張根寶　劉曉勇　謝曉靜

摘要：針對(duì)解決水環(huán)境中氨氮含量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急檢測(cè)的難題， 實(shí)現(xiàn)氨氮含量的在線檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于水楊酸分光光度法的水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理和總體設(shè)計(jì)。介紹了以ARM微處理器芯片K60為核心的氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，并給出了關(guān)鍵模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和歷史記錄查詢(xún)。給出了樣機(jī)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)氨氮溶液濃度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與實(shí)際值進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，界面友好，測(cè)量結(jié)果精確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：氨氮檢測(cè)；水楊酸法；分光光度法；ARM；標(biāo)準(zhǔn)曲線

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）36-0123-03

Abstract： In order to solve the problem that the traditional ammonia nitrogen detection method cannot meet the emergency detection， and realize online detection of ammonia nitrogen in water environment ，a system based on salicylic acid and spectrophotometry is designed for ammonia nitrogen detection in water. The working principle and overall design of the system is introduced. The software and hardware structure of ammonia nitrogen detection system based on K60 ARM microprocessor is presented. The key module of hardware construction and soft design were illustrated. The detection data communicate with the host PC through RS-485 to realizing historical data storage and query. The experimental data of standard ammonia solution concentration with Prototype testing were given， and compared with the actual value and analysis.Experimental resultsshowed that the system working stability， friendly user interface， high precision results， has achieved the design requirements.

Key words： ammonia nitrogen detection； salicylic acid method； spectrophotometry； ARM； standard curve

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水的排放量也急速增長(zhǎng)，其中含有的大量氨氮離子排放到江河湖海中會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生嚴(yán)重污染。水質(zhì)中氨氮含量超標(biāo)會(huì)對(duì)人體及水生生物造成極大的危害。隨著我國(guó)對(duì)水污染控制的重視，必將加大對(duì)污水排放的監(jiān)管，減少污水的隨意排放對(duì)環(huán)境的危害。因此對(duì)所排放污水中氨氮含量在線、實(shí)時(shí)和精確的檢測(cè)具有重要的意義。

2 系統(tǒng)的原理和總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用的氨氮含量測(cè)定方法為水楊酸分光光度法。水楊酸分光光度法的理論依據(jù)是朗伯-比爾定律。朗伯-比爾定律可簡(jiǎn)述如下：

水楊酸分光光度法的原理是：在堿性介質(zhì)中，待測(cè)試樣溶液中的氨、銨離子與二氯異氰脲酸鈉溶液釋放出的來(lái)的次氯酸根反應(yīng)生成氯胺。在40℃下和亞硝基鐵氰化鉀存在的條件下，氯胺與水楊酸鹽反應(yīng)生成藍(lán)綠色化合物，對(duì)所形成的藍(lán)綠色化合物在660nm波長(zhǎng)處，30mm的光程下測(cè)量吸光度，依據(jù)朗伯-比爾定律就可以得出試樣中氨氮的含量。

檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件包括：ARM微控制器、電源、光源、光電管及其驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集電路、蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路、溫度控制電路、執(zhí)行器件（振動(dòng)裝置和攪拌裝置）控制電路、LCD觸摸屏。

如圖為檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：控制蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速對(duì)水樣和其他5種化學(xué)試劑在經(jīng)過(guò)空氣氣泡間隔后按順序依次進(jìn)入混合圈使得水樣和化學(xué)試劑充分混合。然后進(jìn)入加熱池，加熱池的溫度控制在恒定的40℃，使得混合溶液進(jìn)行充分的化學(xué)反應(yīng)，再進(jìn)入檢測(cè)池進(jìn)行吸光度分析，數(shù)據(jù)采集器把采集到的數(shù)據(jù)送到檢測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出水質(zhì)氨氮的濃度，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)。

3.1 ARM微控制器

檢測(cè)系統(tǒng)的核心ARM微控制器采用Freescale公司Kinetis系列中的K60芯片。Kinetis是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位MCU，集成了512KB的FLASH和128KB的SRAM，還有快速、高精度的16位ADC和12位的DAC、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部參考電壓。具有超強(qiáng)可擴(kuò)展性、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，提供了強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和分析性能的同時(shí)大大降低了系統(tǒng)成本。

3.2 光電管及其驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集電路

透射光通過(guò)光電傳感器由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的濾波、放大處理，使其適合于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。本設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

3.3 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路

作為主機(jī)的K60單片機(jī)和3臺(tái)蠕動(dòng)泵自帶的單片機(jī)通過(guò)RS-485 總線Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行通訊。利用K60單片機(jī)的UART（通用異步收發(fā)傳輸器）模塊通過(guò)Max485芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)。并對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行CRC16算法的校驗(yàn)，保證通信的穩(wěn)定。

3.4 溫度控制電路

本設(shè)計(jì)采用的水楊酸法檢測(cè)氨氮含量要求試劑在40℃下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以必須控制加熱池的溫度恒定在40℃。溫度控制模塊使用DS18B20溫度傳感器測(cè)量水溫，并加入PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，使得溫度恒定在40±0.5攝氏度，確保試劑進(jìn)行充分化學(xué)反應(yīng)，使得測(cè)量結(jié)果更加精確。

3.5 LCD的顯示和觸控

本設(shè)計(jì)使用3.2寸的TFT液晶顯示觸摸屏，對(duì)加熱池溫度和氨氮濃度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀實(shí)時(shí)的顯示。并通過(guò)觸摸屏控制加熱池和執(zhí)行器件（振動(dòng)器和攪拌器）的啟停，并對(duì)蠕動(dòng)泵的啟停、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)檢測(cè)軟件是水質(zhì)檢測(cè)的關(guān)鍵，軟件分兩個(gè)部分組成一部分為下位機(jī)水質(zhì)檢測(cè)軟件，另一部分為上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。

下位機(jī)程序使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR7.0。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，程序中各個(gè)模塊使用中斷方式實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件采用Access作為數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)用戶(hù)信息、標(biāo)準(zhǔn)曲線等信息進(jìn)行入庫(kù)管理，在程序中通過(guò)ADO方式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，對(duì)軟件檢測(cè)中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于以后的數(shù)據(jù)查詢(xún)和維護(hù)。

如圖4為檢測(cè)系統(tǒng)軟件工作流程圖。

5 系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)

本文主要對(duì)水質(zhì)氨氮檢測(cè)進(jìn)行了研究， 并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了水質(zhì)氨氮檢測(cè)系統(tǒng)，并做出了實(shí)物樣機(jī)。作為一種實(shí)用型儀器， 其測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性， 數(shù)據(jù)的精度是極為重要的，這里對(duì)水質(zhì)氨氮含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證。

以上是對(duì)不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)樣品，采用自制的水質(zhì)氨氮檢測(cè)儀測(cè)量得到的 AD 采樣值、 吸光度， 以及利用郎伯 -比爾定律和曲線擬合算法計(jì)算得出的樣機(jī)氨氮濃度值數(shù)據(jù)。為了對(duì)樣機(jī)濃度進(jìn)行修正， 采用最小二乘法算法并用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出氨氮濃度修正函數(shù)為

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制是配制一系列已知濃度的氨氮溶液（標(biāo)準(zhǔn)溶液），在660nm波長(zhǎng)下分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以濃度作為橫坐標(biāo)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的吸光度作為縱坐標(biāo)。根據(jù)朗伯-比爾定律在一定范圍內(nèi)，不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度成一條直線，通過(guò)曲線擬合的方法把已測(cè)得的吸光度數(shù)據(jù)繪制成標(biāo)準(zhǔn)曲線。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

其中曲線1表示根據(jù)實(shí)際值所繪制的曲線，曲線2表示采用最小二乘法算法修正后的函數(shù)值。從圖中可以看出修正后所繪制的曲線與實(shí)際值接近，符合測(cè)量要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在詳細(xì)分析了測(cè)量水質(zhì)氨氮濃度的水楊酸分光光度法的基礎(chǔ)上，確定了氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理?；贏RM設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨氮檢測(cè)整個(gè)流程的精確控制。采用最小二乘法建立吸光度和溶液濃度之間的關(guān)系， 簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)模型， 并在其實(shí)際應(yīng)用中， 展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和線性度，對(duì)中、 高濃度的測(cè)量結(jié)果更加精確。并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件下的測(cè)試，本設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值基本吻合，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

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