基于水楊酸法的水質(zhì)氨氮在線檢測系統(tǒng)的設計

張根寶　劉曉勇　謝曉靜

摘要：針對解決水環(huán)境中氨氮含量現(xiàn)場應急檢測的難題， 實現(xiàn)氨氮含量的在線檢測，設計了一種基于水楊酸分光光度法的水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理和總體設計。介紹了以ARM微處理器芯片K60為核心的氨氮檢測系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，并給出了關(guān)鍵模塊的軟硬件設計。檢測數(shù)據(jù)通過RS-485總線與上位機進行通訊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲和歷史記錄查詢。給出了樣機檢測標準氨氮溶液濃度的實驗數(shù)據(jù)，并與實際值進行了對比分析。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，界面友好，測量結(jié)果精確，達到了設計要求。

關(guān)鍵詞：氨氮檢測；水楊酸法；分光光度法；ARM；標準曲線

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）36-0123-03

Abstract： In order to solve the problem that the traditional ammonia nitrogen detection method cannot meet the emergency detection， and realize online detection of ammonia nitrogen in water environment ，a system based on salicylic acid and spectrophotometry is designed for ammonia nitrogen detection in water. The working principle and overall design of the system is introduced. The software and hardware structure of ammonia nitrogen detection system based on K60 ARM microprocessor is presented. The key module of hardware construction and soft design were illustrated. The detection data communicate with the host PC through RS-485 to realizing historical data storage and query. The experimental data of standard ammonia solution concentration with Prototype testing were given， and compared with the actual value and analysis.Experimental resultsshowed that the system working stability， friendly user interface， high precision results， has achieved the design requirements.

Key words： ammonia nitrogen detection； salicylic acid method； spectrophotometry； ARM； standard curve

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水的排放量也急速增長，其中含有的大量氨氮離子排放到江河湖海中會對水體產(chǎn)生嚴重污染。水質(zhì)中氨氮含量超標會對人體及水生生物造成極大的危害。隨著我國對水污染控制的重視，必將加大對污水排放的監(jiān)管，減少污水的隨意排放對環(huán)境的危害。因此對所排放污水中氨氮含量在線、實時和精確的檢測具有重要的意義。

2 系統(tǒng)的原理和總體結(jié)構(gòu)

本設計采用的氨氮含量測定方法為水楊酸分光光度法。水楊酸分光光度法的理論依據(jù)是朗伯-比爾定律。朗伯-比爾定律可簡述如下：

水楊酸分光光度法的原理是：在堿性介質(zhì)中，待測試樣溶液中的氨、銨離子與二氯異氰脲酸鈉溶液釋放出的來的次氯酸根反應生成氯胺。在40℃下和亞硝基鐵氰化鉀存在的條件下，氯胺與水楊酸鹽反應生成藍綠色化合物，對所形成的藍綠色化合物在660nm波長處，30mm的光程下測量吸光度，依據(jù)朗伯-比爾定律就可以得出試樣中氨氮的含量。

檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設計

檢測系統(tǒng)的硬件包括：ARM微控制器、電源、光源、光電管及其驅(qū)動和信號采集電路、蠕動泵驅(qū)動電路、溫度控制電路、執(zhí)行器件（振動裝置和攪拌裝置）控制電路、LCD觸摸屏。

如圖為檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

整個系統(tǒng)的工作流程為：控制蠕動泵的轉(zhuǎn)速對水樣和其他5種化學試劑在經(jīng)過空氣氣泡間隔后按順序依次進入混合圈使得水樣和化學試劑充分混合。然后進入加熱池，加熱池的溫度控制在恒定的40℃，使得混合溶液進行充分的化學反應，再進入檢測池進行吸光度分析，數(shù)據(jù)采集器把采集到的數(shù)據(jù)送到檢測主機進行數(shù)據(jù)處理，得出水質(zhì)氨氮的濃度，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進行數(shù)據(jù)存儲和實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢。

3.1 ARM微控制器

檢測系統(tǒng)的核心ARM微控制器采用Freescale公司Kinetis系列中的K60芯片。Kinetis是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位MCU，集成了512KB的FLASH和128KB的SRAM，還有快速、高精度的16位ADC和12位的DAC、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部參考電壓。具有超強可擴展性、功耗低等優(yōu)點，提供了強大的信號調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和分析性能的同時大大降低了系統(tǒng)成本。

3.2 光電管及其驅(qū)動和信號采集電路

透射光通過光電傳感器由光信號轉(zhuǎn)換為電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號需要經(jīng)過調(diào)理電路的濾波、放大處理，使其適合于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。本設計的信號調(diào)理電路如圖3所示。

3.3 蠕動泵驅(qū)動電路

作為主機的K60單片機和3臺蠕動泵自帶的單片機通過RS-485 總線Modbus RTU協(xié)議進行通訊。利用K60單片機的UART（通用異步收發(fā)傳輸器）模塊通過Max485芯片進行轉(zhuǎn)接實現(xiàn)RS-485 總線網(wǎng)絡。并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行CRC16算法的校驗，保證通信的穩(wěn)定。

3.4 溫度控制電路

本設計采用的水楊酸法檢測氨氮含量要求試劑在40℃下進行化學反應，所以必須控制加熱池的溫度恒定在40℃。溫度控制模塊使用DS18B20溫度傳感器測量水溫，并加入PID算法對溫度進行控制，使得溫度恒定在40±0.5攝氏度，確保試劑進行充分化學反應，使得測量結(jié)果更加精確。

3.5 LCD的顯示和觸控

本設計使用3.2寸的TFT液晶顯示觸摸屏，對加熱池溫度和氨氮濃度的檢測結(jié)果進行直觀實時的顯示。并通過觸摸屏控制加熱池和執(zhí)行器件（振動器和攪拌器）的啟停，并對蠕動泵的啟停、轉(zhuǎn)速進行控制。

4 系統(tǒng)的軟件設計

水質(zhì)檢測軟件是水質(zhì)檢測的關(guān)鍵，軟件分兩個部分組成一部分為下位機水質(zhì)檢測軟件，另一部分為上位機的數(shù)據(jù)庫軟件。

下位機程序使用C語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為IAR7.0。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應，程序中各個模塊使用中斷方式實現(xiàn)。上位機軟件采用Access作為數(shù)據(jù)庫，對用戶信息、標準曲線等信息進行入庫管理，在程序中通過ADO方式對數(shù)據(jù)庫進行訪問。通過數(shù)據(jù)庫的連接，對軟件檢測中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲，便于以后的數(shù)據(jù)查詢和維護。

如圖4為檢測系統(tǒng)軟件工作流程圖。

5 系統(tǒng)的測試和實驗

本文主要對水質(zhì)氨氮檢測進行了研究， 并在此基礎上開發(fā)出了水質(zhì)氨氮檢測系統(tǒng)，并做出了實物樣機。作為一種實用型儀器， 其測量數(shù)據(jù)的可靠性， 數(shù)據(jù)的精度是極為重要的，這里對水質(zhì)氨氮含量的數(shù)據(jù)進行分析論證。

以上是對不同濃度的氨氮標準樣品，采用自制的水質(zhì)氨氮檢測儀測量得到的 AD 采樣值、 吸光度， 以及利用郎伯 -比爾定律和曲線擬合算法計算得出的樣機氨氮濃度值數(shù)據(jù)。為了對樣機濃度進行修正， 采用最小二乘法算法并用大量實驗數(shù)據(jù)計算得出氨氮濃度修正函數(shù)為

標準曲線的繪制是配制一系列已知濃度的氨氮溶液（標準溶液），在660nm波長下分別測定標準溶液的吸光度。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以濃度作為橫坐標，測量對應的吸光度作為縱坐標。根據(jù)朗伯-比爾定律在一定范圍內(nèi)，不同濃度的標準液的吸光度成一條直線，通過曲線擬合的方法把已測得的吸光度數(shù)據(jù)繪制成標準曲線。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制標準曲線。

其中曲線1表示根據(jù)實際值所繪制的曲線，曲線2表示采用最小二乘法算法修正后的函數(shù)值。從圖中可以看出修正后所繪制的曲線與實際值接近，符合測量要求。

6 結(jié)束語

本設計在詳細分析了測量水質(zhì)氨氮濃度的水楊酸分光光度法的基礎上，確定了氨氮檢測系統(tǒng)的工作原理?；贏RM設計了整個系統(tǒng)的硬件電路和軟件的編寫，實現(xiàn)了對氨氮檢測整個流程的精確控制。采用最小二乘法建立吸光度和溶液濃度之間的關(guān)系， 簡化了數(shù)學模型， 并在其實際應用中， 展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和線性度，對中、 高濃度的測量結(jié)果更加精確。并經(jīng)過實驗室條件下的測試，本設計的測量結(jié)果與實際值基本吻合，滿足了設計要求。

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