基于STM32F4和μC/OS-III的水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張根寶，程震晨

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021）

基于STM32F4和μC/OS-III的水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張根寶*，程震晨

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021）

針對(duì)水質(zhì)氨氮濃度檢測(cè)存在連續(xù)檢測(cè)困難、精度低的問題，研制了一種新型水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)。以比爾-朗伯定律作為濃度檢測(cè)理論依據(jù)，確定了基于連續(xù)流動(dòng)水楊酸分光光度法檢測(cè)原理的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。基于STM32F407微控制器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)。使用標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精度高，符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

水質(zhì)檢測(cè)；氨氮檢測(cè)；分光光度法；STM32F4；μC/OS-III；最小二乘法

水質(zhì)氨氮含量檢測(cè)是水質(zhì)檢測(cè)重要方面，水體中合適的氨氮含量對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖等是有利的，但封閉水體中氨氮含量過高時(shí)就會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，影響生產(chǎn)和生活，因此水質(zhì)氨氮含量的檢測(cè)和排放控制對(duì)于保護(hù)水環(huán)境有重要意義［1-2］。傳統(tǒng)的水質(zhì)氨氮含量檢測(cè)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(cè)工作量的增加和檢測(cè)精度要求的提升，傳統(tǒng)檢測(cè)方法的儀器化和系統(tǒng)化成為必然趨勢(shì)［3］。

1 檢測(cè)原理與系統(tǒng)組成

1.1 流動(dòng)注射分光光度法

光度分析技術(shù)是利用物質(zhì)具有對(duì)光的選擇性吸收特征而建立的定量分析技術(shù)。水楊酸分光光度法的原理是在堿性介質(zhì)（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(yīng)生成藍(lán)色化合物，使用選定波長(zhǎng)的光照射被測(cè)物質(zhì)，再根據(jù)吸光度計(jì)算水質(zhì)氨氮含量［1］。計(jì)算吸光度與溶液濃度的理論依據(jù)是比爾-朗伯定律：當(dāng)一束光強(qiáng)為I0平行單色光通過濃度為C，厚度為L(zhǎng)的均勻、非散射吸光物質(zhì)溶液時(shí)，溶液的吸光度A與溶液濃度和液層厚度有如式（1）的關(guān)系

式中，A為吸光度，It為透射光強(qiáng)度，K為摩爾吸收系數(shù)。

分光光度法顯色反應(yīng)得出的吸光度會(huì)隨反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)條件變化，傳統(tǒng)的手工操作會(huì)由于操作的不準(zhǔn)確性造成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度降低［2］。因此，本設(shè)計(jì)將分光光度法與微機(jī)化流動(dòng)注射技術(shù)相結(jié)合，建立基于流動(dòng)注射分光光度法的檢測(cè)方案，試樣與試劑在微機(jī)控制的蠕動(dòng)泵推動(dòng)下進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)模塊，在密閉的管路中連續(xù)流動(dòng)，被氣泡按一定的間隔規(guī)律地隔開，并按照特定的順序和比例混合、反應(yīng)、顯色完全后進(jìn)入流動(dòng)檢測(cè)池進(jìn)行光度檢測(cè)，微機(jī)集中控制檢測(cè)過程、處理檢測(cè)數(shù)據(jù)得出檢測(cè)結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)整體組成

本系統(tǒng)整體上可以分為計(jì)算機(jī)控制、樣品配送、樣品處理、檢測(cè)池恒溫測(cè)控，數(shù)據(jù)采集與處理等模塊。計(jì)算機(jī)控制單元作為核心單元采集和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)其他單元工作。按照流動(dòng)方向，待測(cè)水樣（或標(biāo)準(zhǔn)液）和相關(guān)試劑首先由三臺(tái)多通道蠕動(dòng)泵以設(shè)定轉(zhuǎn)速，按順序成比例抽取進(jìn)入三級(jí)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(jìn)入40℃恒溫加熱池充分化學(xué)反應(yīng)后，進(jìn)入檢測(cè)池，分光光度檢測(cè)裝置進(jìn)行吸光度檢測(cè)得到吸光度數(shù)據(jù)，混合溶液經(jīng)處理成為廢液排出檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

2 硬件

2.1 主控單元

選用意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的高性能微控制器STM32F407設(shè)計(jì)水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的主控單元。該微控制器芯片基于ARM公司32 bit Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率可達(dá)168 MHz，內(nèi)置大容量高速存儲(chǔ)器，集成多個(gè)高精度AD、DA轉(zhuǎn)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(shù)字信號(hào)處理能力。芯片集成豐富的片上資源和外設(shè)接口，且具有較高的性價(jià)比，可以有效保證系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求。

主控單元是系統(tǒng)的核心單元，其性能很大程度上決定系統(tǒng)整體性能，本系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。主控單元配備所需電源和調(diào)試接口，通過RS485接口和蠕動(dòng)泵通信規(guī)約控制蠕動(dòng)泵工作。通過內(nèi)部集成的靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（FSMC）與TFTLCD的控制芯片通訊，設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面。通過STM32F4集成的12 bit ADC和吸光度檢測(cè)電路完成吸光度數(shù)據(jù)采集。加熱池設(shè)計(jì)PID溫度控制回路確保恒定的化學(xué)反應(yīng)溫度。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 蠕動(dòng)泵

本系統(tǒng)對(duì)于試樣流動(dòng)速度的穩(wěn)定性和精確性要求較高，選用某廠家BT100M型蠕動(dòng)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(zhuǎn)速可手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可通過外控接口進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速范圍在1 rad/min～100 rad/min，分辨率達(dá)到0.1 rad/min。選用氣密性好、析出物低、吸附性低的蠕動(dòng)泵管，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，得到該型號(hào)蠕動(dòng)泵與泵管組合的轉(zhuǎn)速與試樣流速關(guān)系，得到各試樣流速的對(duì)應(yīng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速。

本系統(tǒng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速通過圖形用戶界面（GUI）設(shè)置和微調(diào)，主控單元通過RS485通訊接口異步半雙工通訊控制蠕動(dòng)泵運(yùn)行狀態(tài)，通信數(shù)據(jù)幀遵循基于Modbus-RTU的蠕動(dòng)泵通訊規(guī)約［5］。表1列舉了兩個(gè)數(shù)據(jù)幀格式和對(duì)應(yīng)功能，其中地址域一字節(jié)，地址為1～31，31為廣播地址；功能與對(duì)應(yīng)0x01為查詢操作，0x05為設(shè)置操作；數(shù)據(jù)地址長(zhǎng)度兩字節(jié)，對(duì)應(yīng)具體操作；數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度兩字節(jié)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速乘以10后的數(shù)據(jù)；校驗(yàn)域采用CRC校驗(yàn)方式。

表1 蠕動(dòng)泵通信數(shù)據(jù)幀和對(duì)應(yīng)功能

2.3 吸光度數(shù)據(jù)采集

根據(jù)比爾朗伯定律，采用單色性較好、波長(zhǎng)為660 nm的微型LED光源，以及恒功率控制電路保證光源光強(qiáng)精的穩(wěn)定性。透射光通過光槽，在光電傳感器處由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)需要經(jīng)過調(diào)理電路的IV轉(zhuǎn)換、濾波、放大處理，使其適合于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。本設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，輸出電壓范圍為0～3.3 V。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.4 溫度控制

由于顯色反應(yīng)需在40℃環(huán)境下，本設(shè)計(jì)在加熱池設(shè)計(jì)一個(gè)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(shù)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(wù)處理溫度數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)

3.1 軟件框架

本設(shè)計(jì)使用μC/OS-III操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。μC/OS-III是一個(gè)開源的實(shí)時(shí)內(nèi)核，按照搶占式優(yōu)先級(jí)分配任務(wù)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行管理，擴(kuò)展和模塊化處理，使得多個(gè)任務(wù)能協(xié)調(diào)運(yùn)行，節(jié)省時(shí)間和CPU開支［6］。利用該實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，確保檢測(cè)系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)時(shí)性，提升CPU利用率，且有利于產(chǎn)品維護(hù)和升級(jí)。

本系統(tǒng)的任務(wù)可分為系統(tǒng)任務(wù)，檢測(cè)控制任務(wù)、通訊任務(wù)和人機(jī)交互任務(wù)，任務(wù)進(jìn)一步細(xì)分如圖5系統(tǒng)軟件框架圖所示。根據(jù)任務(wù)要求，對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)和任務(wù)堆棧分配、程序設(shè)計(jì)，以下給出創(chuàng)建吸光度數(shù)據(jù)采集任務(wù)的相關(guān)代碼：

圖5 軟件框架圖

3.2 GUI設(shè)計(jì)

人機(jī)交互任務(wù)用于實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)氨氮濃度信息、系統(tǒng)工作狀況，以及輸入檢測(cè)過程參數(shù)、控制檢測(cè)系統(tǒng)工作。本系統(tǒng)的圖形用戶界面（GUI）基于Segger公司的GUI圖形庫emWin開發(fā)，該GUI可移植到眾多顯示控制器和操作系統(tǒng)平臺(tái)上［7-8］。設(shè)計(jì)上包括應(yīng)用層、圖形庫層、驅(qū)動(dòng)層和硬件層，層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本系統(tǒng)GUI的硬件層基于所采用的320×240分辨率的TFTLCD模塊開發(fā)。本系統(tǒng)GUI的蠕動(dòng)泵控制子界面如圖7所示，該界面可以實(shí)時(shí)顯示蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，并通過觸摸屏啟停和設(shè)置蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速。

圖7 蠕動(dòng)泵控制子界面

4 測(cè)試與校準(zhǔn)分析

在完成軟硬件整體設(shè)計(jì)后，得到基于STM32F4和μC/OS-III的水質(zhì)氨氮檢測(cè)樣機(jī)，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，首先用水代替試劑，檢查整個(gè)分析流路的密閉性和液體流動(dòng)的順暢性，系統(tǒng)穩(wěn)定后（約15 min）后開始進(jìn)試劑進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)［9，10］。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)液由10.0 mg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用溶液用水稀釋定容得到，制備5個(gè)濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)系列和1個(gè)零點(diǎn)校正液。標(biāo)準(zhǔn)液濃度以及樣機(jī)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。調(diào)用系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，采用最小二乘法，可得到擬合關(guān)系式為

繪制校準(zhǔn)曲線如圖8所示，圖中實(shí)線為樣機(jī)濃度與校準(zhǔn)后濃度的關(guān)系曲線，校準(zhǔn)濃度與實(shí)際濃度更接近，減小了零點(diǎn)漂移和量程漂移的影響，提高了線性度和準(zhǔn)確性。

表2 標(biāo)準(zhǔn)液檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 校準(zhǔn)曲線

5 結(jié)束語

本文在研究和分析連續(xù)流動(dòng)水楊酸分光光度法的基礎(chǔ)上，以比爾朗伯定律為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)了一套基于STM32F4微控制器和μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)?；赟TM32F4設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，基于μC/OS-III給出了任務(wù)框架，設(shè)計(jì)多任務(wù)協(xié)調(diào)運(yùn)行，基于emWin的GUI設(shè)計(jì)完成人機(jī)交互。依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠連續(xù)檢測(cè)、檢測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性高的特點(diǎn)，具有應(yīng)用前景。

［1］溫麗云，范朝，袁倬斌.我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的氨氮分析方法［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005（4）：28-32.

［2］尹洧.現(xiàn)代分析技術(shù)在水質(zhì)氨氮監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)無機(jī)分析化學(xué)，2013（2）：1-5.

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

［4］朱珍民，隋雪青，段斌，等.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：138-140.

［5］吳葉蘭，蘇震，熊飛，等.基于Cortex-M3和Modbus協(xié)議的測(cè)控系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010，02：42-44.

［6］楊靜，吳乃陵.嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［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(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2015（1）：39-42，50.

［9］國(guó)家環(huán)境保護(hù)部.HJ 665-2013水質(zhì)氨氮的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)-水楊酸分光光度法［S］.2014.

［10］國(guó)家環(huán)境保護(hù)部.HJ-T 101-2003氨氮水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求［S］.2003，07.

張根寶（1958-），男，漢族，陜西白水人，陜西科技大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，目前主要研究方向?yàn)?，過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究與基于嵌入式的智能儀器儀表研究開發(fā)等，xyzgb@163.com；

程震晨（1992-），男，漢族，浙江金華人，陜西科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榛谇度胧街悄軆x器儀表研究開發(fā)，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