用于檢測生化需氧量的恒溫系統設計*

陳藝元，劉長宇，郭 迅，李玉瑛，龍文昌，林慧珍

(1.五邑大學 生物科技與大健康學院，廣東 江門 529020；2.江門市藍達環?？萍加邢薰?，廣東 江門 529000)

0 引言

生化需氧量(BOD)是指在一定條件下衡量水中微生物降解污染物耗氧量的綜合指標[1,2],因BOD可以最直接有效地反饋出水體的需氧程度,體現出水體自凈能力,固其在指導污水處理工藝等方面十分重要。生物降解性能受溫度影響嚴重,水浴環境中的溶解氧濃度及氧電極測量信號均受溫度影響,但現有技術僅對生物反應單元恒溫,不能有效解決溫度對水浴環境、氧電極反應及檢測系統的干擾問題。為此,本文設計并制作了一個以STM32F103RCT6單片機為控制核心的用于檢測生化需氧量的恒溫系統,可實現對水浴環境、氧電極和生物反應單元的檢測體系保持恒溫,滿足了檢測BOD過程對溫度的需求。

1 恒溫系統總體設計

以STM32F103RCT6單片機為控制核心的用于檢測生化需氧量的恒溫系統主要由單片機、恒溫裝置、溫度控制電路和采集電路及上位機顯示組成,其組成框圖如圖1所示。系統采用STM32F103RCT6單片機同時嵌入FreeRTOS實時操作系統,通過防水型PT100溫度傳感器[3]實時讀取水浴溫度,同時利用PID算法[4]控制脈沖寬度調制(PWM)占空比對水浴溫度進行分段閉環加熱控制并將溫度顯示在上位機界面以實現恒溫控制。恒溫系統實物如圖2所示。

圖1 恒溫系統組成框圖

圖2 恒溫系統實物

2 恒溫系統硬件設計

2.1 系統主控選型

系統選擇低能耗且性價比高的STM32F103RCT6單片機作為主控芯片[5],其內置ARM Cortex-M3內核且擁有72 MHz的主頻,工作電壓為2.0 V～3.6 V,擁有51個通用IO口,具備SPI及UART等通訊接口以及DAC等豐富資源。

2.2 恒溫裝置設計

本系統設計了一個專用于檢測BOD的小體積恒溫裝置,容積約1 L,供電電壓為24 V,裝置上方設置有保護外殼,內部設置有兩個PT100溫度傳感器,外壁設置有四塊低電壓加熱電路板,如圖3所示。

圖3 恒溫裝置

恒溫裝置的加熱電路板供電電壓為24 V,電阻阻值為3 Ω～4 Ω。在組裝恒溫裝置時需通過絕緣導熱硅膠將其貼覆于裝置外壁以實現高效熱傳導。加熱電路板能在系統控制下將水浴快速升溫到預定溫度,滿足檢測BOD的恒溫需求。

2.3 溫度電路設計

2.3.1 溫度控制電路設計

溫度控制電路圖如圖4所示,其作用是對恒溫裝置進行加熱以達到恒溫控制的目的,其輸入電壓為24 V。STM32單片機發出PWM信號后,IRF4905型號MOS管[6]接收到PWM信號進而利用PID算法對恒溫裝置進行加熱調控。IRF4905型號MOS管最大耐壓為55 V,最大通過電流為74 A,工作溫度為-55 ℃～175 ℃,滿足檢測BOD的溫度控制需求。

圖4 溫度控制電路圖

2.3.2 溫度采集電路設計

溫度采集電路圖如圖5所示,其作用是通過MAX31865芯片實時讀取恒溫裝置內的溫度并反饋到單片機,輸入電壓為3.3 V。MAX31865芯片[7]可以實現熱敏電阻值數字輸出的轉換,精度高且靈敏度好。

圖5 溫度采集電路圖

3 系統軟件設計與實現

本系統在STM32單片機基礎上嵌入FreeRTOS實時操作系統[8],以實現系統各任務同步執行。FreeRTOS是一種基于優先級的嵌入式多任務實時操作系統,具有很好的移植性,可實現系統各任務同步執行。系統上電開啟后進行初始化,同時創建功能任務并根據任務優先級執行各功能任務,同時利用QT軟件設計出上位機界面以實時顯示水浴溫度信息,主程序流程如圖6所示。

圖6 系統主程序流程

為使水浴溫度可以快速達到并維持在預定溫度范圍內,系統通過利用PID算法控制PWM占空比對水浴溫度進行分段閉環加熱控制。在加熱周期為1 000 ms條件下將PID參數分別設定為比例系數P=72、積分系數I=0、微分系數D=10,加熱前期設定PWM=42%以使水浴溫度可以快速上升到預定溫度37 ℃;在加熱前期和加熱后期切換時停止加熱以使水浴溫度趨于穩定狀態;加熱后期根據實時溫度值利用PID算法調控PWM信號的輸出。恒溫控制流程如圖7所示。

圖7 恒溫控制流程

4 恒溫系統的測試與分析

為驗證本系統在應用過程中的準確度和穩定性,取用不同批次及不同初始溫度的1 L自來水在恒溫系統進行控溫測試,溫度測試結果如表1所示,上位機顯示的溫度數據曲線如圖8所示。測試結果表明:本恒溫系統在10 min內能將1 L室溫自來水加熱至預定溫度37 ℃,偏差為±0.2 ℃,平均升溫速率達到1.31 ℃/min,不同時間點的溫度重復性相對標準偏差為0.2%,相對誤差為0.5%,滿足了檢測BOD的溫度需求。

表1 不同溫度水體測試結果

圖8 上位機顯示的溫度數據曲線

5 結語

用于檢測生化需氧量的恒溫系統以STM32F103RCT6單片機為控制芯片,利用PID算法控制PWM占空比對水浴溫度進行閉環分段加熱控制,并在上位機界面中實時顯示溫度信息,系統平均升溫速率可達到1.31 ℃/min,最大過沖僅為0.2 ℃,滿足在檢測BOD過程中保持檢測體系恒溫的需求。