麻銳敏

摘 ? 要：針對(duì)水質(zhì)污染情況的嚴(yán)重性和水質(zhì)主要污染源之一的氨氮缺乏實(shí)時(shí)檢測(cè)的情況，設(shè)計(jì)了一套基于Freescale單片機(jī)芯片的水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)和快速地計(jì)算出水質(zhì)中氨氮的含量。檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)主要包括微處理器模塊、溫度控制模塊、存儲(chǔ)模塊、信號(hào)采集模塊以及通信模塊的電路設(shè)計(jì)，軟件部分對(duì)不同的模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)系統(tǒng)可以滿足氨氮檢測(cè)的精度要求。

關(guān)鍵詞：水質(zhì);氨氮檢測(cè);Freescale;設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，社會(huì)不斷進(jìn)步，但是水質(zhì)污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，其中，氨氮污染就是水質(zhì)重要的污染源之一。中國(guó)環(huán)保部的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2014年氨氮總排放量為283.5噸，這必將對(duì)重要水體帶來(lái)污染。因此，能夠快速、實(shí)時(shí)、精確的檢測(cè)出水源中氨氮含有量對(duì)于保護(hù)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(jì)了一套水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)氨氮進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)，給水質(zhì)保護(hù)提供有效的監(jiān)測(cè)信息。

1 ? 水質(zhì)氨氮檢測(cè)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(duì)于水質(zhì)氨氮檢測(cè)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(diǎn)，見(jiàn)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(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高，測(cè)量程序簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，且缺點(diǎn)不是很明顯。因此，本系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)環(huán)境的設(shè)計(jì)要求，選擇氨氣敏電極法對(duì)水質(zhì)氨氮含量進(jìn)行檢測(cè)。

2 ? 系統(tǒng)概述

根據(jù)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的要求，本文選擇飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)芯片作為微處理器，控制系統(tǒng)中的溫度控制模塊、信號(hào)采集模塊、通信模塊和風(fēng)機(jī)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(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)采集模塊采集的溫度信號(hào)進(jìn)行恒溫控制，避免溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。信號(hào)采集模塊主要采集氨氮信號(hào)和溫度信號(hào)等。通信模塊作為系統(tǒng)與上位機(jī)通信的媒介，保證采集信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。存儲(chǔ)模塊就是將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)有效的保存。

3 ? 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

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(gè)管腳，供電電源為5 V，外部連接與16 MHz晶振相連，經(jīng)過(guò)倍頻可以達(dá)到80 MHz，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。微控制器控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括：溫度控制模塊、存儲(chǔ)控制模塊、信號(hào)采集模塊以及通信模塊。

3.1 ? 信號(hào)采集模塊的電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)信號(hào)采集模塊采集的溫度傳感器的信號(hào)，以保證待檢測(cè)水質(zhì)的恒溫控制;采集的氨氣敏電極的信號(hào)，可以計(jì)算出水質(zhì)中氨氮含有量。系統(tǒng)的信號(hào)采集，考慮到兩種不同采集信號(hào)，氨氣敏電極信號(hào)的采集時(shí)考慮到誤差干擾，電路設(shè)計(jì)的時(shí)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(hào)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(hào)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(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。信號(hào)采集模塊的電路原理圖，如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采集溫度信號(hào)和氨氣敏電極信號(hào)，是系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)氨氮檢測(cè)的核心部分。

3.2 ? 溫度控制模塊的電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的溫度控制就是對(duì)待測(cè)量水質(zhì)進(jìn)行恒溫控制。溫度控制模塊包括電機(jī)攪拌控制部分和加熱棒控制兩個(gè)部分組成。電機(jī)攪拌控制部分就選擇兩相步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)微控制器發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量水質(zhì)進(jìn)行攪拌。當(dāng)收到微控制器加熱信號(hào)之后，加熱棒控制部分就會(huì)啟動(dòng)，給待測(cè)水質(zhì)加熱，并且可以實(shí)現(xiàn)待測(cè)水質(zhì)的恒溫控制。

3.3 ? 存儲(chǔ)模塊的電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是將系統(tǒng)的配置參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，存儲(chǔ)模塊的任務(wù)就是存儲(chǔ)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(chǔ)芯片是由ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C512外部存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)容量為512 K，與微控制器通過(guò)IIC協(xié)議進(jìn)行通信。存儲(chǔ)模塊的電路原理圖，如圖3所示，圖中端口5和6分別通過(guò)上拉電阻連接到微控制器上，然后通過(guò)為控制IO口的通信時(shí)序，可以實(shí)現(xiàn)微控制器與存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)傳遞。

3.4 ? 通信模塊的電路設(shè)計(jì)

通信模塊是將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口通信模塊傳遞到上位機(jī)上面，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)中氨氮濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。由于微控制器的通信接口是RS232接口，就需要通過(guò)RS232轉(zhuǎn)換成RS485，然后通過(guò)RS485通信芯片SN65LBC184，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)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(jì)

水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計(jì)包括了上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)以及各控制模塊的程序設(shè)計(jì)等。上位機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)在VC6.0的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，采用VC++編程語(yǔ)言，包括了系統(tǒng)的參數(shù)配置部分和用戶交互部分等，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，簡(jiǎn)單方便快捷。系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于CodeWarrior軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中，是飛思卡爾微處理器的軟件開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)和調(diào)試的重要軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)。

4.1 ? 信號(hào)采集模塊的程序設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖5所示，對(duì)于傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。進(jìn)入信號(hào)采集程序之后，首先進(jìn)行寄存器增益、模擬輸入通道等信息的配置，然后啟動(dòng)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(jì)

水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的通信模塊程序設(shè)計(jì)包括串口通信模塊發(fā)送和接收兩個(gè)部分。通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖6所示，通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先進(jìn)入中斷服務(wù)程序中，然后啟動(dòng)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(jì)流程則是，當(dāng)檢測(cè)到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出通信中斷命令請(qǐng)求，進(jìn)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(jì)

考慮到溫度變化會(huì)對(duì)蛋蛋檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，系統(tǒng)對(duì)溫度的控制十分嚴(yán)格。溫度控制模塊程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖7所示，首先獲取實(shí)際溫度和參考溫度值，計(jì)算得出溫度偏差e，通過(guò)PID控制算法，計(jì)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(yàn)測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件、硬件部分的設(shè)計(jì)之后，搭建了水質(zhì)氨氮檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)選擇在恒溫20 ℃環(huán)境下，對(duì)水質(zhì)中氨氮含量進(jìn)行檢測(cè)分析。試驗(yàn)過(guò)程中，待檢測(cè)6種樣品的氨氮含量均為已知，分別用檢測(cè)系統(tǒng)氨氮濃度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同樣品的檢測(cè)，實(shí)際濃度值和檢測(cè)濃度值之間的偏差在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

6 ? 結(jié) ? 論

針對(duì)目前水質(zhì)污染情況的日趨嚴(yán)重性，設(shè)計(jì)了基于飛思卡爾的水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)之后，搭建了氨氮檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、精確的檢測(cè)出水質(zhì)中的氨氮濃度，為水質(zhì)的濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了有力的技術(shù)保障。

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