飲用水溴離子濃度測(cè)量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

潘 凱， 朱名日， 姚 鑫， 劉文彬， 鄭丹平， 周光祥

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué) 北海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 北海 536000; 3.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院，廣西 桂林 541004)

飲用水溴離子濃度測(cè)量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

潘 凱1， 朱名日2， 姚 鑫1， 劉文彬1， 鄭丹平3， 周光祥2

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué) 北海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 北海 536000; 3.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院，廣西 桂林 541004)

針對(duì)一種基于微波感應(yīng)的新型飲用水中溴離子濃度測(cè)量裝置中微弱電壓信號(hào)采集和分析的需求，設(shè)計(jì)了一種采集系統(tǒng)，包括信號(hào)采集部分和上位機(jī)顯示部分。信號(hào)采集部分對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)的放大和濾波后由C8051F310單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采集并通過(guò)串口發(fā)送給LabVIEW編寫的上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、分析并顯示溴酸鹽濃度值。實(shí)驗(yàn)表明:該采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以作為飲用水溴離子濃度測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

溴酸鹽； 濃度檢測(cè)； LabVIEW

0 引 言

日常的飲用水，其化學(xué)消毒法主要包括二氧化氯消毒、液氯消毒和臭氧消毒，其中臭氧消毒成本很低，被廣泛應(yīng)用于桶裝水和瓶裝水工業(yè)中。各大廠家使用臭氧殺菌過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽這種副產(chǎn)物[1]，對(duì)人體健康構(gòu)成了威脅。目前檢測(cè)溴酸鹽的主要方法是離子色譜法，該檢測(cè)方法周期較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性較差，因此,設(shè)計(jì)一種基于微波感應(yīng)的新型飲用水中溴離子濃度測(cè)量裝置非常重要，其本文將重點(diǎn)討論信號(hào)的采集和上位機(jī)的分析顯示。

1 溴離子濃度測(cè)量裝置原理和結(jié)構(gòu)組成

溴離子濃度測(cè)量裝置是根據(jù)微波感應(yīng)原理，該原理利用敏感電感線圈接于微波信號(hào)激勵(lì)電路，線圈隨周圍飲用水中溴酸鹽濃度的不同產(chǎn)生電感阻抗變化，使微波信號(hào)激勵(lì)電路產(chǎn)生的微波頻率隨之改變。微波頻率信號(hào)由頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波電路后由C8051F310單片機(jī)采集，然后通過(guò)串口送給由LabVIEW編寫的上位機(jī)，上位機(jī)分析并顯示溴酸鹽濃度值。系統(tǒng)包括：盛放溴酸鹽水溶液的玻璃槽、微波信號(hào)激勵(lì)電路、微波頻率檢測(cè)以及電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波放大電路、C8051F310單片機(jī)信號(hào)采集部分和用LabVIEW編寫的上位機(jī)[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

線圈用細(xì)銅絲繞制，放溶液的容器采用薄壁玻璃瓶，厚度為0.8 mm，敏感線圈繞制在玻璃瓶外面并固定。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，其中硬件部分主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大并濾波處理，處理后由C8051F310單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，采集后通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

軟件部分是由LabVIEW編寫的上位機(jī)，其接收來(lái)自串口的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，分析后顯示溴酸鹽濃度值。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由濾波電路和放大部分組成，因?yàn)槲⒉l率信號(hào)再由頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)幅值較小，而且有干擾信號(hào)，無(wú)法直接被單片機(jī)采集，所以,需要經(jīng)過(guò)濾波放大電路后才可以送給單片機(jī)。濾波電路采用Sallen-Key濾波器，Sallen-Key濾波器又稱雙極點(diǎn)電壓控制電壓源[3]，如圖2所示。濾波器輸出信號(hào)后再通過(guò)放大電路，電路采用LMC6484[4]組成的放大電路，如圖3所示。

圖2 濾波電路

圖3 放大電路

經(jīng)過(guò)放大電路后，C8051F310單片機(jī)利用內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采集得到電壓信號(hào)，然后送給上位機(jī)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括C8051F310單片機(jī)對(duì)電壓信號(hào)的采集程序和用LabVIEW編寫的上位機(jī)。

2.2.1 C8051F310單片機(jī)采集程序

C8051F310單片機(jī)內(nèi)部自帶10位AD，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 ksps，具有17個(gè)外部單端或差分輸入，VREF可以在外部引腳或VDD中選擇[5]。設(shè)計(jì)采用單端輸入，VREF接5 V電壓，可以采集到0～5 V的電壓信號(hào)，精度為0.004 88 V，可以滿足實(shí)驗(yàn)需要。

串口發(fā)送利用單片機(jī)的串口發(fā)送給上位機(jī)，波特率設(shè)置為9600，單片機(jī)采集完電壓信號(hào)后，立即發(fā)送給上位機(jī)。圖4為單片機(jī)采集程序流程圖。

圖4 單片機(jī)采集程序流程圖

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

溴酸鹽檢測(cè)與分析系統(tǒng)的軟件部分在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，采集硬件部分的電壓信號(hào)，利用RS—232接口將信號(hào)傳入PC，及時(shí)地顯示信號(hào)數(shù)值及其波形，完成對(duì)溴酸鹽檢測(cè)與分析系統(tǒng)硬件設(shè)備的檢測(cè)，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)分析。在數(shù)據(jù)接收方面，上位機(jī)一幀一幀地接收數(shù)據(jù)，每一幀有4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，分別為：1個(gè)字節(jié)的幀頭、2個(gè)字節(jié)的電壓值、1個(gè)字節(jié)的幀尾。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的可靠性，程序采取對(duì)50組數(shù)據(jù)求平均值的方法。這里采用的是移位寄存器，在大循環(huán)框內(nèi)使用2個(gè)移位寄存器，程序每一次循環(huán)4個(gè)數(shù)都不斷疊加直到50組數(shù)發(fā)送完成，然后對(duì)這個(gè)總數(shù)求平均值。

數(shù)據(jù)分析方面，由于傳感器輸出的電壓值與所測(cè)溴酸鹽濃度值之間存在明顯的非線性，為了提高測(cè)量精度，必須進(jìn)行非線性化校正，使之線性化。線性化方法很多，在此應(yīng)用最小化二乘法原理實(shí)現(xiàn)曲線擬合，而且選取在Matlab平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)[6]。

先用精密天平稱量不同質(zhì)量的溴酸鉀粉末，再用蒸餾水分別配置5，8，11，14，17，20，23,26，29，32，35，38，41，44，47，50 μg/L的溴酸鉀溶液，并用滴管分別取不同濃度的溴酸鉀溶液進(jìn)行測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溴酸鉀溶液濃度對(duì)應(yīng)的電壓值

得到數(shù)據(jù)在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行曲線擬合，分別用二，三，四，五次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，如圖7～圖10所示。

可以看出，用五次多項(xiàng)式能夠很好地?cái)M合出電壓值與溴酸鹽濃度值的關(guān)系，而且在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較快速、容易，因此，采用五次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。

圖7 二次多項(xiàng)式擬合曲線圖

圖8 三次多項(xiàng)式擬合曲線圖

圖9 四次多項(xiàng)式擬合曲線圖

圖10 五次多項(xiàng)式擬合曲線圖

從圖10的曲線圖可以很容易得到溴酸鹽濃度值與傳感器輸出電壓值之間的關(guān)系，五次多項(xiàng)式的系數(shù)分別為0.276 4,-2.499 0,7.090 0,-5.596 8,7.379 4,2.652 6，因此,擬合的曲線方程可以表示為

P(x)=0.276 4x5-2.499x4+7.09x3-5.596 8x2+ 7.379 4x+2.652 6.

其中,x為傳感器測(cè)得的電壓幅值，P(x)為對(duì)應(yīng)的溴酸鹽濃度值。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

先用精密天平稱量不同質(zhì)量的溴酸鉀粉末，再用蒸餾水分別配置5，10，15，20，30，40，50 μg/L的溴酸鉀溶液。配完溶液后，用滴管分別取不同濃度的溴酸鉀溶液滴到薄壁玻璃瓶?jī)?nèi)進(jìn)行測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

飲用水中溴酸鹽超標(biāo)會(huì)危及人的身體健康導(dǎo)致癌變問(wèn)題已引起國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注，因此,設(shè)計(jì)一種能快速、準(zhǔn)確檢測(cè)出飲用水中溴酸鹽濃度的裝置有重要意義。本文在溴酸鹽濃度檢測(cè)傳感器的基礎(chǔ)上，采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確測(cè)量傳感器輸出的微弱信號(hào)，并正確顯示溴酸鉀溶液的濃度值，精度為2 μg/L。

[1] 張沼園.飲用水消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].水處理技術(shù),1998,24(1):7.

[2] 桂林電子科技大學(xué)．蔗汁晶化過(guò)飽和度微波感應(yīng)在線監(jiān)測(cè)方法和檢測(cè)器:中國(guó),CN101059453A[P].2007—10—24.

[3] Baker B.嵌入式系統(tǒng)中的模擬設(shè)計(jì)[M].李喻奎,譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4] 李樹靖.線性光耦合器LOC110的原理與應(yīng)用[J].世界電子元器件,2002(12):44-46.

[5] 侯佳娜,姚愛琴,孫運(yùn)強(qiáng).基于C8051F310單片機(jī)的實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2010,37(9):50-52.

[6] 付艷茹.基于 Matlab 曲線擬合的應(yīng)用研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(2):55-58.

Design of data acquisition system for bromide ion

concentration measuring apparatus in drinking water*PAN Kai1, ZHU Ming-ri2, YAO Xin1, LIU Wen-bin1, ZHENG Dan-ping3, ZHOU Guang-xiang2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Beihai Vocational Technology College, Guilin University of Electronic Technology,Beihai 536000,China; 3.School of Computer and Control, Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Aiming at demand of measuring weak voltage signal acquisition and analysis for a new type of bromide ion concentration measuring apparatus in drinking water,design a collection system, including signal acquisition and upper PC display section.Weak signal of sensor output is amplified and filtered and then collected by C8051F310 MCU comes with A/D converter collects and send to LabVIEW compiled upper PC through serial port,upper computer receives data,analyze and display bromate concentration values.Experiments show that this type of acquisition system is stable and reliable,it can be used as data acquisition system for bromide ion concentration measuring device in drinking water.

bromate; concentration detection; LabVIEW

2014—08—12

廣西省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(YCSZ2012075)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0089—03

TN 914

B

1000—9787(2015)04—0089—03

潘 凱(1990-)，男，山東章丘人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。