基于STM32F4和μC/OS-III的水質氨氮檢測系統研究與設計

張根寶，程震晨

（陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021）

基于STM32F4和μC/OS-III的水質氨氮檢測系統研究與設計

張根寶*，程震晨

（陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021）

針對水質氨氮濃度檢測存在連續檢測困難、精度低的問題，研制了一種新型水質氨氮檢測系統。以比爾-朗伯定律作為濃度檢測理論依據，確定了基于連續流動水楊酸分光光度法檢測原理的整體系統結構。基于STM32F407微控制器和實時操作系統μC/OS-III設計了檢測系統。使用標準液進行校準實驗得到數據，采用最小二乘法擬合數據，校準樣機。試驗結果表明，系統工作穩定，精度高，符合相關國家標準的要求。

水質檢測；氨氮檢測；分光光度法；STM32F4；μC/OS-III；最小二乘法

水質氨氮含量檢測是水質檢測重要方面，水體中合適的氨氮含量對于水產養殖等是有利的，但封閉水體中氨氮含量過高時就會造成水體富營養化，影響生產和生活，因此水質氨氮含量的檢測和排放控制對于保護水環境有重要意義［1-2］。傳統的水質氨氮含量檢測有蒸餾滴定法、分光光度法、氨氣敏電極法、酶法等方法，隨著檢測工作量的增加和檢測精度要求的提升，傳統檢測方法的儀器化和系統化成為必然趨勢［3］。

1 檢測原理與系統組成

1.1 流動注射分光光度法

光度分析技術是利用物質具有對光的選擇性吸收特征而建立的定量分析技術。水楊酸分光光度法的原理是在堿性介質（pH=11.7）和亞硝基鐵氰化鈉條件下，水中的NH4+與水楊酸和次氯酸鹽反應生成藍色化合物，使用選定波長的光照射被測物質，再根據吸光度計算水質氨氮含量［1］。計算吸光度與溶液濃度的理論依據是比爾-朗伯定律：當一束光強為I0平行單色光通過濃度為C，厚度為L的均勻、非散射吸光物質溶液時，溶液的吸光度A與溶液濃度和液層厚度有如式（1）的關系

式中，A為吸光度，It為透射光強度，K為摩爾吸收系數。

分光光度法顯色反應得出的吸光度會隨反應時間、反應條件變化，傳統的手工操作會由于操作的不準確性造成數據的準確度降低［2］。因此，本設計將分光光度法與微機化流動注射技術相結合，建立基于流動注射分光光度法的檢測方案，試樣與試劑在微機控制的蠕動泵推動下進入化學反應模塊，在密閉的管路中連續流動，被氣泡按一定的間隔規律地隔開，并按照特定的順序和比例混合、反應、顯色完全后進入流動檢測池進行光度檢測，微機集中控制檢測過程、處理檢測數據得出檢測結果。

1.2 系統整體組成

本系統整體上可以分為計算機控制、樣品配送、樣品處理、檢測池恒溫測控，數據采集與處理等模塊。計算機控制單元作為核心單元采集和處理相關數據，協調其他單元工作。按照流動方向，待測水樣（或標準液）和相關試劑首先由三臺多通道蠕動泵以設定轉速，按順序成比例抽取進入三級混合圈充分混合，該階段主要為試劑的物理混合；第2階段，混合液進入40℃恒溫加熱池充分化學反應后，進入檢測池，分光光度檢測裝置進行吸光度檢測得到吸光度數據，混合溶液經處理成為廢液排出檢測系統。系統工作示意圖如圖1所示。

圖1 系統工作示意圖

2 硬件

2.1 主控單元

選用意法半導體公司（ST）推出的高性能微控制器STM32F407設計水質氨氮檢測系統的主控單元。該微控制器芯片基于ARM公司32 bit Cortex-M4內核，工作頻率可達168 MHz，內置大容量高速存儲器，集成多個高精度AD、DA轉換器［4-5］。此外，芯片集成了FPU和單周期DSP指令，具備高性能數字信號處理能力。芯片集成豐富的片上資源和外設接口，且具有較高的性價比，可以有效保證系統高實時性、準確性的要求。

主控單元是系統的核心單元，其性能很大程度上決定系統整體性能，本系統硬件框圖如圖2所示。主控單元配備所需電源和調試接口，通過RS485接口和蠕動泵通信規約控制蠕動泵工作。通過內部集成的靈活的靜態存儲控制器（FSMC）與TFTLCD的控制芯片通訊，設計友好的人機交互界面。通過STM32F4集成的12 bit ADC和吸光度檢測電路完成吸光度數據采集。加熱池設計PID溫度控制回路確保恒定的化學反應溫度。

圖2 系統硬件框圖

2.2 蠕動泵

本系統對于試樣流動速度的穩定性和精確性要求較高，選用某廠家BT100M型蠕動泵。該泵可安裝多種泵頭，能提供0.05 mL/min～290 mL/min的流量范圍。其轉速可手動調節，也可通過外控接口進行控制，轉速范圍在1 rad/min～100 rad/min，分辨率達到0.1 rad/min。選用氣密性好、析出物低、吸附性低的蠕動泵管，通過實驗標定，得到該型號蠕動泵與泵管組合的轉速與試樣流速關系，得到各試樣流速的對應蠕動泵轉速。

本系統蠕動泵轉速通過圖形用戶界面（GUI）設置和微調，主控單元通過RS485通訊接口異步半雙工通訊控制蠕動泵運行狀態，通信數據幀遵循基于Modbus-RTU的蠕動泵通訊規約［5］。表1列舉了兩個數據幀格式和對應功能，其中地址域一字節，地址為1～31，31為廣播地址；功能與對應0x01為查詢操作，0x05為設置操作；數據地址長度兩字節，對應具體操作；數據域長度兩字節，對應轉速乘以10后的數據；校驗域采用CRC校驗方式。

表1 蠕動泵通信數據幀和對應功能

2.3 吸光度數據采集

根據比爾朗伯定律，采用單色性較好、波長為660 nm的微型LED光源，以及恒功率控制電路保證光源光強精的穩定性。透射光通過光槽，在光電傳感器處由光信號轉換為電信號，轉換后的電信號需要經過調理電路的IV轉換、濾波、放大處理，使其適合于A/D轉換器的輸入。本設計的信號調理電路如圖3所示，輸出電壓范圍為0～3.3 V。

圖3 信號調理電路

2.4 溫度控制

由于顯色反應需在40℃環境下，本設計在加熱池設計一個PID溫度控制回路保證恒溫，硬件電路如圖4所示。使用單總線集成數字溫度傳感器DS18B20采集溫度，通過控制單元的PID溫度控制任務處理溫度數據，輸出控制量，通過MOC3022光電隔離芯片和BTA06可控硅控制加熱過程。

圖4 加熱池溫控電路

3 軟件設計

3.1 軟件框架

本設計使用μC/OS-III操作系統作為軟件開發的基礎。μC/OS-III是一個開源的實時內核，按照搶占式優先級分配任務，對任務進行管理，擴展和模塊化處理，使得多個任務能協調運行，節省時間和CPU開支［6］。利用該實時內核實現多任務調度，確保檢測系統任務的實時性，提升CPU利用率，且有利于產品維護和升級。

本系統的任務可分為系統任務，檢測控制任務、通訊任務和人機交互任務，任務進一步細分如圖5系統軟件框架圖所示。根據任務要求，對各個任務進行優先級和任務堆棧分配、程序設計，以下給出創建吸光度數據采集任務的相關代碼：

圖5 軟件框架圖

3.2 GUI設計

人機交互任務用于實時顯示水質氨氮濃度信息、系統工作狀況，以及輸入檢測過程參數、控制檢測系統工作。本系統的圖形用戶界面（GUI）基于Segger公司的GUI圖形庫emWin開發，該GUI可移植到眾多顯示控制器和操作系統平臺上［7-8］。設計上包括應用層、圖形庫層、驅動層和硬件層，層次結構如圖6所示。

本系統GUI的硬件層基于所采用的320×240分辨率的TFTLCD模塊開發。本系統GUI的蠕動泵控制子界面如圖7所示，該界面可以實時顯示蠕動泵轉速，并通過觸摸屏啟停和設置蠕動泵轉速。

圖7 蠕動泵控制子界面

4 測試與校準分析

在完成軟硬件整體設計后，得到基于STM32F4和μC/OS-III的水質氨氮檢測樣機，根據相關國家標準，首先用水代替試劑，檢查整個分析流路的密閉性和液體流動的順暢性，系統穩定后（約15 min）后開始進試劑進行校準實驗［9，10］。校準實驗的標準液由10.0 mg/L氨氮標準使用溶液用水稀釋定容得到，制備5個濃度點的標準系列和1個零點校正液。標準液濃度以及樣機檢測結果如表2所示。調用系統校準功能，采用最小二乘法，可得到擬合關系式為

繪制校準曲線如圖8所示，圖中實線為樣機濃度與校準后濃度的關系曲線，校準濃度與實際濃度更接近，減小了零點漂移和量程漂移的影響，提高了線性度和準確性。

表2 標準液檢測數據

圖8 校準曲線

5 結束語

本文在研究和分析連續流動水楊酸分光光度法的基礎上，以比爾朗伯定律為理論依據，設計了一套基于STM32F4微控制器和μC/OS-III實時操作系統的水質氨氮檢測系統。基于STM32F4設計了硬件系統，基于μC/OS-III給出了任務框架，設計多任務協調運行，基于emWin的GUI設計完成人機交互。依據相關國家標準，對樣機進行校準和測試，結果表明該系統能夠連續檢測、檢測精度高、操作簡單、檢測穩定性和數據可靠性高的特點，具有應用前景。

［1］溫麗云，范朝，袁倬斌.我國環境監測中的氨氮分析方法［J］.中國環境監測，2005（4）：28-32.

［2］尹洧.現代分析技術在水質氨氮監測中的應用［J］.中國無機分析化學，2013（2）：1-5.

［3］高檢法，周英.工業廢水中氨氮含量常用檢測方法分析［J］.中國氯堿，2014（1）：33-34.

［4］朱珍民，隋雪青，段斌，等.嵌入式實時操作系統及其應用開發［M］.北京：北京郵電大學出版社，2006：138-140.

［5］吳葉蘭，蘇震，熊飛，等.基于Cortex-M3和Modbus協議的測控系統［J］.儀表技術與傳感器，2010，02：42-44.

［6］楊靜，吳乃陵.嵌入式操作系統應用研究［J］.電子器件，2005，28（1）：204-206，210.

［7］潘寧喦，張萌，王超.一種嵌入式圖形用戶界面系統的設計與實現［J］.電子器件，2012，35（1）：90-94.

［8］肖林京，于鵬杰，于志豪，等.基于STM32和emWin圖形庫的液晶顯示系統設計［J］.電視技術，2015（1）：39-42，50.

［9］國家環境保護部.HJ 665-2013水質氨氮的測定連續流動-水楊酸分光光度法［S］.2014.

［10］國家環境保護部.HJ-T 101-2003氨氮水質自動分析儀技術要求［S］.2003，07.

張根寶（1958-），男，漢族，陜西白水人，陜西科技大學教授，碩士生導師，目前主要研究方向為，過程控制系統的應用研究與基于嵌入式的智能儀器儀表研究開發等，xyzgb@163.com；

程震晨（1992-），男，漢族，浙江金華人，陜西科技大學碩士研究生，研究方向為基于嵌入式智能儀器儀表研究開發，18710832454@163.com。

Research and Design of Water Ammonia Nitrogen Detection System Based on STM32F4 andμC/OS-III

ZHANG Genbao*，CHENG Zhenchen
（College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China）

Aiming at the difficulty of continuous detection and low accuracy in the detection of ammonia nitrogen in water，a new type system for ammonia nitrogenconcentration of water was developed.In light of Beer-Lambert Law，the structure of the whole system is determined based on the principle of continuous flow analysis and Salicylic acid spectrophotometry.Based on STM32F407 micro controller and real-time operating systemμC/OS-III，the detection system was designed.The least square method is used to fit the experimental data which is obtained by testing the standard liquid to calibrate the system.Test results show that the system is stable and high precision，which meets the requirements of relevant national standards.

water detection；ammonia nitrogen detection；spectrophotometry；STM32F4；μC/OS-III；least squares

TP216

A

1005-9490（2016）06-1472-05

7230L

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.037

2015-11-30 修改日期：2015-12-30