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（1 浙江大学城市学院 浙江 杭州 310015；2 浙江省农业科学研究所 浙江 杭州 310000）
摘 要：本论文介绍一种多参数的畜牧场污水处理系统的测量仪器。仪器以LPC2132为核心单元，对生态化的畜牧场的污水处理过程中3个比较重要的参数，温度、溶解氧含量和氨氮含量进行实时在线测量，仪器可以与时间一起建立时间序列的成组数據。仪器可以就地测量显示存储测量数据，也采用了液晶实时显示测量的数据，仪器中采用卡尔曼滤波算法对其中的氨气敏电极测得的数据进行处理，提高了测量的精度和数据的可靠性。
关键词：LPC2132，污水参数检测，无色卡尔曼滤波
引言
水质监测就是通过人工或仪器设备监视和测定水体中污染物的种类，各类 污染的浓度以及其的变化趋势，通过各种方法对水质进行评价的过程。目前，我国的水质检测仪器主要以当参数向多参数检测仪过度，其中多参数检测仪发展也非常迅速，但是整体的技术远远落后于国外，因此，对水质检测仪的研究业已经成为当前水质检测中刻不容缓的一部分。从目前科学技术的发展以及应用状况来看，水质监测技术可以向以下的方向发展：
（1）随着网络技术和无线传输技术的发展，水质监测可以实现网络实时在线检测和控制；
（2）在监测区域大小方面，由小型的局部地区监测向结合卫星遥感遥测技 术的大范围，全方位监测方向发展；
（3）在水质监测的方法方面，做到综合性越来越强，灵敏度越来越高和监 测覆盖范围越来越广，这已成为该方面的主流方向。
本文的研究对象是基于ARM的畜牧场水质的检测系统，在结合国内外水质检测仪发展以及应用现状的基础上，对水质检测的技术进行了研究。本文主要设计水质检测数据的采集，实现多参数的信号采集、显示。该系统采用已有的氨氮、pH值和温度等传感器实现多参数的信号采集，采用 ARM 芯片模拟前端处理电路对多参数的采集信号进行处理，通过液晶显示屏对检测信号进行实时显示和操作等可视化信息管理。
1 系统整体设计方案
本文选用分光光度法来监测水质的氨氮情况。分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法。一定浓度的纳氏试剂与待测样品溶液中的氨氮发生化学反应生成淡红棕色胶态化合物，对波长400-425nm范围内的光具有强烈的吸收，其吸光度与溶液的浓度以及溶液层厚度成正比。通过分光光度法测定溶液在特定波长处或在一定波长范围内的吸光度，即可求得溶液中氨氮的浓度，以此判定样品溶液中氨氮的浓度和水质污染的程度。
水温监测一般采用传感器。监测用的传感器有很多选择，常用的有热敏电阻，热电偶，集成温度传感器等。其中，热敏电阻可满足水温的测量，但精度、重复性、可靠性都比较差，对于监测1℃的温度信号是不适用的；热电偶精度高、测量范围广等优点。但本研究选择直接采用集成温度传感器，其具有较高精度和重复性，输出信号恒定。
空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧。当水中溶解氧低于3-4mg/L时，许多鱼类呼吸困难；当溶解氧在2mg/L以下时，水体会发臭。一般规定水体中溶解氧至少在4mg/L以上。在本研究中选择极谱式薄膜溶解氧电极作为传感器来对水质中溶解氧进行监测。传感器结构及工作原理如下：阳电极为Ag/AgCl、阴电极为Pt，电解质为KCl溶液，顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。由于外加极化电压使得两电极间存在电位差，如果待测液中有氧存在，其则通过聚四氟乙烯薄膜在阴极发生还原反应产生电流。反应式如下：
阴极：
阳极：
针对监测数据的系统的设计与要求，采用如下的设计方案：
（1）传感器采集到的水温、氨氮和溶解氧是哪个参数信号等3路模拟量，经过信号调理电路，进入LPC2132，LPC2132对其进行运算处理，转换成可以显示的数据，实现对水温、氨氮和溶解氧三个参数的型号测量；
（2）装置采用模块式结构，模块式结构具有相对可靠、灵活、稳定和高扩展性等特点，而且给现场的使用带来了便利。综上所述，大致可以将数据采集系统设计如图1。
2 硬件設计
该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。LPC2131/2132/2138分别含有32kB、64kB和512kB的FLASH存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行JTAG接口，通过在系统编程（ISP）和UART0，或通过在应用编程（IAP）。使用应用程序也可以在程序运行时对FLAH进行擦除和/或编程，这样就为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。如果LPC2131使用了片内引导装载程序（bootloader），32/64/512kB的Flash存储器就可用来存放用户代码。
2.1 主电路设计
本文设计基于ARM的污水检测电路如图1所示，主芯片选择LPC2132，检测电路完成以下功能：
（1）小型LQFP64封装的16/32 位 ARM7TDMI-S 微控制器。
（2）8/16/32kB片内静态RAM。
（3）片内 Boot 装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP）。扇区擦除或整片擦除的时间为 400ms，1ms 可编程 256 字节。
（4）EmbeddedICE？RT 和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内 RealMonitor 软件）和高速跟踪执行代码。
（5）1 个（LPC2132/2132）或2个（LPC2138）8 路 10 位 A/D 转换器共包含16个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。
（6）2 个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、 PWM 单元（6 路输出）和看门狗。 （7）多个串行接口，包括2个16C550工业标准 UART、 2个高速 I2C 接口（400 kbit/s）、 SPITM 和 SSP（具有缓冲功能，数据长度可变）。
（8）多达47 个5V的通用I/O 口（LQFP64 封装）。
（9）通过片内 PLL 可实现最大为60MHz 的CPU操作频率，PLL的稳定时间为 100us。
（10）可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。
（11）CPU 操作电压范围：3.0～3.6 V （3.3 V+/- 10%），I/O 口可承受5V的最大电压。
2.2 电源部分设计
电源模块设计如图3所示，供电模块采用USB口取电，得到5V电源，然后经过SPX1117-3.3给系统供电。选择SPX1117 作为正向电压调节器，器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用，当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPX1117可调节，以选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压。SPX1117为提供多种3引脚封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。一个10uF的输出电容可有效 地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uF电容。综上所述，SPX1117-3.3可以满足系统的供电需求，选用此芯片作为系统的电源转换芯片。
2.3 模拟信号处理部分
信號调理模块由调零、放大和滤波三部分功能电路组成。模块接收传感器的检测信号，并对输入信号进行交直流耦合滤波、放大或衰减及输出调零，提高输入信号的信噪比和分辨率，使信号满足后续电路对输入信号的电平要求。传感器所处检测环境复杂，输出的信号微弱，很容易受到检测环境或者其他电气干扰源的高频信号干扰。采用信号调理模块消除高频干扰，并使所输出的mV级信号放大到0到3.3V信号，以满足A/D数据采集系统的电压输入要求。氨氮值检测选用美国全球水公司公司的WQ201型氨氮值值传感器，它采用玻璃复合电极原理制造，氨氮测量范围广，精度高，且具有温度补偿功能. 其中，信号调节采用双运放差分电路，其检测电路原理如图3所示.
溶解氧检测选用美国全球水公司的WQ401型溶解氧传感器，其测量范围为0到15mg，精度为± 0.1mg，工作温度为-40到50℃，具有温度补偿等功能. 其信号调理电路与氨氮值检测电路基本一致。WQ401溶解氧传感器坚固耐用、值得信赖。连接到7.6m的船舶级电缆，电缆最长可定制到150m。溶解氧传感 器输出为3线配置，4-20mA，使用船舶级环氧树脂将电子部件完全封装。
3 实验结果与分析
本文设计的检测电路流程为：系统上电后开始运行，然后开始初始化模块，初始化模块主要是初始化I/O口、配置LCD1602、配置系统时钟、配置AD转换的相关寄存器。在模块都初始化完毕后，启动一次AD转换，转换成功则继续执行程序，不成功则重新进行一次AD转换，直到成功进行AD转换。然后保存数据后并读取DS18B20的温度数据，读取成功则继续执行程序，不成功则重复读取，直到得到相关数据后，处理然后在LCD1602液晶屏上显示出来，完成后进行下一轮while循环。
4 结论
本设计通过实际的调查设计提出了一种较为有效的基于ARM的污水检测器设计的实现方案，主要用嵌入式C语言开发设备驱动程序和AD绘制相关的程序原理图。本设计选取了LPC2132的开发板和各种传感器，通过实际的工作使得软硬件系统配合起来，达到本设计的基于ARM的畜牧场污水检测器设计的设计与实现的设计目标。基于ARM的场污水检测器设计是污水检测现代化的必然趋势，只有借助现代化的信息技术与网络技术，提高管理的效率与能力，才能满足实当前社会快速变化的检测工作的需要。智能的污水检测系统是污水检测的信息化管理平台的重要组成部分。与传统的依靠人力管理的污水检测的系统相比，该系统具有成本低、易實现及管理简单等特点，可以节约管理成本，提高管理效率，特别适用于环保部门和相关工厂自查。同时该基于ARM的畜牧场污水检测器设计选用的设备及开发平台具有很好的通用性、兼容性及易移植性。其市场前景广阔，具有一定的推广价值。就目前的科技水平来说，很多数据采集系统的应用技术已经很成熟，但仍有很多方面需要完善。
参考文献：
[1] Leens， F. An introduction to I2C and SPI protocols[J]. Instrumentation& Measurement Magazine， 2009.
[2] Gonzales， David Ruimy. SPI Bus Eases Multiple MCU Hookup[J]. Design News （Boston）， 2006.
[3] 李念强，魏长智，潘建军，张羽.数据采集技术与系统设计[M]北京：机械工业出版社， 2009.
[4] 国家环境保护总局. 2009中国环境状况公报[R]. 2010，http：//www.zhb.gov.cn
[5]陈俊华. 基于ARM的水质多参数检测系统的研究[D]. 河北工业大学， 2012.
[6] 李念强，魏长智，潘建军，张羽.数据采集技术与系统设计[M]北京：机械工业出版社， 2009.
作者简介：
汪秋婷，女（1982.8-），汉族，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向：自动控制系统
基金项目：杭州市科技计划项目（20160432B27）
摘 要：本论文介绍一种多参数的畜牧场污水处理系统的测量仪器。仪器以LPC2132为核心单元，对生态化的畜牧场的污水处理过程中3个比较重要的参数，温度、溶解氧含量和氨氮含量进行实时在线测量，仪器可以与时间一起建立时间序列的成组数據。仪器可以就地测量显示存储测量数据，也采用了液晶实时显示测量的数据，仪器中采用卡尔曼滤波算法对其中的氨气敏电极测得的数据进行处理，提高了测量的精度和数据的可靠性。
关键词：LPC2132，污水参数检测，无色卡尔曼滤波
引言
水质监测就是通过人工或仪器设备监视和测定水体中污染物的种类，各类 污染的浓度以及其的变化趋势，通过各种方法对水质进行评价的过程。目前，我国的水质检测仪器主要以当参数向多参数检测仪过度，其中多参数检测仪发展也非常迅速，但是整体的技术远远落后于国外，因此，对水质检测仪的研究业已经成为当前水质检测中刻不容缓的一部分。从目前科学技术的发展以及应用状况来看，水质监测技术可以向以下的方向发展：
（1）随着网络技术和无线传输技术的发展，水质监测可以实现网络实时在线检测和控制；
（2）在监测区域大小方面，由小型的局部地区监测向结合卫星遥感遥测技 术的大范围，全方位监测方向发展；
（3）在水质监测的方法方面，做到综合性越来越强，灵敏度越来越高和监 测覆盖范围越来越广，这已成为该方面的主流方向。
本文的研究对象是基于ARM的畜牧场水质的检测系统，在结合国内外水质检测仪发展以及应用现状的基础上，对水质检测的技术进行了研究。本文主要设计水质检测数据的采集，实现多参数的信号采集、显示。该系统采用已有的氨氮、pH值和温度等传感器实现多参数的信号采集，采用 ARM 芯片模拟前端处理电路对多参数的采集信号进行处理，通过液晶显示屏对检测信号进行实时显示和操作等可视化信息管理。
1 系统整体设计方案
本文选用分光光度法来监测水质的氨氮情况。分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法。一定浓度的纳氏试剂与待测样品溶液中的氨氮发生化学反应生成淡红棕色胶态化合物，对波长400-425nm范围内的光具有强烈的吸收，其吸光度与溶液的浓度以及溶液层厚度成正比。通过分光光度法测定溶液在特定波长处或在一定波长范围内的吸光度，即可求得溶液中氨氮的浓度，以此判定样品溶液中氨氮的浓度和水质污染的程度。
水温监测一般采用传感器。监测用的传感器有很多选择，常用的有热敏电阻，热电偶，集成温度传感器等。其中，热敏电阻可满足水温的测量，但精度、重复性、可靠性都比较差，对于监测1℃的温度信号是不适用的；热电偶精度高、测量范围广等优点。但本研究选择直接采用集成温度传感器，其具有较高精度和重复性，输出信号恒定。
空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧。当水中溶解氧低于3-4mg/L时，许多鱼类呼吸困难；当溶解氧在2mg/L以下时，水体会发臭。一般规定水体中溶解氧至少在4mg/L以上。在本研究中选择极谱式薄膜溶解氧电极作为传感器来对水质中溶解氧进行监测。传感器结构及工作原理如下：阳电极为Ag/AgCl、阴电极为Pt，电解质为KCl溶液，顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。由于外加极化电压使得两电极间存在电位差，如果待测液中有氧存在，其则通过聚四氟乙烯薄膜在阴极发生还原反应产生电流。反应式如下：
阴极：
阳极：
针对监测数据的系统的设计与要求，采用如下的设计方案：
（1）传感器采集到的水温、氨氮和溶解氧是哪个参数信号等3路模拟量，经过信号调理电路，进入LPC2132，LPC2132对其进行运算处理，转换成可以显示的数据，实现对水温、氨氮和溶解氧三个参数的型号测量；
（2）装置采用模块式结构，模块式结构具有相对可靠、灵活、稳定和高扩展性等特点，而且给现场的使用带来了便利。综上所述，大致可以将数据采集系统设计如图1。
2 硬件設计
该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。LPC2131/2132/2138分别含有32kB、64kB和512kB的FLASH存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行JTAG接口，通过在系统编程（ISP）和UART0，或通过在应用编程（IAP）。使用应用程序也可以在程序运行时对FLAH进行擦除和/或编程，这样就为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。如果LPC2131使用了片内引导装载程序（bootloader），32/64/512kB的Flash存储器就可用来存放用户代码。
2.1 主电路设计
本文设计基于ARM的污水检测电路如图1所示，主芯片选择LPC2132，检测电路完成以下功能：
（1）小型LQFP64封装的16/32 位 ARM7TDMI-S 微控制器。
（2）8/16/32kB片内静态RAM。
（3）片内 Boot 装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP）。扇区擦除或整片擦除的时间为 400ms，1ms 可编程 256 字节。
（4）EmbeddedICE？RT 和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内 RealMonitor 软件）和高速跟踪执行代码。
（5）1 个（LPC2132/2132）或2个（LPC2138）8 路 10 位 A/D 转换器共包含16个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。
（6）2 个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、 PWM 单元（6 路输出）和看门狗。 （7）多个串行接口，包括2个16C550工业标准 UART、 2个高速 I2C 接口（400 kbit/s）、 SPITM 和 SSP（具有缓冲功能，数据长度可变）。
（8）多达47 个5V的通用I/O 口（LQFP64 封装）。
（9）通过片内 PLL 可实现最大为60MHz 的CPU操作频率，PLL的稳定时间为 100us。
（10）可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。
（11）CPU 操作电压范围：3.0～3.6 V （3.3 V+/- 10%），I/O 口可承受5V的最大电压。
2.2 电源部分设计
电源模块设计如图3所示，供电模块采用USB口取电，得到5V电源，然后经过SPX1117-3.3给系统供电。选择SPX1117 作为正向电压调节器，器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用，当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPX1117可调节，以选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压。SPX1117为提供多种3引脚封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。一个10uF的输出电容可有效 地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uF电容。综上所述，SPX1117-3.3可以满足系统的供电需求，选用此芯片作为系统的电源转换芯片。
2.3 模拟信号处理部分
信號调理模块由调零、放大和滤波三部分功能电路组成。模块接收传感器的检测信号，并对输入信号进行交直流耦合滤波、放大或衰减及输出调零，提高输入信号的信噪比和分辨率，使信号满足后续电路对输入信号的电平要求。传感器所处检测环境复杂，输出的信号微弱，很容易受到检测环境或者其他电气干扰源的高频信号干扰。采用信号调理模块消除高频干扰，并使所输出的mV级信号放大到0到3.3V信号，以满足A/D数据采集系统的电压输入要求。氨氮值检测选用美国全球水公司公司的WQ201型氨氮值值传感器，它采用玻璃复合电极原理制造，氨氮测量范围广，精度高，且具有温度补偿功能. 其中，信号调节采用双运放差分电路，其检测电路原理如图3所示.
溶解氧检测选用美国全球水公司的WQ401型溶解氧传感器，其测量范围为0到15mg，精度为± 0.1mg，工作温度为-40到50℃，具有温度补偿等功能. 其信号调理电路与氨氮值检测电路基本一致。WQ401溶解氧传感器坚固耐用、值得信赖。连接到7.6m的船舶级电缆，电缆最长可定制到150m。溶解氧传感 器输出为3线配置，4-20mA，使用船舶级环氧树脂将电子部件完全封装。
3 实验结果与分析
本文设计的检测电路流程为：系统上电后开始运行，然后开始初始化模块，初始化模块主要是初始化I/O口、配置LCD1602、配置系统时钟、配置AD转换的相关寄存器。在模块都初始化完毕后，启动一次AD转换，转换成功则继续执行程序，不成功则重新进行一次AD转换，直到成功进行AD转换。然后保存数据后并读取DS18B20的温度数据，读取成功则继续执行程序，不成功则重复读取，直到得到相关数据后，处理然后在LCD1602液晶屏上显示出来，完成后进行下一轮while循环。
4 结论
本设计通过实际的调查设计提出了一种较为有效的基于ARM的污水检测器设计的实现方案，主要用嵌入式C语言开发设备驱动程序和AD绘制相关的程序原理图。本设计选取了LPC2132的开发板和各种传感器，通过实际的工作使得软硬件系统配合起来，达到本设计的基于ARM的畜牧场污水检测器设计的设计与实现的设计目标。基于ARM的场污水检测器设计是污水检测现代化的必然趋势，只有借助现代化的信息技术与网络技术，提高管理的效率与能力，才能满足实当前社会快速变化的检测工作的需要。智能的污水检测系统是污水检测的信息化管理平台的重要组成部分。与传统的依靠人力管理的污水检测的系统相比，该系统具有成本低、易實现及管理简单等特点，可以节约管理成本，提高管理效率，特别适用于环保部门和相关工厂自查。同时该基于ARM的畜牧场污水检测器设计选用的设备及开发平台具有很好的通用性、兼容性及易移植性。其市场前景广阔，具有一定的推广价值。就目前的科技水平来说，很多数据采集系统的应用技术已经很成熟，但仍有很多方面需要完善。
参考文献：
[1] Leens， F. An introduction to I2C and SPI protocols[J]. Instrumentation& Measurement Magazine， 2009.
[2] Gonzales， David Ruimy. SPI Bus Eases Multiple MCU Hookup[J]. Design News （Boston）， 2006.
[3] 李念强，魏长智，潘建军，张羽.数据采集技术与系统设计[M]北京：机械工业出版社， 2009.
[4] 国家环境保护总局. 2009中国环境状况公报[R]. 2010，http：//www.zhb.gov.cn
[5]陈俊华. 基于ARM的水质多参数检测系统的研究[D]. 河北工业大学， 2012.
[6] 李念强，魏长智，潘建军，张羽.数据采集技术与系统设计[M]北京：机械工业出版社， 2009.
作者简介：
汪秋婷，女（1982.8-），汉族，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向：自动控制系统
基金项目：杭州市科技计划项目（20160432B27）