饮用水溴离子浓度测量装置数据采集系统设计*

潘 凯， 朱名日， 姚 鑫， 刘文彬， 郑丹平， 周光祥

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004; 2.桂林电子科技大学 北海职业技术学院，广西 北海 536000; 3.桂林电子科技大学 计算机与控制学院，广西 桂林 541004)

饮用水溴离子浓度测量装置数据采集系统设计*

潘 凯1， 朱名日2， 姚 鑫1， 刘文彬1， 郑丹平3， 周光祥2

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004; 2.桂林电子科技大学 北海职业技术学院，广西 北海 536000; 3.桂林电子科技大学 计算机与控制学院，广西 桂林 541004)

针对一种基于微波感应的新型饮用水中溴离子浓度测量装置中微弱电压信号采集和分析的需求，设计了一种采集系统，包括信号采集部分和上位机显示部分。信号采集部分对传感器输出的微弱信号的放大和滤波后由C8051F310单片机自带的A/D转换器采集并通过串口发送给LabVIEW编写的上位机，上位机进行数据的接收、分析并显示溴酸盐浓度值。实验表明:该采集系统稳定可靠，可以作为饮用水溴离子浓度测量装置的数据采集系统。

溴酸盐； 浓度检测； LabVIEW

0 引 言

日常的饮用水，其化学消毒法主要包括二氧化氯消毒、液氯消毒和臭氧消毒，其中臭氧消毒成本很低，被广泛应用于桶装水和瓶装水工业中。各大厂家使用臭氧杀菌过程中，不可避免会产生溴酸盐这种副产物[1]，对人体健康构成了威胁。目前检测溴酸盐的主要方法是离子色谱法，该检测方法周期较长，实时性较差，因此,设计一种基于微波感应的新型饮用水中溴离子浓度测量装置非常重要，其本文将重点讨论信号的采集和上位机的分析显示。

1 溴离子浓度测量装置原理和结构组成

溴离子浓度测量装置是根据微波感应原理，该原理利用敏感电感线圈接于微波信号激励电路，线圈随周围饮用水中溴酸盐浓度的不同产生电感阻抗变化，使微波信号激励电路产生的微波频率随之改变。微波频率信号由频率/电压转换电路转换成电压信号，再经过滤波电路后由C8051F310单片机采集，然后通过串口送给由LabVIEW编写的上位机，上位机分析并显示溴酸盐浓度值。系统包括：盛放溴酸盐水溶液的玻璃槽、微波信号激励电路、微波频率检测以及电压转换电路、滤波放大电路、C8051F310单片机信号采集部分和用LabVIEW编写的上位机[2]。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

线圈用细铜丝绕制，放溶液的容器采用薄壁玻璃瓶，厚度为0.8 mm，敏感线圈绕制在玻璃瓶外面并固定。

2 数据采集系统设计

数据采集系统由硬件系统和软件系统组成，其中硬件部分主要负责对传感器输出的微弱电压信号进行放大并滤波处理，处理后由C8051F310单片机自带的A/D转换器进行采集，采集后通过串口向上位机发送数据。

软件部分是由LabVIEW编写的上位机，其接收来自串口的数据并进行分析，分析后显示溴酸盐浓度值。

2.1 系统硬件设计

硬件部分由滤波电路和放大部分组成，因为微波频率信号再由频率/电压转换电路转换成电压信号幅值较小，而且有干扰信号，无法直接被单片机采集，所以,需要经过滤波放大电路后才可以送给单片机。滤波电路采用Sallen-Key滤波器，Sallen-Key滤波器又称双极点电压控制电压源[3]，如图2所示。滤波器输出信号后再通过放大电路，电路采用LMC6484[4]组成的放大电路，如图3所示。

图2 滤波电路

图3 放大电路

经过放大电路后，C8051F310单片机利用内部自带的10位A/D转换器对放大后的信号进行采集得到电压信号，然后送给上位机。

2.2 系统软件设计

软件系统主要包括C8051F310单片机对电压信号的采集程序和用LabVIEW编写的上位机。

2.2.1 C8051F310单片机采集程序

C8051F310单片机内部自带10位AD，转换速率可达200 ksps，具有17个外部单端或差分输入，VREF可以在外部引脚或VDD中选择[5]。设计采用单端输入，VREF接5 V电压，可以采集到0～5 V的电压信号，精度为0.004 88 V，可以满足实验需要。

串口发送利用单片机的串口发送给上位机，波特率设置为9600，单片机采集完电压信号后，立即发送给上位机。图4为单片机采集程序流程图。

图4 单片机采集程序流程图

2.2.2 软件设计

溴酸盐检测与分析系统的软件部分在LabVIEW平台上进行开发，采集硬件部分的电压信号，利用RS—232接口将信号传入PC，及时地显示信号数值及其波形，完成对溴酸盐检测与分析系统硬件设备的检测，设计流程如图5所示。

图5 软件设计流程

数据处理包括数据接收和数据分析。在数据接收方面，上位机一帧一帧地接收数据，每一帧有4个字节数据，分别为：1个字节的帧头、2个字节的电压值、1个字节的帧尾。为了保持数据的可靠性，程序采取对50组数据求平均值的方法。这里采用的是移位寄存器，在大循环框内使用2个移位寄存器，程序每一次循环4个数都不断叠加直到50组数发送完成，然后对这个总数求平均值。

数据分析方面，由于传感器输出的电压值与所测溴酸盐浓度值之间存在明显的非线性，为了提高测量精度，必须进行非线性化校正，使之线性化。线性化方法很多，在此应用最小化二乘法原理实现曲线拟合，而且选取在Matlab平台上实现[6]。

先用精密天平称量不同质量的溴酸钾粉末，再用蒸馏水分别配置5，8，11，14，17，20，23,26，29，32，35，38，41，44，47，50 μg/L的溴酸钾溶液，并用滴管分别取不同浓度的溴酸钾溶液进行测试，得到的数据如表1所示。

表1 溴酸钾溶液浓度对应的电压值

得到数据在Matlab平台上进行曲线拟合，分别用二，三，四，五次多项式进行拟合，如图7～图10所示。

可以看出，用五次多项式能够很好地拟合出电压值与溴酸盐浓度值的关系，而且在计算机上实现起来也比较快速、容易，因此，采用五次多项式进行拟合。

图7 二次多项式拟合曲线图

图8 三次多项式拟合曲线图

图9 四次多项式拟合曲线图

图10 五次多项式拟合曲线图

从图10的曲线图可以很容易得到溴酸盐浓度值与传感器输出电压值之间的关系，五次多项式的系数分别为0.276 4,-2.499 0,7.090 0,-5.596 8,7.379 4,2.652 6，因此,拟合的曲线方程可以表示为

P(x)=0.276 4x5-2.499x4+7.09x3-5.596 8x2+ 7.379 4x+2.652 6.

其中,x为传感器测得的电压幅值，P(x)为对应的溴酸盐浓度值。

3 系统实验

先用精密天平称量不同质量的溴酸钾粉末，再用蒸馏水分别配置5，10，15，20，30，40，50 μg/L的溴酸钾溶液。配完溶液后，用滴管分别取不同浓度的溴酸钾溶液滴到薄壁玻璃瓶内进行测试，得到的数据如表2所示。

表2 实验数据

4 结 论

饮用水中溴酸盐超标会危及人的身体健康导致癌变问题已引起国际社会普遍关注，因此,设计一种能快速、准确检测出饮用水中溴酸盐浓度的装置有重要意义。本文在溴酸盐浓度检测传感器的基础上，采用软硬件结合的方式设计了一种数据采集系统，该系统稳定可靠，能够准确测量传感器输出的微弱信号，并正确显示溴酸钾溶液的浓度值，精度为2 μg/L。

[1] 张沼园.饮用水消毒副产物控制技术研究现状与发展[J].水处理技术,1998,24(1):7.

[2] 桂林电子科技大学．蔗汁晶化过饱和度微波感应在线监测方法和检测器:中国,CN101059453A[P].2007—10—24.

[3] Baker B.嵌入式系统中的模拟设计[M].李喻奎,译.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 李树靖.线性光耦合器LOC110的原理与应用[J].世界电子元器件,2002(12):44-46.

[5] 侯佳娜,姚爱琴,孙运强.基于C8051F310单片机的实时心电监护系统设计[J].计量与测试技术,2010,37(9):50-52.

[6] 付艳茹.基于 Matlab 曲线拟合的应用研究[J].吉林师范大学学报:自然科学版,2010,31(2):55-58.

Design of data acquisition system for bromide ion

concentration measuring apparatus in drinking water*PAN Kai1, ZHU Ming-ri2, YAO Xin1, LIU Wen-bin1, ZHENG Dan-ping3, ZHOU Guang-xiang2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Beihai Vocational Technology College, Guilin University of Electronic Technology,Beihai 536000,China; 3.School of Computer and Control, Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Aiming at demand of measuring weak voltage signal acquisition and analysis for a new type of bromide ion concentration measuring apparatus in drinking water,design a collection system, including signal acquisition and upper PC display section.Weak signal of sensor output is amplified and filtered and then collected by C8051F310 MCU comes with A/D converter collects and send to LabVIEW compiled upper PC through serial port,upper computer receives data,analyze and display bromate concentration values.Experiments show that this type of acquisition system is stable and reliable,it can be used as data acquisition system for bromide ion concentration measuring device in drinking water.

bromate; concentration detection; LabVIEW

2014—08—12

广西省研究生教育创新计划资助项目(YCSZ2012075)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0089—03

TN 914

B

1000—9787(2015)04—0089—03

潘 凯(1990-)，男，山东章丘人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络。