便攜式多參數水質監測系統的設計

龐 立，朱莉莉

?

便攜式多參數水質監測系統的設計

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研究院，山東青島 266109）

本文針對海洋環境中的溫度、酸堿度、鹽度及溶解氧多個參數對象，以STM32F103 ARM為核心控制器設計了多參數水質監測系統，可以實時的檢測四個參數的數值，并通過藍牙無線傳輸將數值顯示在上位機的LCD上。實驗結果證實該設計可以對海洋環境的多參數進行準確、實時、便攜的監測。

多參數 ARM 無線傳輸

0 引言

海洋石油平臺所處的環境為海洋環境，海洋環境對鋼鐵的腐蝕是內陸環境的4~5倍，為惡劣的腐蝕環境。海洋環境中海水的溫度、鹽度、溶解氧等因素對鋼鐵的腐蝕有重要的影響：鹽類會加快海洋石油平臺的腐蝕速率，含鹽堿性較高的海水為腐蝕提供了電解質，加快了海洋石油平臺的腐蝕過程[1][2]。因此，準確監測海水的溫度、PH值、鹽度等參數，為海洋石油平臺的腐蝕環境提供客觀的條件數據是非常必要的。

本文設計了一套便攜式多參數水質監測系統，主要用于對海水中的多種水質參數進行實時檢測、顯示、存儲及預警，可以用于海洋石油平臺及其他有監測需求的海洋作業場所。

1 系統組成

本監測系統結構由上位機（顯示表頭）和下位機（水下傳感器）組成。上位機主要完成水質參數數值的顯示、存儲、預警功能。下位機由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、處理和存儲各水質傳感器的數據。多參數水質監測系統的硬件結構框圖如圖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經過放大電路處理后接入控制器的A/D接口轉換為數字量以便控制器的處理。

下位機處理后的數據通過藍牙模塊無線傳輸到上位機的控制器。上位機的核心控制器采用STM32F103 ARM，可選擇顯示實時數據或者是歷史數據，將測量結果顯示在LCD上并同時將數據保存在SD存儲卡中。LCD、SD卡模塊通過SPI口與ARM連接；藍牙模塊通過串口與ARM連接；實時時鐘模塊通過普通I/O口與ARM連接；電源通過降壓電路為ARM及各器件供電。

2 硬件電路設計

2.1PH傳感器信號處理電路

PH值測量的重點在于前端信號的處理。由于復合PH電極的內阻很高（玻璃電極的內阻可高達到Ω），因此處理電路的關鍵是運放的輸入阻抗需高于傳感器的內阻，才能實現高阻抗的輸入，得到正確的電壓信號。

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

圖1 系統硬件結構框圖

PH傳感器輸出的相對電壓信號是信號電極與參比電極的電壓差。本設計中，當被測溶液PH值>7時，輸出電壓為負值；當被測溶液PH值<7時，輸出電壓為正值；當被測溶液PH值為7時，輸出電壓為0。為避免負電壓值的出現，滿足運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，即可以使得信號電極（PH+輸入）電壓恒為正值。電極輸出的電壓經過運放的放大功能，使其達到ARM A/D轉換所需電壓范圍，以供ARM進行數據處理。

2.2溶解氧傳感器信號處理電路

本設計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，需要經過信號處理電路使其達到ARM A/D轉換所需電壓范圍，以供ARM進行數據處理，電路原理圖如圖3所示。

采用TLC 4502CD 高精度高阻抗運放，為抑制共模輸入信號，放大電路采用反向比例放大形式，運放的一路用于I/V轉換，另一路用于將負電壓信號轉換為正電壓信號。

圖3溶解氧傳感器信號處理電路

2.3電源模塊設計

電源系統是一切電子設備的核心部分，負責給各部件提供穩定的直流電壓，電源系統的穩定性和可靠性對于整個系統的精度具有重要影響。電池為系統提供主電源，為滿足長時間工作要求，采用可充電聚合物裡電池，電量為2000 mA時以上，電池通過穩壓電源芯片LT3970-3.3將直流電壓降為3.3 V為系統各器件提供供電。

3 軟件設計

軟件設計包括上位機軟件和下位機軟件兩大部分。上位機用于顯示傳感器的數值，包括LCD顯示子程序、按鍵子程序、SD卡存取子程序、實時時鐘子程序和藍牙通訊子程序。首先上位機完成初始化后，通過藍牙模塊與下位機進行通訊連接，選擇是傳輸實時數據還是歷史數據，從而顯示不同的數據，其軟件流程圖如圖4所示。

圖4上位機軟件流程圖

下位機用于采集傳感器的數據，包括A/D轉換子程序、SD卡存取子程序、實時時鐘子程序和藍牙通訊子程序。初始化完成后，判斷是否有藍牙通訊連接，若沒有，則每30分鐘進行一次數據采集并將數據保存在SD卡中，若有藍牙通訊連接，則根據要求向上位機傳輸實時采集的傳感器數據或者是SD卡中保存的歷史數據，其軟件流程圖如圖5所示。

4 結語

本文設計了便攜式多參數水質監測系統，其以STM32F103 ARM 為核心控制器，搭載獨立式溫度傳感器、工業在線PH傳感器、在線鹽度傳感器和熒光法溶解氧傳感器用于測量水質的溫度、酸堿度、鹽度和溶解氧，其檢測精度分別為±0.2℃、±0.1 PH、±0.1 PPT和±0.2 mg/L。實驗證明，該系統簡單便攜、測量準確，可以滿足水質監測的需要。

圖5下位機軟件流程圖

[1] 彭壯，徐磊，王君正. 海上油氣田的腐蝕與防護[J]. 中國石油和化工標準與質量.

[2] 陳勝利，蘭志剛，宋積文. 海洋石油平臺的腐蝕監測技術[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開發與應用[J]. 微計算機應用.

[4] 王瑞蘭. 自動校準精密運算放大器TLC450X系統及其應用[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。