基于Freescale的水質氨氮檢測系統的設計

麻銳敏

摘 ? 要：針對水質污染情況的嚴重性和水質主要污染源之一的氨氮缺乏實時檢測的情況，設計了一套基于Freescale單片機芯片的水質氨氮檢測系統，可以實時和快速地計算出水質中氨氮的含量。檢測系統的硬件部分設計主要包括微處理器模塊、溫度控制模塊、存儲模塊、信號采集模塊以及通信模塊的電路設計，軟件部分對不同的模塊進行程序設計以及上位機軟件平臺的開發。最后對整個系統進行實驗測試，實驗結果表明檢測系統可以滿足氨氮檢測的精度要求。

關鍵詞：水質;氨氮檢測;Freescale;設計;實驗

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Design of Ammonia Nitrogen Detection System

for Water Quality Based on Freescale

MA Rui-min？覮

（Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，Baoji，Shaanxi 721001，China）

Abstract： In view of the seriousness of water pollution and the real-time detection of ammonia nitrogen，one of the main pollution sources of water quality，a set of ammonia nitrogen detection system based on Freescale is designed，which can calculate the content of ammonia nitrogen in the water quality in real time and quickly. The hardware design of the detection system mainly includes the microprocessor module，the temperature control module，the storage module，the signal acquisition module and the circuit design of the communication module. The software part is designed for different modules and the development of the upper computer software platform. Finally，the whole system is tested. The experimental results show that the system can meet the accuracy requirement of ammonia nitrogen detection.

Keywords： water quality;ammonia nitrogen detection;Freescale;design;experiment

雖然我國經濟飛速發展，社會不斷進步，但是水質污染問題日趨嚴重，其中，氨氮污染就是水質重要的污染源之一。中國環保部的相關數據顯示，我國2014年氨氮總排放量為283.5噸，這必將對重要水體帶來污染。因此，能夠快速、實時、精確的檢測出水源中氨氮含有量對于保護水資源和保障人們用水安全至關重要。本文選用飛思卡爾微處理器為控制核心，設計了一套水質氨氮檢測系統，能夠實現遠程對氨氮進行實時、準確檢測，給水質保護提供有效的監測信息。

1 ? 水質氨氮檢測的方法

水質氨氮存在與水質的形式為呈現游離態的氨和離子態的氮，兩者的比例由水溫和PH值決定。目前，對于水質氨氮檢測的方法有如下幾種方法，它們有各自的使用范圍和優缺點，見表1。

從表中可以看出，氨氣敏電極法相比其它的三種方法，具有測量范圍廣，測量精度高，測量程序簡單的優點，且缺點不是很明顯。因此，本系統根據工業環境的設計要求，選擇氨氣敏電極法對水質氨氮含量進行檢測。

2 ? 系統概述

根據氨氮檢測系統的要求，本文選擇飛思卡爾MC9S12XS128單片機芯片作為微處理器，控制系統中的溫度控制模塊、信號采集模塊、通信模塊和風機控制模塊等，系統的結構原理圖，如圖1所示。溫度控制模塊主要負責對信號采集模塊采集的溫度信號進行恒溫控制，避免溫度變化對測量結果帶來誤差。信號采集模塊主要采集氨氮信號和溫度信號等。通信模塊作為系統與上位機通信的媒介，保證采集信號的實時傳輸。存儲模塊就是將采集到的數據信息進行存儲，保證數據有效的保存。

3 ? 系統硬件部分設計

系統微控制器部分選擇飛思卡爾的MC9S12XS128芯片作為中央處理器，該芯片有112個管腳，供電電源為5 V，外部連接與16 MHz晶振相連，經過倍頻可以達到80 MHz，可以滿足系統設計的要求。微控制器控制著整個系統的運行，包括：溫度控制模塊、存儲控制模塊、信號采集模塊以及通信模塊。

3.1 ? 信號采集模塊的電路設計

系統信號采集模塊采集的溫度傳感器的信號，以保證待檢測水質的恒溫控制;采集的氨氣敏電極的信號，可以計算出水質中氨氮含有量。系統的信號采集，考慮到兩種不同采集信號，氨氣敏電極信號的采集時考慮到誤差干擾，電路設計的時候選擇了AD8603緩沖放大器，可以有效的較少失調誤差，保證采集信號的精度。而溫度采集選擇PT100的溫度傳感器，適用溫度范圍為1-100℃，傳感器的電阻變化范圍為100-138 Ω，產生電壓信號變化范圍為210-290 mV。模數轉換芯片選擇了AD7793芯片，該芯片噪聲低，精度高，可以精確地將氨氣敏電極的信號和溫度信號進行AD轉換。信號采集模塊的電路原理圖，如圖2所示，可以實現精準采集溫度信號和氨氣敏電極信號，是系統對水質氨氮檢測的核心部分。

3.2 ? 溫度控制模塊的電路設計

系統的溫度控制就是對待測量水質進行恒溫控制。溫度控制模塊包括電機攪拌控制部分和加熱棒控制兩個部分組成。電機攪拌控制部分就選擇兩相步進電機，通過微控制器發出的控制信號驅動步進電機，可以實現對待測量水質進行攪拌。當收到微控制器加熱信號之后，加熱棒控制部分就會啟動，給待測水質加熱，并且可以實現待測水質的恒溫控制。

3.3 ? 存儲模塊的電路設計

數據存儲主要是將系統的配置參數和測量數據存儲起來，存儲模塊的任務就是存儲這些數據，保證數據完整性和有效性。本文選擇的外部存儲芯片是由ATMEL公司生產的AT24C512外部存儲芯片，存儲容量為512 K，與微控制器通過IIC協議進行通信。存儲模塊的電路原理圖，如圖3所示，圖中端口5和6分別通過上拉電阻連接到微控制器上，然后通過為控制IO口的通信時序，可以實現微控制器與存儲模塊的數據傳遞。

3.4 ? 通信模塊的電路設計

通信模塊是將現場檢測到的數據信息通過串口通信模塊傳遞到上位機上面，實現對水質中氨氮濃度的遠程監測。由于微控制器的通信接口是RS232接口，就需要通過RS232轉換成RS485，然后通過RS485通信芯片SN65LBC184，實現上位機與下位機的數據傳輸。通信模塊的電路原理圖，如圖4所示。

4 ? 系統軟件部分設計

水質氨氮檢測系統的軟件部分的設計包括了上位機的軟件設計以及各控制模塊的程序設計等。上位機的軟件開發在VC6.0的開發環境中，采用VC++編程語言，包括了系統的參數配置部分和用戶交互部分等，實現了人機交互，簡單方便快捷。系統的下位機軟件設計基于CodeWarrior軟件開發環境中，是飛思卡爾微處理器的軟件開發人員設計和調試的重要軟件設計平臺。

4.1 ? 信號采集模塊的程序設計

信號采集模塊的程序設計流程圖，如圖5所示，對于傳感器采集到的原始數據進行模數轉換的過程。進入信號采集程序之后，首先進行寄存器增益、模擬輸入通道等信息的配置，然后啟動模數轉換，等到模數轉換完成，讀取寄存器中的相關數據，就可以得到相應的模擬量數據。

4.2 ? 通信模塊程序設計

水質氨氮檢測系統的通信模塊程序設計包括串口通信模塊發送和接收兩個部分。通信模塊發送數據程序設計流程圖，如圖6所示，通信模塊發送數據時，首先進入中斷服務程序中，然后啟動通信發送程序，判斷通信總線是否空閑，如果總線空閑，在總線不沖突的情況下，將數據發送完成。通信模接收數據程序設計流程則是，當檢測到上位機發送的數據信號時，系統發出通信中斷命令請求，進入中斷后按照接收協議，接收相應的數據。

4.3 ? 溫度控制模塊程序設計

考慮到溫度變化會對蛋蛋檢測結果產生影響，系統對溫度的控制十分嚴格。溫度控制模塊程序設計流程圖，如圖7所示，首先獲取實際溫度和參考溫度值，計算得出溫度偏差e，通過PID控制算法，計算控制量后輸出，控制系統溫度值。

5 ? 系統調試和試驗測試

經過對系統軟件、硬件部分的設計之后，搭建了水質氨氮檢測試驗平臺，并經過多次試驗測試發現：系統選擇在恒溫20 ℃環境下，對水質中氨氮含量進行檢測分析。試驗過程中，待檢測6種樣品的氨氮含量均為已知，分別用檢測系統氨氮濃度檢測，檢測結果見表2。從表中可以發現，對不同樣品的檢測，實際濃度值和檢測濃度值之間的偏差在設計范圍之內，符合設計要求。

6 ? 結 ? 論

針對目前水質污染情況的日趨嚴重性，設計了基于飛思卡爾的水質氨氮檢測系統。經過對系統的軟硬件設計之后，搭建了氨氮檢測試驗平臺，經過多次試驗之后發現，系統可以遠程實時、精確的檢測出水質中的氨氮濃度，為水質的濃度實時監測提供了有力的技術保障。

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