基于STM32的溶氧監(jiān)測儀設(shè)計

劉　輝， 范良忠， 劉　鷹

(1 太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3 中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

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基于STM32的溶氧監(jiān)測儀設(shè)計

劉輝1,2， 范良忠2， 劉鷹3

(1 太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3 中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

摘要：為解決海上浮標(biāo)溶氧傳感器存在功耗大、標(biāo)定復(fù)雜等問題，研究設(shè)計了一種基于STM32的低功耗、高性能溶氧監(jiān)測儀，并針對海上浮標(biāo)提出紅外標(biāo)定設(shè)計，實現(xiàn)溶氧傳感器的自動標(biāo)定。利用單電源數(shù)據(jù)采集電路結(jié)合STM32多通道ADC，精確計算出溶氧值；利用STM32的輸入捕獲功能解碼紅外遙控信號，實現(xiàn)電壓-溶氧曲線的斜率標(biāo)定，最大程度避免因溶氧標(biāo)定而頻繁拆卸，造成浮標(biāo)體內(nèi)部密封性變差的風(fēng)險；省電模式滿足低功耗的要求，可以提高蓄電池的供電時長；集成MODBUS協(xié)議的RS485端口可實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，為遠(yuǎn)程監(jiān)測打下基礎(chǔ)。結(jié)果表明，溶氧監(jiān)測儀采集精度較高，能在無光照情況下連續(xù)運行5～6 d。該設(shè)計可以提高海上浮標(biāo)的穩(wěn)定性和密封性，為工作人員提供了極大的便利，具有成本低、體積小、便于安裝等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：STM32；水質(zhì)監(jiān)測；紅外標(biāo)定；溶氧

我國是全球最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國[1-2]，海洋漁業(yè)是水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要內(nèi)容之一[3]。水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測是海洋漁業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，其中對水質(zhì)溶氧的監(jiān)測則是水質(zhì)監(jiān)測的首要目標(biāo)。歐美許多儀器儀表公司，如美國的YSI及HACH、意大利的HANNA和法國的Polymerton等[4-5]，相繼研制出多種型號的水質(zhì)分析儀；國內(nèi)也研制了相應(yīng)的產(chǎn)品，如AJ-1型水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測儀、小型一體化多參數(shù)水質(zhì)數(shù)字在線監(jiān)測儀等[6]。目前，水質(zhì)監(jiān)測儀在海水水質(zhì)監(jiān)測方面依舊存在一些問題，如：由于海水水質(zhì)的監(jiān)測環(huán)境的特殊性，設(shè)備要求較高的密封性，而水質(zhì)傳感器大多數(shù)會因附著物、元件老化以及電解液的消耗等原因需要定期標(biāo)定[7-9]，每次標(biāo)定過程都需要打開密封蓋對儀器進行操作，長此以往，不可避免地會發(fā)生密封性不良等問題；另外，大多數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀并非海上浮標(biāo)專用，由于設(shè)備耗電量較大，以太陽能供電難以應(yīng)對長時間陰天等特殊情形[10]。為了解決上述問題，并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測溶氧采集方面的相關(guān)研究，設(shè)計了一種基于STM32的水質(zhì)溶氧監(jiān)測儀。

1總體設(shè)計方案

選用STM32F103VCT6芯片，芯片內(nèi)核為Cortex-M3[11]，設(shè)計主要分為ADC數(shù)據(jù)采樣模塊、溫度采集模塊、紅外標(biāo)定模塊、RS-485輸出、JTAG下載電路等相關(guān)模塊。通過利用STM32 的ADC功能實現(xiàn)對溶氧信號的采集[12]，溫度模塊采用不銹鋼封裝防水型的DS18B20溫度傳感器，通過單總線技術(shù)實現(xiàn)與STM32的通信；STM32定時器的輸入捕獲功能用于紅外標(biāo)定，當(dāng)把傳感器探頭置于空氣中時，待溶氧值穩(wěn)定后，按下遙控器，結(jié)合當(dāng)前溫度對應(yīng)的飽和溶氧，即可修正電壓-溶氧曲線，進而完成標(biāo)定；同時監(jiān)測儀集成MODBUS協(xié)議可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[13]，為監(jiān)測儀提供良好的擴展性，而數(shù)碼管顯示和報警等輔助功能也可為現(xiàn)場工作人員提供有價值的數(shù)據(jù)。溶氧監(jiān)測儀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1　The system topology

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1單電源數(shù)據(jù)采集電路

采用雨研信息科技(上海)有限公司研制的W-DO-YDC型溶氧傳感器。由于傳感器的輸出電壓為小電壓信號，為了滿足STM32的采樣范圍和精度，需要將原始輸出信號放大，放大電路利用放大器AD623單電源數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn)。AD623能在單電源下提供滿電源幅度的輸出，允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到良好的用戶靈活性，并通過提供極好的、隨增益增大而增大的交流共模抑制比來保持最小的誤差[14-15]。其差分輸出為：

V0=(1+100/RG)Vc

式中：V0—差分輸出電壓，V；RG—放大增益電阻值，kΩ；Vc—放大前電壓，V。

單電源數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。電橋電路由+5 V電源供電；電源去耦電容為0.1 μf陶瓷電容和10 μf鉭電解電容；輸入信號為傳感器電壓信號，信號范圍0～20 mV；5號引腳REF接入1 V基準(zhǔn)電壓，1號引腳與8號引腳間RG=1.02 kΩ，即將原始電壓放大100倍，其差分輸出電壓1 V≤V0≤3 V。

圖2　單電源數(shù)據(jù)采集電路Fig.2　The single power data acquisition circuit

2.2紅外標(biāo)定電路

紅外遙控標(biāo)定利用STM32輸入捕獲功能實現(xiàn)遙控解碼。紅外遙控的編碼廣泛使用NEC協(xié)議[16]，1個脈沖對應(yīng)560 μs的連續(xù)載波，1個邏輯1傳輸需要2.25 ms(560 μs脈沖+1 680 μs低電平)，1個邏輯0傳輸需要1.125 ms(560 μs脈沖+560 μs低電平)[17]，紅外遙控接收頭連接在STM32的PC8(TIM3_CH3)上，程序中設(shè)計TIM3_CH3為輸入捕獲，將收到的標(biāo)定及標(biāo)定確認(rèn)脈沖信號解碼即可實現(xiàn)紅外標(biāo)定(圖3)。

圖3　紅外標(biāo)定電路Fig.3　The infrared calibration circuit

2.3其他電路

供電系統(tǒng)選用電壓12 V容量30 AH磷酸鐵鋰電池供電，利用降壓芯片LM2576-5V以及LM1117將12 V直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V；時鐘電路分為外部高速時鐘(HSE)和外部低速時鐘(LSE)，HSE選用8 MHZ晶振，外部時鐘為32.768 kHZ；RS485電路由芯片SP3485作為收發(fā)器，支持3.3 V供電，最大傳輸速度可達(dá)10 Mbps，并有輸出短路保護。監(jiān)測儀還設(shè)計有6個共陰數(shù)碼管，4個LED警示燈以及1個3.3 V蜂鳴器。 LED警示燈用來顯示系統(tǒng)的各個運行狀態(tài)，共有3種狀態(tài)：正常運行、標(biāo)定模式和低功耗模式。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1溶氧標(biāo)定原理

溶氧傳感器出廠前，廠家已經(jīng)對溶氧-電壓曲線進行了標(biāo)定，在長期使用過程中，傳感器探頭會因電極老化以及電解液消耗等原因而需要重新標(biāo)定。實際應(yīng)用中，出廠后的傳感器零點很穩(wěn)定，即使更換電解液后漂移量也很小，主要對斜率進行重新標(biāo)定，所以標(biāo)定采用單點飽和空氣斜率標(biāo)定方式(圖4)。橫坐標(biāo)為傳感器輸出小電壓信號，縱坐標(biāo)為溶氧值，Y曲線為標(biāo)定前電壓-溶氧曲線，Y″為標(biāo)定后電壓-溶氧曲線。

首先將傳感器置于濕潤空氣中，若此時周圍環(huán)境溫度對應(yīng)的飽和溶氧值為YT(程序中通過查詢的方式確認(rèn)溫度對應(yīng)的飽和溶氧值)，傳感器輸出的電壓為XT，則可確定點T；又知出廠時設(shè)定的零點，即可確定曲線的斜率K″，進而計算出曲線Y″。標(biāo)定時按下遙控器標(biāo)定按鈕后放置5～10 min左右，待溶氧值穩(wěn)定后，按下紅外遙控標(biāo)定確認(rèn)按鈕，即完成標(biāo)定過程。

圖4　標(biāo)定原理圖Fig.4　The calibration diagram

3.2各模塊軟件設(shè)計

采用MDK-ARM作為開發(fā)平臺，開發(fā)程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、溫度采集程序、溶氧紅外標(biāo)定、低功耗模式、串行通信程序。主程序主要實現(xiàn)各模塊的初始化以及I/O口、時鐘配置。

STM32的ADC是12位逐次逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，共有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源，轉(zhuǎn)換時間為1 μs。以ADC轉(zhuǎn)換設(shè)計為注入通道組，采用單次轉(zhuǎn)換模式，數(shù)據(jù)右對齊，使能ADC后每隔10 s觸發(fā)1次定時器并進入中斷，完成1次信號采樣，根據(jù)采樣電壓值，對照電壓-溶氧曲線即可計算出此時的溶氧值。

DS18B20溫度傳感器采用單總線技術(shù)實現(xiàn)溫度采集，根據(jù)總線時序完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)和指令的收發(fā)[18]。DS18B20共有6種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1，發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)均為低位字節(jié)在前[19-20]。溫度采集過程：復(fù)位→發(fā)SKIP ROM命令→發(fā)開始轉(zhuǎn)換命令→延時→復(fù)位→發(fā)送SKIP ROM命令→發(fā)讀存儲器命令→連續(xù)讀出兩個字節(jié)數(shù)據(jù)→結(jié)束。程序中將溶氧值并結(jié)合溫度值，利用RS485通信方式將數(shù)據(jù)不間斷發(fā)送至上位機，發(fā)送間隔依實際需要可設(shè)定為10 s、30 s、1 min、5 min和10 min等。

程序中設(shè)有正常模式、標(biāo)定模式、低功耗模式3種工作模式，每種模式對應(yīng)不同的開啟模塊數(shù)量，通過使能或失能相應(yīng)時鐘控制模塊功能的開啟和關(guān)閉。設(shè)計3種工作模式，可以最大程度發(fā)揮蓄電池的供電能力，保證監(jiān)測儀長時間穩(wěn)定運行，同時也擴大了監(jiān)測儀的應(yīng)用范圍，可以適應(yīng)有持續(xù)供電來源的應(yīng)用場合。

4結(jié)果與分析

4.1實驗室測試

實驗室測得正常模式、標(biāo)定模式、低功耗模式下電流分別為0.46 A、0.38 A、 0.25 A，利用30 AH蓄電池供電、開啟低功耗模式且無光照的情況可持續(xù)運行5～6 d。

將YSI 600R型水質(zhì)傳感器和本監(jiān)測儀同時放入相同的實驗室水池中，每隔20 min記錄下兩者的溫度值和溶氧值。表1為不同天、不同時刻記錄的5組數(shù)據(jù)(A)，誤差計算以YSI 600R型傳感器為基準(zhǔn)值(A0)，并根據(jù)公式γA=∣A-A0∣/A0，計算得出每組數(shù)據(jù)的相對誤差(γA)。由標(biāo)定原理可知，溶氧值的準(zhǔn)確性與溫度的精度密切相關(guān)，如果溫度的采集精度不夠，就無法實現(xiàn)溶氧-電壓曲線的精確標(biāo)定，也就無法獲得精確的溶氧值。從表1可以看出監(jiān)測儀溫度的相對誤差很小，基本沒有達(dá)到1%的情況，精度可達(dá)到99%；溶氧值的相對誤差也可滿足應(yīng)用需要，精度可達(dá)到97%以上。

4.2海上應(yīng)用測試

將本監(jiān)測儀放入浮標(biāo)體內(nèi)部密封桶內(nèi)，安置于浙江舟山2個不同監(jiān)測點，1號監(jiān)測點位于普陀區(qū)六橫鎮(zhèn)臺門港海域，2號監(jiān)測點位于六橫鎮(zhèn)小黃沙海域。圖5為2015年12月內(nèi)選取的2個監(jiān)測點溶氧數(shù)據(jù)生成的曲線，時間跨度從中午12點至次日中午12點，數(shù)據(jù)采樣間隔為20 min，即

表1　實驗結(jié)果

系統(tǒng)每隔20 min將采集的數(shù)值上傳至服務(wù)器?？梢钥闯?，2個監(jiān)測點溶氧變化曲線趨勢大體相同，但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，小范圍內(nèi)的波動較頻繁。另外，與1號監(jiān)測點相比，2號監(jiān)測點離海岸更近，且海水?dāng)噭臃容^大，1號監(jiān)測點相對離海岸遠(yuǎn)，視野范圍內(nèi)空曠，使得2號監(jiān)測點的波動要比1號監(jiān)測點更強烈。曲線變化趨勢符合實際情況。

圖5　海上測試24 h溶氧變化曲線Fig.5　The 24-hour changing curve of dissolved oxygen from the sea test

4.3測試結(jié)果分析

將本監(jiān)測儀與YSI 600R型水質(zhì)傳感器和CLEAN 3000系列傳感器進行測試對比發(fā)現(xiàn)，3種監(jiān)測儀均能滿足精確度的要求，但在標(biāo)定環(huán)節(jié)具有較大差異。YSI 600R型水質(zhì)傳感器只有傳感器本體，無表頭顯示裝置，其標(biāo)定過程需攜帶PC并安裝配套軟件，軟件利用RS232通信方式發(fā)送標(biāo)定指令，傳感器接收到標(biāo)定指令并完成參數(shù)的修正；CLEAN 3000系列傳感器帶有表頭顯示裝置，標(biāo)定時需打開浮標(biāo)密封體，通過操作表頭按鍵完成。與兩者相比，本監(jiān)測儀既帶有本地顯示又能簡化標(biāo)定過程，標(biāo)定時只需攜帶紅外遙控器，且無需打開密封體；另外，由于紅外線穿透能力有限，可多臺設(shè)備共用1部紅外遙控裝置，操作人員只需攜帶1部遙控裝置就可依次完成養(yǎng)殖范圍內(nèi)所有溶氧監(jiān)測儀的標(biāo)定。綜上，本監(jiān)測儀運行狀態(tài)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠、精確度高且操作簡便，與目前常用的水質(zhì)溶氧監(jiān)測儀相比，具有顯著優(yōu)點。

5結(jié)論

利用STM32 自帶的ADC功能可實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體溶氧的自動監(jiān)測，采用紅外遙控方式標(biāo)定電壓-溶氧曲線，標(biāo)定過程無需拆卸浮標(biāo)密封體，提升了浮標(biāo)的密封性，保證浮標(biāo)能長時間穩(wěn)定運行。該溶氧檢測儀具有實時性強、功耗低等優(yōu)點，其RS485通信接口結(jié)合GPRS DTU，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集，為用戶提供更便捷的信息資源，符合當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測的發(fā)展趨勢。隨著水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，利用紅外等無線方式標(biāo)定傳感器的監(jiān)測儀具有更廣闊的應(yīng)用空間和市場。

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Design of dissolved oxygen monitor based on STM32

LIU Hui1,2, FAN Liangzhong2, LIU Ying3

(1CollegeofElectronicInformationEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2NingboInstituteofScience&TechnologyofZhejiangUniversity,Ningbo315100,China;3InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China)

Abstract：In view of the current problems of sea buoy dissolved oxygen (DO) sensors such as high power consumption, complex calibration processes, etc., a STM32-based DO monitor with low power consumption and high performance was designed, which realized the automatic calibration of the DO sensor through infrared calibration design. With the design, the DO value can be accurately calculated using the combination of single power data acquisition circuit and multi-channel STM32 ADC. The design makes use of the input capture function of STM32 to decode the infrared remote control signals, realizing the slope calibration of voltage-DO curve, and effectively avoiding the tightness risks of buoys caused by the frequent disassembly due to calibration of oxygen. Power saving mode meets the requirements of low power consumption and can improve the power supply duration of the battery. The RS485 port integrating with the MODBUS protocol can achieve remote communication, and lay a solid foundation for remote monitoring. Experimental results show that the DO acquisition accuracy of the monitor is higher, and monitor can run continuously for 5-6 days under no-light condition. This design can greatly improve the stability and tightness of buoys, and provide great convenience for the working staff with the advantages of low cost, small volume, and easy installation.

Key words：STM32; water quality monitoring; infrared calibration; dissolved oxygen

中圖分類號：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-9580(2016)02-028-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.02.006

作者簡介：劉輝(1989—)，男，碩士研究生，研究方向：智能控制技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：liuhui19881210@163.com通信作者：范良忠(1980—)，男，副教授，研究方向：計算機應(yīng)用。E-mail：fan_liangzhong@126.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金(31302231)；浙江省教育廳科研項目(Y201226043)；寧波市自然科學(xué)基金(2012A610110)

收稿日期：2015-12-03修回日期：2016-02-12