便携式多参数水质监测系统的设计

庞 立，朱莉莉



便携式多参数水质监测系统的设计

庞 立1，朱莉莉2

（1.海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520；2.青岛市光电工程技术研究院，山东青岛 266109）

本文针对海洋环境中的温度、酸碱度、盐度及溶解氧多个参数对象，以STM32F103 ARM为核心控制器设计了多参数水质监测系统，可以实时的检测四个参数的数值，并通过蓝牙无线传输将数值显示在上位机的LCD上。实验结果证实该设计可以对海洋环境的多参数进行准确、实时、便携的监测。

多参数 ARM 无线传输

0 引言

海洋石油平台所处的环境为海洋环境，海洋环境对钢铁的腐蚀是内陆环境的4~5倍，为恶劣的腐蚀环境。海洋环境中海水的温度、盐度、溶解氧等因素对钢铁的腐蚀有重要的影响：盐类会加快海洋石油平台的腐蚀速率，含盐碱性较高的海水为腐蚀提供了电解质，加快了海洋石油平台的腐蚀过程[1][2]。因此，准确监测海水的温度、PH值、盐度等参数，为海洋石油平台的腐蚀环境提供客观的条件数据是非常必要的。

本文设计了一套便携式多参数水质监测系统，主要用于对海水中的多种水质参数进行实时检测、显示、存储及预警，可以用于海洋石油平台及其他有监测需求的海洋作业场所。

1 系统组成

本监测系统结构由上位机（显示表头）和下位机（水下传感器）组成。上位机主要完成水质参数数值的显示、存储、预警功能。下位机由STM32F103 ARM核心控制器[3]、外围处理电路及温度、PH、溶解氧、盐度探头组成，主要完成采集、处理和存储各水质传感器的数据。多参数水质监测系统的硬件结构框图如图1所示。

传感器的选型如表1所示。温度和盐度传感器的输出直接接入ARM，PH传感器和溶解氧传感器输出的信号经过放大电路处理后接入控制器的A/D接口转换为数字量以便控制器的处理。

下位机处理后的数据通过蓝牙模块无线传输到上位机的控制器。上位机的核心控制器采用STM32F103 ARM，可选择显示实时数据或者是历史数据，将测量结果显示在LCD上并同时将数据保存在SD存储卡中。LCD、SD卡模块通过SPI口与ARM连接；蓝牙模块通过串口与ARM连接；实时时钟模块通过普通I/O口与ARM连接；电源通过降压电路为ARM及各器件供电。

2 硬件电路设计

2.1PH传感器信号处理电路

PH值测量的重点在于前端信号的处理。由于复合PH电极的内阻很高（玻璃电极的内阻可高达到Ω），因此处理电路的关键是运放的输入阻抗需高于传感器的内阻，才能实现高阻抗的输入，得到正确的电压信号。

本设计选用TLC 4502CD 高精度高阻抗运放[4]，其输入阻抗Ω（常温25℃下），失调电压0.1mV, 工作电压范围4~6V。PH值传感器信号处理电路原理图如图2所示。

图1 系统硬件结构框图

PH传感器输出的相对电压信号是信号电极与参比电极的电压差。本设计中，当被测溶液PH值>7时，输出电压为负值；当被测溶液PH值<7时，输出电压为正值；当被测溶液PH值为7时，输出电压为0。为避免负电压值的出现，满足运算放大器的单电源供电，需选择合适的参比电极（PH-输入）电压值，即可以使得信号电极（PH+输入）电压恒为正值。电极输出的电压经过运放的放大功能，使其达到ARM A/D转换所需电压范围，以供ARM进行数据处理。

2.2溶解氧传感器信号处理电路

本设计采用荧光法溶解氧传感器，该种传感器可以避免消耗水体中的溶解氧，且稳定性更高、使用寿命更长。由于传感器输出的是0~20mA的弱电流信号，需要经过信号处理电路使其达到ARM A/D转换所需电压范围，以供ARM进行数据处理，电路原理图如图3所示。

采用TLC 4502CD 高精度高阻抗运放，为抑制共模输入信号，放大电路采用反向比例放大形式，运放的一路用于I/V转换，另一路用于将负电压信号转换为正电压信号。

图3溶解氧传感器信号处理电路

2.3电源模块设计

电源系统是一切电子设备的核心部分，负责给各部件提供稳定的直流电压，电源系统的稳定性和可靠性对于整个系统的精度具有重要影响。电池为系统提供主电源，为满足长时间工作要求，采用可充电聚合物裡电池，电量为2000 mA时以上，电池通过稳压电源芯片LT3970-3.3将直流电压降为3.3 V为系统各器件提供供电。

3 软件设计

软件设计包括上位机软件和下位机软件两大部分。上位机用于显示传感器的数值，包括LCD显示子程序、按键子程序、SD卡存取子程序、实时时钟子程序和蓝牙通讯子程序。首先上位机完成初始化后，通过蓝牙模块与下位机进行通讯连接，选择是传输实时数据还是历史数据，从而显示不同的数据，其软件流程图如图4所示。

图4上位机软件流程图

下位机用于采集传感器的数据，包括A/D转换子程序、SD卡存取子程序、实时时钟子程序和蓝牙通讯子程序。初始化完成后，判断是否有蓝牙通讯连接，若没有，则每30分钟进行一次数据采集并将数据保存在SD卡中，若有蓝牙通讯连接，则根据要求向上位机传输实时采集的传感器数据或者是SD卡中保存的历史数据，其软件流程图如图5所示。

4 结语

本文设计了便携式多参数水质监测系统，其以STM32F103 ARM 为核心控制器，搭载独立式温度传感器、工业在线PH传感器、在线盐度传感器和荧光法溶解氧传感器用于测量水质的温度、酸碱度、盐度和溶解氧，其检测精度分别为±0.2℃、±0.1 PH、±0.1 PPT和±0.2 mg/L。实验证明，该系统简单便携、测量准确，可以满足水质监测的需要。

图5下位机软件流程图

[1] 彭壮，徐磊，王君正. 海上油气田的腐蚀与防护[J]. 中国石油和化工标准与质量.

[2] 陈胜利，兰志刚，宋积文. 海洋石油平台的腐蚀监测技术[J]. 石油与天然气.

[3] 孙书鹰，陈志佳，寇超. 新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J]. 微计算机应用.

[4] 王瑞兰. 自动校准精密运算放大器TLC450X系统及其应用[J]. 国外电子元器件.

Design of Portable Multi-parameters Water Quality Monitoring System

Pang Li1, Zhu Lili2

(1. Offshore Oil Engineering (Qingdao) Company Limited, Qingdao 266520, Shandong, China;2. Qingdao Academy for Opto-Electronics Engineering, Qingdao 266109, Shandong, China)

TM934

A

1003-4862（2017）05-0037-03

2017-01-15

庞立（1983-），男，工程师。研究方向：船舶与海洋工程的检验。