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摘   要：针对水质污染情况的严重性和水质主要污染源之一的氨氮缺乏实时检测的情况，设计了一套基于Freescale单片机芯片的水质氨氮检测系统，可以实时和快速地计算出水质中氨氮的含量。检测系统的硬件部分设计主要包括微处理器模块、温度控制模块、存储模块、信号采集模块以及通信模块的电路设计，软件部分对不同的模块进行程序设计以及上位机软件平台的开发。最后对整个系统进行实验测试，实验结果表明检测系统可以满足氨氮检测的精度要求。

关键词：水质;氨氮检测;Freescale;设计;实验

中图分类号：TP29                                                  文献标识码：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

虽然我国经济飞速发展，社会不断进步，但是水质污染问题日趋严重，其中，氨氮污染就是水质重要的污染源之一。中国环保部的相关数据显示，我国2014年氨氮总排放量为283.5吨，这必将对重要水体带来污染。因此，能够快速、实时、精确的检测出水源中氨氮含有量对于保护水资源和保障人们用水安全至关重要。本文选用飞思卡尔微处理器为控制核心，设计了一套水质氨氮检测系统，能够实现远程对氨氮进行实时、准确检测，给水质保护提供有效的监测信息。

1   水质氨氮检测的方法

水质氨氮存在与水质的形式为呈现游离态的氨和离子态的氮，两者的比例由水温和PH值决定。目前，对于水质氨氮检测的方法有如下几种方法，它们有各自的使用范围和优缺点，见表1。

从表中可以看出，氨气敏电极法相比其它的三种方法，具有测量范围广，测量精度高，测量程序简单的优点，且缺点不是很明显。因此，本系统根据工业环境的设计要求，选择氨气敏电极法对水质氨氮含量进行检测。

2   系统概述

根据氨氮检测系统的要求，本文选择飞思卡尔MC9S12XS128单片机芯片作为微处理器，控制系统中的温度控制模块、信号采集模块、通信模块和风机控制模块等，系统的结构原理图，如图1所示。温度控制模块主要负责对信号采集模块采集的温度信号进行恒温控制，避免温度变化对测量结果带来误差。信号采集模块主要采集氨氮信号和温度信号等。通信模塊作为系统与上位机通信的媒介，保证采集信号的实时传输。存储模块就是将采集到的数据信息进行存储，保证数据有效的保存。

3   系统硬件部分设计

系统微控制器部分选择飞思卡尔的MC9S12XS128芯片作为中央处理器，该芯片有112个管脚，供电电源为5 V，外部连接与16 MHz晶振相连，经过倍频可以达到80 MHz，可以满足系统设计的要求。微控制器控制着整个系统的运行，包括：温度控制模块、存储控制模块、信号采集模块以及通信模块。

3.1   信号采集模块的电路设计

系统信号采集模块采集的温度传感器的信号，以保证待检测水质的恒温控制;采集的氨气敏电极的信号，可以计算出水质中氨氮含有量。系统的信号采集，考虑到两种不同采集信号，氨气敏电极信号的采集时考虑到误差干扰，电路设计的时候选择了AD8603缓冲放大器，可以有效的较少失调误差，保证采集信号的精度。而温度采集选择PT100的温度传感器，适用温度范围为1-100℃，传感器的电阻变化范围为100-138 Ω，产生电压信号变化范围为210-290 mV。模数转换芯片选择了AD7793芯片，该芯片噪声低，精度高，可以精确地将氨气敏电极的信号和温度信号进行AD转换。信号采集模块的电路原理图，如图2所示，可以实现精准采集温度信号和氨气敏电极信号，是系统对水质氨氮检测的核心部分。

3.2   温度控制模块的电路设计

系统的温度控制就是对待测量水质进行恒温控制。温度控制模块包括电机搅拌控制部分和加热棒控制两个部分组成。电机搅拌控制部分就选择两相步进电机，通过微控制器发出的控制信号驱动步进电机，可以实现对待测量水质进行搅拌。当收到微控制器加热信号之后，加热棒控制部分就会启动，给待测水质加热，并且可以实现待测水质的恒温控制。

3.3   存储模块的电路设计

数据存储主要是将系统的配置参数和测量数据存储起来，存储模块的任务就是存储这些数据，保证数据完整性和有效性。本文选择的外部存储芯片是由ATMEL公司生产的AT24C512外部存储芯片，存储容量为512 K，与微控制器通过IIC协议进行通信。存储模块的电路原理图，如图3所示，图中端口5和6分别通过上拉电阻连接到微控制器上，然后通过为控制IO口的通信时序，可以实现微控制器与存储模块的数据传递。

3.4   通信模块的电路设计

通信模块是将现场检测到的数据信息通过串口通信模块传递到上位机上面，实现对水质中氨氮浓度的远程监测。由于微控制器的通信接口是RS232接口，就需要通过RS232转换成RS485，然后通过RS485通信芯片SN65LBC184，实现上位机与下位机的数据传输。通信模块的电路原理图，如图4所示。

4   系统软件部分设计

水质氨氮检测系统的软件部分的设计包括了上位机的软件设计以及各控制模块的程序设计等。上位机的软件开发在VC6.0的开发环境中，采用VC++编程语言，包括了系统的参数配置部分和用户交互部分等，实现了人机交互，简单方便快捷。系统的下位机软件设计基于CodeWarrior软件开发环境中，是飞思卡尔微处理器的软件开发人员设计和调试的重要软件设计平台。

4.1   信号采集模块的程序设计

信号采集模块的程序设计流程图，如图5所示，对于传感器采集到的原始数据进行模数转换的过程。进入信号采集程序之后，首先进行寄存器增益、模拟输入通道等信息的配置，然后启动模数转换，等到模数转换完成，读取寄存器中的相关数据，就可以得到相应的模拟量数据。

4.2   通信模块程序设计

水质氨氮检测系统的通信模块程序设计包括串口通信模块发送和接收两个部分。通信模块发送数据程序设计流程图，如图6所示，通信模块发送数据时，首先进入中断服务程序中，然后启动通信发送程序，判断通信总线是否空闲，如果总线空闲，在总线不冲突的情况下，将数据发送完成。通信模接收数据程序设计流程则是，当检测到上位机发送的数据信号时，系统发出通信中断命令请求，进入中断后按照接收协议，接收相应的数据。

4.3   温度控制模块程序设计

考虑到温度变化会对蛋蛋检测结果产生影响，系统对温度的控制十分严格。温度控制模块程序设计流程图，如图7所示，首先获取实际温度和参考温度值，计算得出温度偏差e，通过PID控制算法，计算控制量后输出，控制系统温度值。

5   系统调试和试验测试

经过对系统软件、硬件部分的设计之后，搭建了水质氨氮检测试验平台，并经过多次试验测试发现：系统选择在恒温20 ℃环境下，对水质中氨氮含量进行检测分析。试验过程中，待检测6种样品的氨氮含量均为已知，分别用检测系统氨氮浓度检测，检测结果见表2。从表中可以发现，对不同样品的检测，实际浓度值和检测浓度值之间的偏差在设计范围之内，符合设计要求。

6   結   论

针对目前水质污染情况的日趋严重性，设计了基于飞思卡尔的水质氨氮检测系统。经过对系统的软硬件设计之后，搭建了氨氮检测试验平台，经过多次试验之后发现，系统可以远程实时、精确的检测出水质中的氨氮浓度，为水质的浓度实时监测提供了有力的技术保障。

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