劉麒,王影

吉林化工學(xué)院,吉林吉林132022

農(nóng)田灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉麒,王影

吉林化工學(xué)院,吉林吉林132022

針對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀流路進(jìn)樣控制系統(tǒng)高穩(wěn)定性與高精度的要求，基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了流路進(jìn)樣模塊驅(qū)動(dòng)控制電路，引入蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)電路和多位閥的控制電路，并進(jìn)行電路控制精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于單片機(jī)設(shè)計(jì)控制電路可提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀流路進(jìn)樣電路的穩(wěn)定性與流路進(jìn)樣的精確度，為灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可靠性的提高奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

單片機(jī);灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀;流路控制系統(tǒng);穩(wěn)定性;高精度

水資源污染已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要影響因素之一。如果能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，及發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染并進(jìn)行治理，這對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。開(kāi)發(fā)先進(jìn)的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的實(shí)用意義和巨大的市場(chǎng)需求[1]。灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器多數(shù)通過(guò)對(duì)比目標(biāo)液與標(biāo)準(zhǔn)液的建標(biāo)曲線得出檢測(cè)結(jié)果，所以儀器流路進(jìn)樣模塊的進(jìn)樣精度直接影響了水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，儀器精確穩(wěn)定的進(jìn)樣顯得非常重要[2]。為此，論文展開(kāi)灌溉農(nóng)業(yè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的進(jìn)樣模塊控制電路的研究以提高儀器的穩(wěn)定性與水質(zhì)檢測(cè)的精確度。

1 灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的流路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，嵌入式控制系統(tǒng)采用的是Linux操作系統(tǒng)，處理器采用ARM微處理器。嵌入式控制系統(tǒng)通過(guò)控制多位閥選擇不同的試劑通路，然后控制蠕動(dòng)泵將一定量的試劑抽入檢測(cè)室，通過(guò)攪拌加快試劑的反應(yīng)。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)檢測(cè)室的液體吸收后，經(jīng)光通路由微型光譜儀接收。然后微型光譜儀通過(guò)串口將吸光度數(shù)據(jù)傳送到嵌入式控制系統(tǒng)，嵌入式控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比待測(cè)溶液吸光度和標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定待測(cè)溶液的某一成分濃度，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

1.1電路設(shè)計(jì)整體框圖

水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的整體電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。該電路以ARM微處理器為控制核心，外圍電路包括豐富的接口，理論上可以很好的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定的工作。ARM微處理器外圍電路包括復(fù)。位電路、LCD液晶顯示屏電路、觸摸屏電路、用于與上位機(jī)通信的串口電路以及其它的一些調(diào)試接口[4]。流路器件的驅(qū)動(dòng)與控制電路主要包括多位閥的串口控制電路和蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)與控制電路。其中多位閥與蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)控制電路是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是直接關(guān)系到進(jìn)樣模塊工作效果的重要內(nèi)容。

圖1 在線灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Generalstructure of irrigationagriculture water quality monitor system

圖2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Circuit diagram of the system design for water quality monitor

1.2電源電路

論文采用24 V直流電源作為系統(tǒng)供電電源，24 V直流電源可以直接為多位閥供電，也是流路系統(tǒng)中所需要的最高電壓。蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路需要12V和5V的電壓作為供電，同時(shí)USB接口電路以及LCD液晶顯示屏電路都需要5 V電壓作為電源[5]。圖3為根據(jù)固定輸出12 V電壓的LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的電源電路。電容C33是220μF的鋁電解電容，作為旁路電容，用于防止在輸入端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓，保持直流輸入電壓的穩(wěn)定[6]。肖特基二極管1N5824與電感L1并聯(lián)作為電路的續(xù)流二極管，保證電壓穩(wěn)定以及防止燒壞器件；電容C34采用的是220μF的鉭電容，作為輸出端的補(bǔ)償電容，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖3 12 V電源電路原理圖Fig.3 Principle diagram of 12V power supply circuit

2 ARM微處理器外圍電路

論文采用的ARM微處理器是Samsung公司的S3C2410芯片。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，S3C2410具有LCD控制器，提供1通道LCD專用DMA，3通道UART(通用異步收發(fā)器)、8通道10比特ADC和觸摸屏接口、2端口USB（通用串行總線）主機(jī)/1端口USB設(shè)備。

2.1復(fù)位電路

ARM微處理器的J12引腳為nRESET引腳，若要微處理器復(fù)位，則需要在nRESET引腳上加最少四個(gè)時(shí)鐘周期的低電平。電路中采用STC811T芯片作為復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生芯片，當(dāng)芯片的MR引腳上有一個(gè)從低到高的電平跳變時(shí)，RESET引腳將產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)200μS的低電平。如圖4所示，當(dāng)按鍵SW1沒(méi)有按下時(shí)，MR引腳保持高電平狀態(tài)。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，MR引腳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，按鍵被放開(kāi)后，電平恢復(fù)高電平，此時(shí)完成了一個(gè)從低到高的電平跳變，RESET引腳將產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)200 μS的低電平。RESET引腳與微處理器的J12 nRESET引腳連接，200μS的低電平時(shí)間能夠保證微處理器復(fù)位。

2.2LCD觸摸屏電路

觸摸屏電路設(shè)計(jì)如圖5所示。電路中采用兩個(gè)FDC6321芯片，即四個(gè)MOS管，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏的引腳電平的切換控制；電路圖中的電阻R16和電容C24以及R17和C25組成兩個(gè)低通濾波器，分別用來(lái)濾除Y坐標(biāo)信號(hào)與X坐標(biāo)信號(hào)的高頻噪聲。

圖4 復(fù)位電路Fig.4 Reset circuit

圖5 觸摸屏控制電路Fig.5 Control circuit of the touch screen

3 流路進(jìn)樣控制電路

3.1微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路

微型步進(jìn)電機(jī)蠕動(dòng)泵是由兩相微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的，蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路圖見(jiàn)圖6所示，電路上半部分為控制信號(hào)的處理電路，下半部分為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。其中EN為使能信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路是否工作；DIR信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；STEP信號(hào)是步進(jìn)電機(jī)工作所需要的脈沖信號(hào)。由于ARM芯片引腳輸出電壓為3.3V且驅(qū)動(dòng)能力有限，電路中接入了3.3 V電源，采用三極管9013作為開(kāi)關(guān)，控制信號(hào)通過(guò)控制三極管的基極電壓控制后續(xù)電路的導(dǎo)通與否。

為減小控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的相互干擾，電路中采用可控制光電耦合器件TLP521將電路的前后端進(jìn)行隔離。為保證信號(hào)質(zhì)量，將光耦輸出接入4HC14D六位反向施密特觸發(fā)器，經(jīng)過(guò)74HC14D整形以后，電路的仿真結(jié)果如圖8所示，圖中實(shí)線是經(jīng)過(guò)反相施密特觸發(fā)器之后的信號(hào)波形，虛線是經(jīng)過(guò)光耦之后的輸出信號(hào)，由圖可知信號(hào)波形將得到很大的改善。

圖7 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 Drive circuit of the peristaltic pump

圖8 控制信號(hào)處理電路仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of control signal processing circuit

3.2多位閥控制電路

流路進(jìn)樣模塊采用的多位閥自帶控制模塊，可以通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，其串口通訊電平為5 V，而ARM微處理器的串口通訊電平為3.3 V，所以需要通過(guò)串口轉(zhuǎn)換芯片MAX3232使微處理器S3C2410的串口與多位閥模塊的串口相匹配，完成通訊。ARM芯片通過(guò)串口向多位閥的控制模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令就可以完成對(duì)多位閥的控制。多位閥串口通信電路如圖9所示。

圖9 多位閥串口通信電路Fig.9 Communication circuit of multiposition valve ports

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)硬件電路分模塊進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試無(wú)誤后，搭建流路進(jìn)樣精度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行精度實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證電路的穩(wěn)定性與精確度。根據(jù)灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)對(duì)象以及檢測(cè)項(xiàng)目的需求，實(shí)驗(yàn)所需確定的進(jìn)樣體積包括：0.2 mL、0.8 mL、1.0 mL、1.2 mL、2.0 mL和2.5 mL。為確保進(jìn)樣精度并且便于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用密度為0.9999 g/mL的蒸餾水作為目標(biāo)試劑。利用高精度電子天平稱取蠕動(dòng)泵抽取的試劑的質(zhì)量，然后求得其體積。試驗(yàn)中所記錄的結(jié)果均為將步進(jìn)電機(jī)步數(shù)調(diào)整完成后的最佳進(jìn)樣結(jié)果。進(jìn)樣精確度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出各次測(cè)量值與理論值的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于2%，流路進(jìn)樣精度很高，符合設(shè)計(jì)要求。相對(duì)于均值的誤差呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)性，方差小于0.0001，測(cè)量精密度很高。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1%左右，流路控制系統(tǒng)具有很好的重現(xiàn)性。

表1 進(jìn)樣精確度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位:mL）Table 1 Test data of sampling precision

6 結(jié)論

開(kāi)發(fā)先進(jìn)的灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的實(shí)用意義。本文利用單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀流路進(jìn)樣控制電路，同時(shí)增加了蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)電路和多位閥的控制電路以提高進(jìn)樣模塊穩(wěn)定性與精確度，并完成了電路的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)量值與理論值的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于2%，方差小于0.0001，流路進(jìn)樣精度和測(cè)量精密度很高，流路控制系統(tǒng)具有很好的重現(xiàn)性。

[1]郭建,溫志渝,魏康林.多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀流路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2012,33(2):80-82

[2]陳松柏,溫志渝,魏康林.水質(zhì)監(jiān)測(cè)微型蠕動(dòng)泵穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2012,10(6):14-17

[3]曹學(xué)飛,尹少平,印江.嵌入式觸摸屏接口電路及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].電力學(xué)報(bào),2009,24(5):399-401

[4]武新,溫志渝,魏康林.新型多參數(shù)水質(zhì)分析儀流路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,4:20-24

[5]張營(yíng).ARM嵌入式系統(tǒng)的LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[[J].電子技術(shù),2008,45(7):23-25

[6]Michael V Storey,Bram vander Gaag,Brendan P.Burns.Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems[J].Water Research,2011,45:741-747

Design of Control System for Water Quality Monitor in Irrigating Farmland

LIU Qi,WANG Ying
Jilin University of Chemical Technology,Jilin1320022,China

This paper designed the driving control circuit of flow injection module basedon single chip microcomputer technology,for agricultural irrigation water quality monitor flow sampling control system with high stability and high precision requirements,introducted the driving circuit of peristaltic pump and a number of valve control circuit,and performed a test for the circuit control accuracy.The experimental results showed that the design based on single chip microcomputer control circuit could improve the water quality monitor flow sampling circuit stability and the accuracy of the flow injection,laid the key technical basis for irrigation water quality monitor to improve the reliability.

Single-chip computer;irrigation agriculture water quality;flow control system;stability;high precision

X853

A

1000-2324(2014)05-0698-04

2013-03-11

2013-03-22

劉麒(1980-),男,漢族,吉林省延吉人,碩士,講師,研究方向:自動(dòng)控制及儀器儀表.