基于ARM的污水檢測電路設計與實現

汪秋婷+王德前

（1 浙江大學城市學院 浙江 杭州 310015；2 浙江省農業科學研究所 浙江 杭州 310000）

摘 要：本論文介紹一種多參數的畜牧場污水處理系統的測量儀器。儀器以LPC2132為核心單元，對生態化的畜牧場的污水處理過程中3個比較重要的參數，溫度、溶解氧含量和氨氮含量進行實時在線測量，儀器可以與時間一起建立時間序列的成組數據。儀器可以就地測量顯示存儲測量數據，也采用了液晶實時顯示測量的數據，儀器中采用卡爾曼濾波算法對其中的氨氣敏電極測得的數據進行處理，提高了測量的精度和數據的可靠性。

關鍵詞：LPC2132，污水參數檢測，無色卡爾曼濾波

引言

水質監測就是通過人工或儀器設備監視和測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，通過各種方法對水質進行評價的過程。目前，我國的水質檢測儀器主要以當參數向多參數檢測儀過度，其中多參數檢測儀發展也非常迅速，但是整體的技術遠遠落后于國外，因此，對水質檢測儀的研究業已經成為當前水質檢測中刻不容緩的一部分。從目前科學技術的發展以及應用狀況來看，水質監測技術可以向以下的方向發展：

（1）隨著網絡技術和無線傳輸技術的發展，水質監測可以實現網絡實時在線檢測和控制；

（2）在監測區域大小方面，由小型的局部地區監測向結合衛星遙感遙測技 術的大范圍，全方位監測方向發展；

（3）在水質監測的方法方面，做到綜合性越來越強，靈敏度越來越高和監 測覆蓋范圍越來越廣，這已成為該方面的主流方向。

本文的研究對象是基于ARM的畜牧場水質的檢測系統，在結合國內外水質檢測儀發展以及應用現狀的基礎上，對水質檢測的技術進行了研究。本文主要設計水質檢測數據的采集，實現多參數的信號采集、顯示。該系統采用已有的氨氮、pH值和溫度等傳感器實現多參數的信號采集，采用 ARM 芯片模擬前端處理電路對多參數的采集信號進行處理，通過液晶顯示屏對檢測信號進行實時顯示和操作等可視化信息管理。

1 系統整體設計方案

本文選用分光光度法來監測水質的氨氮情況。分光光度法是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長范圍內光的吸光度或發光強度，對該物質進行定性和定量分析的方法。一定濃度的納氏試劑與待測樣品溶液中的氨氮發生化學反應生成淡紅棕色膠態化合物，對波長400-425nm范圍內的光具有強烈的吸收，其吸光度與溶液的濃度以及溶液層厚度成正比。通過分光光度法測定溶液在特定波長處或在一定波長范圍內的吸光度，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污染的程度。

水溫監測一般采用傳感器。監測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量，但精度、重復性、可靠性都比較差，對于監測1℃的溫度信號是不適用的；熱電偶精度高、測量范圍廣等優點。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性，輸出信號恒定。

空氣中的分子態氧溶解在水中稱為溶解氧。當水中溶解氧低于3-4mg/L時，許多魚類呼吸困難；當溶解氧在2mg/L以下時，水體會發臭。一般規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水質中溶解氧進行監測。傳感器結構及工作原理如下：陽電極為Ag/AgCl、陰電極為Pt，電解質為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，如果待測液中有氧存在，其則通過聚四氟乙烯薄膜在陰極發生還原反應產生電流。反應式如下：

陰極：

陽極：

針對監測數據的系統的設計與要求，采用如下的設計方案：

（1）傳感器采集到的水溫、氨氮和溶解氧是哪個參數信號等3路模擬量，經過信號調理電路，進入LPC2132，LPC2132對其進行運算處理，轉換成可以顯示的數據，實現對水溫、氨氮和溶解氧三個參數的型號測量；

（2）裝置采用模塊式結構，模塊式結構具有相對可靠、靈活、穩定和高擴展性等特點，而且給現場的使用帶來了便利。綜上所述，大致可以將數據采集系統設計如圖1。

2 硬件設計

該模塊必須由軟件進行控制以符合外設功能與管腳在特定應用中的需求。LPC2131/2132/2138分別含有32kB、64kB和512kB的FLASH存儲器系統。該存儲器可用作代碼和數據的存儲。對FLASH存儲器的編程可通過幾種方法來實現：通過內置的串行JTAG接口，通過在系統編程（ISP）和UART0，或通過在應用編程（IAP）。使用應用程序也可以在程序運行時對FLAH進行擦除和/或編程，這樣就為數據存儲和現場固件的升級都帶來了極大的靈活性。如果LPC2131使用了片內引導裝載程序（bootloader），32/64/512kB的Flash存儲器就可用來存放用戶代碼。

2.1 主電路設計

本文設計基于ARM的污水檢測電路如圖1所示，主芯片選擇LPC2132，檢測電路完成以下功能：

（1）小型LQFP64封裝的16/32 位 ARM7TDMI-S 微控制器。

（2）8/16/32kB片內靜態RAM。

（3）片內 Boot 裝載軟件實現在系統/在應用中編程（ISP/IAP）。扇區擦除或整片擦除的時間為 400ms，1ms 可編程 256 字節。

（4）EmbeddedICE？RT 和嵌入式跟蹤接口可實時調試（利用片內 RealMonitor 軟件）和高速跟蹤執行代碼。

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

（6）2 個32位定時器/計數器（帶4路捕獲和4路比較通道）、 PWM 單元（6 路輸出）和看門狗。

（7）多個串行接口，包括2個16C550工業標準 UART、 2個高速 I2C 接口（400 kbit/s）、 SPITM 和 SSP（具有緩沖功能，數據長度可變）。

（8）多達47 個5V的通用I/O 口（LQFP64 封裝）。

（9）通過片內 PLL 可實現最大為60MHz 的CPU操作頻率，PLL的穩定時間為 100us。

（10）可通過個別使能/禁止外部功能和降低外部時鐘來優化功耗。

（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 電源部分設計

電源模塊設計如圖3所示，供電模塊采用USB口取電，得到5V電源，然后經過SPX1117-3.3給系統供電。選擇SPX1117 作為正向電壓調節器，器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應用，當輸出電流減少時，靜態電流隨負載變化，并提高效率。SPX1117可調節，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10uF的輸出電容可有效 地保證穩定性，然而在大多數應用中，僅需一個更小的2.2uF電容。綜上所述，SPX1117-3.3可以滿足系統的供電需求，選用此芯片作為系統的電源轉換芯片。

2.3 模擬信號處理部分

信號調理模塊由調零、放大和濾波三部分功能電路組成。模塊接收傳感器的檢測信號，并對輸入信號進行交直流耦合濾波、放大或衰減及輸出調零，提高輸入信號的信噪比和分辨率，使信號滿足后續電路對輸入信號的電平要求。傳感器所處檢測環境復雜，輸出的信號微弱，很容易受到檢測環境或者其他電氣干擾源的高頻信號干擾。采用信號調理模塊消除高頻干擾，并使所輸出的mV級信號放大到0到3.3V信號，以滿足A/D數據采集系統的電壓輸入要求。氨氮值檢測選用美國全球水公司公司的WQ201型氨氮值值傳感器，它采用玻璃復合電極原理制造，氨氮測量范圍廣，精度高，且具有溫度補償功能. 其中，信號調節采用雙運放差分電路，其檢測電路原理如圖3所示.

溶解氧檢測選用美國全球水公司的WQ401型溶解氧傳感器，其測量范圍為0到15mg，精度為± 0.1mg，工作溫度為-40到50℃，具有溫度補償等功能. 其信號調理電路與氨氮值檢測電路基本一致。WQ401溶解氧傳感器堅固耐用、值得信賴。連接到7.6m的船舶級電纜，電纜最長可定制到150m。溶解氧傳感 器輸出為3線配置，4-20mA，使用船舶級環氧樹脂將電子部件完全封裝。

3 實驗結果與分析

本文設計的檢測電路流程為：系統上電后開始運行，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、配置系統時鐘、配置AD轉換的相關寄存器。在模塊都初始化完畢后，啟動一次AD轉換，轉換成功則繼續執行程序，不成功則重新進行一次AD轉換，直到成功進行AD轉換。然后保存數據后并讀取DS18B20的溫度數據，讀取成功則繼續執行程序，不成功則重復讀取，直到得到相關數據后，處理然后在LCD1602液晶屏上顯示出來，完成后進行下一輪while循環。

4 結論

本設計通過實際的調查設計提出了一種較為有效的基于ARM的污水檢測器設計的實現方案，主要用嵌入式C語言開發設備驅動程序和AD繪制相關的程序原理圖。本設計選取了LPC2132的開發板和各種傳感器，通過實際的工作使得軟硬件系統配合起來，達到本設計的基于ARM的畜牧場污水檢測器設計的設計與實現的設計目標。基于ARM的場污水檢測器設計是污水檢測現代化的必然趨勢，只有借助現代化的信息技術與網絡技術，提高管理的效率與能力，才能滿足實當前社會快速變化的檢測工作的需要。智能的污水檢測系統是污水檢測的信息化管理平臺的重要組成部分。與傳統的依靠人力管理的污水檢測的系統相比，該系統具有成本低、易實現及管理簡單等特點，可以節約管理成本，提高管理效率，特別適用于環保部門和相關工廠自查。同時該基于ARM的畜牧場污水檢測器設計選用的設備及開發平臺具有很好的通用性、兼容性及易移植性。其市場前景廣闊，具有一定的推廣價值。就目前的科技水平來說，很多數據采集系統的應用技術已經很成熟，但仍有很多方面需要完善。

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作者簡介：

汪秋婷，女（1982.8-），漢族，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向：自動控制系統

基金項目：杭州市科技計劃項目（20160432B27）