龐 立，朱莉莉

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便攜式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龐 立1，朱莉莉2

（1.海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島266520；2.青島市光電工程技術(shù)研究院，山東青島 266109）

本文針對(duì)海洋環(huán)境中的溫度、酸堿度、鹽度及溶解氧多個(gè)參數(shù)對(duì)象，以STM32F103 ARM為核心控制器設(shè)計(jì)了多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)四個(gè)參數(shù)的數(shù)值，并通過藍(lán)牙無線傳輸將數(shù)值顯示在上位機(jī)的LCD上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該設(shè)計(jì)可以對(duì)海洋環(huán)境的多參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、便攜的監(jiān)測(cè)。

多參數(shù) ARM 無線傳輸

0 引言

海洋石油平臺(tái)所處的環(huán)境為海洋環(huán)境，海洋環(huán)境對(duì)鋼鐵的腐蝕是內(nèi)陸環(huán)境的4~5倍，為惡劣的腐蝕環(huán)境。海洋環(huán)境中海水的溫度、鹽度、溶解氧等因素對(duì)鋼鐵的腐蝕有重要的影響：鹽類會(huì)加快海洋石油平臺(tái)的腐蝕速率，含鹽堿性較高的海水為腐蝕提供了電解質(zhì)，加快了海洋石油平臺(tái)的腐蝕過程[1][2]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)海水的溫度、PH值、鹽度等參數(shù)，為海洋石油平臺(tái)的腐蝕環(huán)境提供客觀的條件數(shù)據(jù)是非常必要的。

本文設(shè)計(jì)了一套便攜式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于對(duì)海水中的多種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、存儲(chǔ)及預(yù)警，可以用于海洋石油平臺(tái)及其他有監(jiān)測(cè)需求的海洋作業(yè)場(chǎng)所。

1 系統(tǒng)組成

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上位機(jī)（顯示表頭）和下位機(jī)（水下傳感器）組成。上位機(jī)主要完成水質(zhì)參數(shù)數(shù)值的顯示、存儲(chǔ)、預(yù)警功能。下位機(jī)由STM32F103 ARM核心控制器[3]、外圍處理電路及溫度、PH、溶解氧、鹽度探頭組成，主要完成采集、處理和存儲(chǔ)各水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

傳感器的選型如表1所示。溫度和鹽度傳感器的輸出直接接入ARM，PH傳感器和溶解氧傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過放大電路處理后接入控制器的A/D接口轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便控制器的處理。

下位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的控制器。上位機(jī)的核心控制器采用STM32F103 ARM，可選擇顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或者是歷史數(shù)據(jù)，將測(cè)量結(jié)果顯示在LCD上并同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在SD存儲(chǔ)卡中。LCD、SD卡模塊通過SPI口與ARM連接；藍(lán)牙模塊通過串口與ARM連接；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊通過普通I/O口與ARM連接；電源通過降壓電路為ARM及各器件供電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1PH傳感器信號(hào)處理電路

PH值測(cè)量的重點(diǎn)在于前端信號(hào)的處理。由于復(fù)合PH電極的內(nèi)阻很高（玻璃電極的內(nèi)阻可高達(dá)到Ω），因此處理電路的關(guān)鍵是運(yùn)放的輸入阻抗需高于傳感器的內(nèi)阻，才能實(shí)現(xiàn)高阻抗的輸入，得到正確的電壓信號(hào)。

本設(shè)計(jì)選用TLC 4502CD 高精度高阻抗運(yùn)放[4]，其輸入阻抗Ω（常溫25℃下），失調(diào)電壓0.1mV, 工作電壓范圍4~6V。PH值傳感器信號(hào)處理電路原理圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

PH傳感器輸出的相對(duì)電壓信號(hào)是信號(hào)電極與參比電極的電壓差。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)被測(cè)溶液PH值>7時(shí)，輸出電壓為負(fù)值；當(dāng)被測(cè)溶液PH值<7時(shí)，輸出電壓為正值；當(dāng)被測(cè)溶液PH值為7時(shí)，輸出電壓為0。為避免負(fù)電壓值的出現(xiàn)，滿足運(yùn)算放大器的單電源供電，需選擇合適的參比電極（PH-輸入）電壓值，即可以使得信號(hào)電極（PH+輸入）電壓恒為正值。電極輸出的電壓經(jīng)過運(yùn)放的放大功能，使其達(dá)到ARM A/D轉(zhuǎn)換所需電壓范圍，以供ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2溶解氧傳感器信號(hào)處理電路

本設(shè)計(jì)采用熒光法溶解氧傳感器，該種傳感器可以避免消耗水體中的溶解氧，且穩(wěn)定性更高、使用壽命更長。由于傳感器輸出的是0~20mA的弱電流信號(hào)，需要經(jīng)過信號(hào)處理電路使其達(dá)到ARM A/D轉(zhuǎn)換所需電壓范圍，以供ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，電路原理圖如圖3所示。

采用TLC 4502CD 高精度高阻抗運(yùn)放，為抑制共模輸入信號(hào)，放大電路采用反向比例放大形式，運(yùn)放的一路用于I/V轉(zhuǎn)換，另一路用于將負(fù)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為正電壓信號(hào)。

圖3溶解氧傳感器信號(hào)處理電路

2.3電源模塊設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)是一切電子設(shè)備的核心部分，負(fù)責(zé)給各部件提供穩(wěn)定的直流電壓，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的精度具有重要影響。電池為系統(tǒng)提供主電源，為滿足長時(shí)間工作要求，采用可充電聚合物裡電池，電量為2000 mA時(shí)以上，電池通過穩(wěn)壓電源芯片LT3970-3.3將直流電壓降為3.3 V為系統(tǒng)各器件提供供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩大部分。上位機(jī)用于顯示傳感器的數(shù)值，包括LCD顯示子程序、按鍵子程序、SD卡存取子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序和藍(lán)牙通訊子程序。首先上位機(jī)完成初始化后，通過藍(lán)牙模塊與下位機(jī)進(jìn)行通訊連接，選擇是傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)還是歷史數(shù)據(jù)，從而顯示不同的數(shù)據(jù)，其軟件流程圖如圖4所示。

圖4上位機(jī)軟件流程圖

下位機(jī)用于采集傳感器的數(shù)據(jù)，包括A/D轉(zhuǎn)換子程序、SD卡存取子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序和藍(lán)牙通訊子程序。初始化完成后，判斷是否有藍(lán)牙通訊連接，若沒有，則每30分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)保存在SD卡中，若有藍(lán)牙通訊連接，則根據(jù)要求向上位機(jī)傳輸實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)或者是SD卡中保存的歷史數(shù)據(jù)，其軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了便攜式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其以STM32F103 ARM 為核心控制器，搭載獨(dú)立式溫度傳感器、工業(yè)在線PH傳感器、在線鹽度傳感器和熒光法溶解氧傳感器用于測(cè)量水質(zhì)的溫度、酸堿度、鹽度和溶解氧，其檢測(cè)精度分別為±0.2℃、±0.1 PH、±0.1 PPT和±0.2 mg/L。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)簡單便攜、測(cè)量準(zhǔn)確，可以滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要。

圖5下位機(jī)軟件流程圖

[1] 彭壯，徐磊，王君正. 海上油氣田的腐蝕與防護(hù)[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量.

[2] 陳勝利，蘭志剛，宋積文. 海洋石油平臺(tái)的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]. 石油與天然氣.

[3] 孫書鷹，陳志佳，寇超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

[4] 王瑞蘭. 自動(dòng)校準(zhǔn)精密運(yùn)算放大器TLC450X系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 國外電子元器件.

Design of Portable Multi-parameters Water Quality Monitoring System

Pang Li1, Zhu Lili2

(1. Offshore Oil Engineering (Qingdao) Company Limited, Qingdao 266520, Shandong, China;2. Qingdao Academy for Opto-Electronics Engineering, Qingdao 266109, Shandong, China)

TM934

A

1003-4862（2017）05-0037-03

2017-01-15

龐立（1983-），男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程的檢驗(yàn)。