用于檢測生化需氧量的恒溫系統(tǒng)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(huán)?？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(xiàn)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(huán)境中的溶解氧濃度及氧電極測量信號均受溫度影響,但現(xiàn)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(huán)境、氧電極反應及檢測系統(tǒng)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(tǒng),可實現(xiàn)對水浴環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采用STM32F103RCT6單片機同時嵌入FreeRTOS實時操作系統(tǒng),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(diào)制(PWM)占空比對水浴溫度進行分段閉環(huán)加熱控制并將溫度顯示在上位機界面以實現(xiàn)恒溫控制。恒溫系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖1 恒溫系統(tǒng)組成框圖

圖2 恒溫系統(tǒng)實物

2 恒溫系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)主控選型

系統(tǒng)選擇低能耗且性價比高的STM32F103RCT6單片機作為主控芯片[5],其內(nèi)置ARM Cortex-M3內(nèi)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(tǒng)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(nèi)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(xiàn)高效熱傳導。加熱電路板能在系統(tǒng)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(fā)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(diào)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(nèi)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(xiàn)熱敏電阻值數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換,精度高且靈敏度好。

圖5 溫度采集電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)在STM32單片機基礎上嵌入FreeRTOS實時操作系統(tǒng)[8],以實現(xiàn)系統(tǒng)各任務同步執(zhí)行。FreeRTOS是一種基于優(yōu)先級的嵌入式多任務實時操作系統(tǒng),具有很好的移植性,可實現(xiàn)系統(tǒng)各任務同步執(zhí)行。系統(tǒng)上電開啟后進行初始化,同時創(chuàng)建功能任務并根據(jù)任務優(yōu)先級執(zhí)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(tǒng)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(nèi),系統(tǒng)通過利用PID算法控制PWM占空比對水浴溫度進行分段閉環(huán)加熱控制。在加熱周期為1 000 ms條件下將PID參數(shù)分別設定為比例系數(shù)P=72、積分系數(shù)I=0、微分系數(shù)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(wěn)定狀態(tài);加熱后期根據(jù)實時溫度值利用PID算法調(diào)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(tǒng)的測試與分析

為驗證本系統(tǒng)在應用過程中的準確度和穩(wěn)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(tǒng)進行控溫測試,溫度測試結(jié)果如表1所示,上位機顯示的溫度數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。測試結(jié)果表明:本恒溫系統(tǒng)在10 min內(nèi)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(jié)果

圖8 上位機顯示的溫度數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)語

用于檢測生化需氧量的恒溫系統(tǒng)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(huán)分段加熱控制,并在上位機界面中實時顯示溫度信息,系統(tǒng)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。