132，LPC2132對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換成可以顯示的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、氨氮和溶解氧三個(gè)參數(shù)的型號(hào)測(cè)量；

（2）裝置采用模塊式結(jié)構(gòu)，模塊式結(jié)構(gòu)具有相對(duì)可靠、靈活、穩(wěn)定和高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，而且給現(xiàn)場(chǎng)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(jì)如圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)器系統(tǒng)。該存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程可通過幾種方法來實(shí)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(yùn)行時(shí)對(duì)FLAH進(jìn)行擦除和/或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)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(chǔ)器就可用來存放用戶代碼。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)基于ARM的污水檢測(cè)電路如圖1所示，主芯片選擇LPC2132，檢測(cè)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(shí)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(shí)間為 400ms，1ms 可編程 256 字節(jié)。

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

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

（6）2 個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)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(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、 2個(gè)高速 I2C 接口（400 kbit/s）、 SPITM 和 SSP（具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變）。

（8）多達(dá)47 個(gè)5V的通用I/O 口（LQFP64 封裝）。

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

（10）可通過個(gè)別使能/禁止外部功能和降低外部時(shí)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(jì)

電源模塊設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)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(gè)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(hào)處理部分

信號(hào)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(cè)信號(hào)，并對(duì)輸入信號(hào)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(hào)的信噪比和分辨率，使信號(hào)滿足后續(xù)電路對(duì)輸入信號(hào)的電平要求。傳感器所處檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，輸出的信號(hào)微弱，很容易受到檢測(cè)環(huán)境或者其他電氣干擾源的高頻信號(hào)干擾。采用信號(hào)調(diào)理模塊消除高頻干擾，并使所輸出的mV級(jí)信號(hào)放大到0到3.3V信號(hào)，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(cè)選用美國(guó)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(cè)量范圍廣，精度高，且具有溫度補(bǔ)償功能. 其中，信號(hào)調(diào)節(jié)采用雙運(yùn)放差分電路，其檢測(cè)電路原理如圖3所示.

溶解氧檢測(cè)選用美國(guó)全球水公司的WQ401型溶解氧傳感器，其測(cè)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(bǔ)償?shù)裙δ? 其信號(hào)調(diào)理電路與氨氮值檢測(cè)電路基本一致。WQ401溶解氧傳感器堅(jiān)固耐用、值得信賴。連接到7.6m的船舶級(jí)電纜，電纜最長(zhǎng)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(jí)環(huán)氧樹脂將電子部件完全封裝。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路流程為：系統(tǒng)上電后開始運(yùn)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(shí)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(dòng)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(jì)通過實(shí)際的調(diào)查設(shè)計(jì)提出了一種較為有效的基于ARM的污水檢測(cè)器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，主要用嵌入式C語言開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和AD繪制相關(guān)的程序原理圖。本設(shè)計(jì)選取了LPC2132的開發(fā)板和各種傳感器，通過實(shí)際的工作使得軟硬件系統(tǒng)配合起來，達(dá)到本設(shè)計(jì)的基于ARM的畜牧場(chǎng)污水檢測(cè)器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于ARM的場(chǎng)污水檢測(cè)器設(shè)計(jì)是污水檢測(cè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，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(shí)當(dāng)前社會(huì)快速變化的檢測(cè)工作的需要。智能的污水檢測(cè)系統(tǒng)是污水檢測(cè)的信息化管理平臺(tái)的重要組成部分。與傳統(tǒng)的依靠人力管理的污水檢測(cè)的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有成本低、易實(shí)現(xiàn)及管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，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(shí)該基于ARM的畜牧場(chǎng)污水檢測(cè)器設(shè)計(jì)選用的設(shè)備及開發(fā)平臺(tái)具有很好的通用性、兼容性及易移植性。其市場(chǎng)前景廣闊，具有一定的推廣價(jià)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(jiǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)

基金項(xiàng)目：杭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20160432B27）