基于STM32的溶氧監測儀設計

劉　輝， 范良忠， 劉　鷹

(1 太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024；2 浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315100；3 中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071)

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基于STM32的溶氧監測儀設計

劉輝1,2， 范良忠2， 劉鷹3

(1 太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024；2 浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315100；3 中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071)

摘要：為解決海上浮標溶氧傳感器存在功耗大、標定復雜等問題，研究設計了一種基于STM32的低功耗、高性能溶氧監測儀，并針對海上浮標提出紅外標定設計，實現溶氧傳感器的自動標定。利用單電源數據采集電路結合STM32多通道ADC，精確計算出溶氧值；利用STM32的輸入捕獲功能解碼紅外遙控信號，實現電壓-溶氧曲線的斜率標定，最大程度避免因溶氧標定而頻繁拆卸，造成浮標體內部密封性變差的風險；省電模式滿足低功耗的要求，可以提高蓄電池的供電時長；集成MODBUS協議的RS485端口可實現遠程通信，為遠程監測打下基礎。結果表明，溶氧監測儀采集精度較高，能在無光照情況下連續運行5～6 d。該設計可以提高海上浮標的穩定性和密封性，為工作人員提供了極大的便利，具有成本低、體積小、便于安裝等優點。

關鍵詞：STM32；水質監測；紅外標定；溶氧

我國是全球最大的水產養殖國[1-2]，海洋漁業是水產養殖的重要內容之一[3]。水質參數監測是海洋漁業發展的重要環節，其中對水質溶氧的監測則是水質監測的首要目標。歐美許多儀器儀表公司，如美國的YSI及HACH、意大利的HANNA和法國的Polymerton等[4-5]，相繼研制出多種型號的水質分析儀；國內也研制了相應的產品，如AJ-1型水產養殖水質監測儀、小型一體化多參數水質數字在線監測儀等[6]。目前，水質監測儀在海水水質監測方面依舊存在一些問題，如：由于海水水質的監測環境的特殊性，設備要求較高的密封性，而水質傳感器大多數會因附著物、元件老化以及電解液的消耗等原因需要定期標定[7-9]，每次標定過程都需要打開密封蓋對儀器進行操作，長此以往，不可避免地會發生密封性不良等問題；另外，大多數水質監測儀并非海上浮標專用，由于設備耗電量較大，以太陽能供電難以應對長時間陰天等特殊情形[10]。為了解決上述問題，并結合水質監測溶氧采集方面的相關研究，設計了一種基于STM32的水質溶氧監測儀。

1總體設計方案

選用STM32F103VCT6芯片，芯片內核為Cortex-M3[11]，設計主要分為ADC數據采樣模塊、溫度采集模塊、紅外標定模塊、RS-485輸出、JTAG下載電路等相關模塊。通過利用STM32 的ADC功能實現對溶氧信號的采集[12]，溫度模塊采用不銹鋼封裝防水型的DS18B20溫度傳感器，通過單總線技術實現與STM32的通信；STM32定時器的輸入捕獲功能用于紅外標定，當把傳感器探頭置于空氣中時，待溶氧值穩定后，按下遙控器，結合當前溫度對應的飽和溶氧，即可修正電壓-溶氧曲線，進而完成標定；同時監測儀集成MODBUS協議可以實現數據的遠程傳輸[13]，為監測儀提供良好的擴展性，而數碼管顯示和報警等輔助功能也可為現場工作人員提供有價值的數據。溶氧監測儀拓撲結構如圖1。

圖1　系統拓撲圖Fig.1　The system topology

2系統硬件設計

2.1單電源數據采集電路

采用雨研信息科技(上海)有限公司研制的W-DO-YDC型溶氧傳感器。由于傳感器的輸出電壓為小電壓信號，為了滿足STM32的采樣范圍和精度，需要將原始輸出信號放大，放大電路利用放大器AD623單電源數據采集電路實現。AD623能在單電源下提供滿電源幅度的輸出，允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到良好的用戶靈活性，并通過提供極好的、隨增益增大而增大的交流共模抑制比來保持最小的誤差[14-15]。其差分輸出為：

V0=(1+100/RG)Vc

式中：V0—差分輸出電壓，V；RG—放大增益電阻值，kΩ；Vc—放大前電壓，V。

單電源數據采集電路如圖2所示。電橋電路由+5 V電源供電；電源去耦電容為0.1 μf陶瓷電容和10 μf鉭電解電容；輸入信號為傳感器電壓信號，信號范圍0～20 mV；5號引腳REF接入1 V基準電壓，1號引腳與8號引腳間RG=1.02 kΩ，即將原始電壓放大100倍，其差分輸出電壓1 V≤V0≤3 V。

圖2　單電源數據采集電路Fig.2　The single power data acquisition circuit

2.2紅外標定電路

紅外遙控標定利用STM32輸入捕獲功能實現遙控解碼。紅外遙控的編碼廣泛使用NEC協議[16]，1個脈沖對應560 μs的連續載波，1個邏輯1傳輸需要2.25 ms(560 μs脈沖+1 680 μs低電平)，1個邏輯0傳輸需要1.125 ms(560 μs脈沖+560 μs低電平)[17]，紅外遙控接收頭連接在STM32的PC8(TIM3_CH3)上，程序中設計TIM3_CH3為輸入捕獲，將收到的標定及標定確認脈沖信號解碼即可實現紅外標定(圖3)。

圖3　紅外標定電路Fig.3　The infrared calibration circuit

2.3其他電路

供電系統選用電壓12 V容量30 AH磷酸鐵鋰電池供電，利用降壓芯片LM2576-5V以及LM1117將12 V直流電壓轉換為3.3 V；時鐘電路分為外部高速時鐘(HSE)和外部低速時鐘(LSE)，HSE選用8 MHZ晶振，外部時鐘為32.768 kHZ；RS485電路由芯片SP3485作為收發器，支持3.3 V供電，最大傳輸速度可達10 Mbps，并有輸出短路保護。監測儀還設計有6個共陰數碼管，4個LED警示燈以及1個3.3 V蜂鳴器。 LED警示燈用來顯示系統的各個運行狀態，共有3種狀態：正常運行、標定模式和低功耗模式。

3系統軟件設計

3.1溶氧標定原理

溶氧傳感器出廠前，廠家已經對溶氧-電壓曲線進行了標定，在長期使用過程中，傳感器探頭會因電極老化以及電解液消耗等原因而需要重新標定。實際應用中，出廠后的傳感器零點很穩定，即使更換電解液后漂移量也很小，主要對斜率進行重新標定，所以標定采用單點飽和空氣斜率標定方式(圖4)。橫坐標為傳感器輸出小電壓信號，縱坐標為溶氧值，Y曲線為標定前電壓-溶氧曲線，Y″為標定后電壓-溶氧曲線。

首先將傳感器置于濕潤空氣中，若此時周圍環境溫度對應的飽和溶氧值為YT(程序中通過查詢的方式確認溫度對應的飽和溶氧值)，傳感器輸出的電壓為XT，則可確定點T；又知出廠時設定的零點，即可確定曲線的斜率K″，進而計算出曲線Y″。標定時按下遙控器標定按鈕后放置5～10 min左右，待溶氧值穩定后，按下紅外遙控標定確認按鈕，即完成標定過程。

圖4　標定原理圖Fig.4　The calibration diagram

3.2各模塊軟件設計

采用MDK-ARM作為開發平臺，開發程序主要包括主程序、數據采集與處理程序、溫度采集程序、溶氧紅外標定、低功耗模式、串行通信程序。主程序主要實現各模塊的初始化以及I/O口、時鐘配置。

STM32的ADC是12位逐次逼近式模擬數字轉換器，共有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源，轉換時間為1 μs。以ADC轉換設計為注入通道組，采用單次轉換模式，數據右對齊，使能ADC后每隔10 s觸發1次定時器并進入中斷，完成1次信號采樣，根據采樣電壓值，對照電壓-溶氧曲線即可計算出此時的溶氧值。

DS18B20溫度傳感器采用單總線技術實現溫度采集，根據總線時序完成相應的數據和指令的收發[18]。DS18B20共有6種信號類型：復位脈沖、應答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1，發送的所有命令和數據均為低位字節在前[19-20]。溫度采集過程：復位→發SKIP ROM命令→發開始轉換命令→延時→復位→發送SKIP ROM命令→發讀存儲器命令→連續讀出兩個字節數據→結束。程序中將溶氧值并結合溫度值，利用RS485通信方式將數據不間斷發送至上位機，發送間隔依實際需要可設定為10 s、30 s、1 min、5 min和10 min等。

程序中設有正常模式、標定模式、低功耗模式3種工作模式，每種模式對應不同的開啟模塊數量，通過使能或失能相應時鐘控制模塊功能的開啟和關閉。設計3種工作模式，可以最大程度發揮蓄電池的供電能力，保證監測儀長時間穩定運行，同時也擴大了監測儀的應用范圍，可以適應有持續供電來源的應用場合。

4結果與分析

4.1實驗室測試

實驗室測得正常模式、標定模式、低功耗模式下電流分別為0.46 A、0.38 A、 0.25 A，利用30 AH蓄電池供電、開啟低功耗模式且無光照的情況可持續運行5～6 d。

將YSI 600R型水質傳感器和本監測儀同時放入相同的實驗室水池中，每隔20 min記錄下兩者的溫度值和溶氧值。表1為不同天、不同時刻記錄的5組數據(A)，誤差計算以YSI 600R型傳感器為基準值(A0)，并根據公式γA=∣A-A0∣/A0，計算得出每組數據的相對誤差(γA)。由標定原理可知，溶氧值的準確性與溫度的精度密切相關，如果溫度的采集精度不夠，就無法實現溶氧-電壓曲線的精確標定，也就無法獲得精確的溶氧值。從表1可以看出監測儀溫度的相對誤差很小，基本沒有達到1%的情況，精度可達到99%；溶氧值的相對誤差也可滿足應用需要，精度可達到97%以上。

4.2海上應用測試

將本監測儀放入浮標體內部密封桶內，安置于浙江舟山2個不同監測點，1號監測點位于普陀區六橫鎮臺門港海域，2號監測點位于六橫鎮小黃沙海域。圖5為2015年12月內選取的2個監測點溶氧數據生成的曲線，時間跨度從中午12點至次日中午12點，數據采樣間隔為20 min，即

表1　實驗結果

系統每隔20 min將采集的數值上傳至服務器?？梢钥闯?，2個監測點溶氧變化曲線趨勢大體相同，但由于海洋環境的復雜性，小范圍內的波動較頻繁。另外，與1號監測點相比，2號監測點離海岸更近，且海水攪動幅度較大，1號監測點相對離海岸遠，視野范圍內空曠，使得2號監測點的波動要比1號監測點更強烈。曲線變化趨勢符合實際情況。

圖5　海上測試24 h溶氧變化曲線Fig.5　The 24-hour changing curve of dissolved oxygen from the sea test

4.3測試結果分析

將本監測儀與YSI 600R型水質傳感器和CLEAN 3000系列傳感器進行測試對比發現，3種監測儀均能滿足精確度的要求，但在標定環節具有較大差異。YSI 600R型水質傳感器只有傳感器本體，無表頭顯示裝置，其標定過程需攜帶PC并安裝配套軟件，軟件利用RS232通信方式發送標定指令，傳感器接收到標定指令并完成參數的修正；CLEAN 3000系列傳感器帶有表頭顯示裝置，標定時需打開浮標密封體，通過操作表頭按鍵完成。與兩者相比，本監測儀既帶有本地顯示又能簡化標定過程，標定時只需攜帶紅外遙控器，且無需打開密封體；另外，由于紅外線穿透能力有限，可多臺設備共用1部紅外遙控裝置，操作人員只需攜帶1部遙控裝置就可依次完成養殖范圍內所有溶氧監測儀的標定。綜上，本監測儀運行狀態穩定、數據可靠、精確度高且操作簡便，與目前常用的水質溶氧監測儀相比，具有顯著優點。

5結論

利用STM32 自帶的ADC功能可實現水產養殖水體溶氧的自動監測，采用紅外遙控方式標定電壓-溶氧曲線，標定過程無需拆卸浮標密封體，提升了浮標的密封性，保證浮標能長時間穩定運行。該溶氧檢測儀具有實時性強、功耗低等優點，其RS485通信接口結合GPRS DTU，可以實現數據遠程采集，為用戶提供更便捷的信息資源，符合當前水質監測的發展趨勢。隨著水質監測技術的發展，利用紅外等無線方式標定傳感器的監測儀具有更廣闊的應用空間和市場。

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參考文獻

[1]劉鷹,劉寶良.我國海水工業化養殖面臨的機遇和挑戰[J].漁業現代化,2012,39(6)：1-4.

[2]安倩倩,肖勇.漁業貸款與海洋漁業經濟增長的關系研究——基于VAR模型的實證分析[J].海洋開發與管理, 2015(1)：75-78.

[3]汪年榮.深水網箱養殖水質數據采集與傳輸系統研發[D].湛江：廣東海洋大學, 2012.

[4]POSTOLACHE O A, GIRAO P M B S, PEREIRA J M D,etal. Self-organizing maps application in a remote water quality monitoring system[J]. Instrumentation & Measurement IEEE Transactions on, 2005, 54(1)：322-329.

[5]REGAN, LAWLOR, O'FLYNN,etal. Experiences and recommendations in deploying a real-time, water quality monitoring system[J]. Proceedings of the IEEE, 2010, 21(12)：1690-1701.

[6]彭發.水產養殖水質五參數監測儀的研制[D].泰安：山東農業大學, 2014.

[7]于炳亮,侯廣利,湯永佐,等.用于水質監測浮標的水樣自動采集控制系統設計[J].山東科學, 2012, 25(5)：53-57.

[8]蔡勵勛.海洋多參數水質在線自動連續監測浮標的應用[J].中國水產, 2008(4)：57-59.

[9]李振剛.多功能、多參數水質監測儀研究及應用[D].青島：青島大學, 2007.

[10]TUNA G, ARKOC O, GULEZ K. Continuous Monitoring of Water Quality Using Portable and Low-Cost Approaches[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2013, 2013(1)：1614-1617.

[11]張旭,亓學廣,李世光,等.基于STM32電力數據采集系統的設計[J].電子測量技術, 2010, 33(11)：90-93.

[12]郝雯,沈金鑫,梅成.基于STM32單片機的存儲式數據采集系統設計[J].電子設計工程, 2013, 21(17)：80-82.

[13]ZHAO L, SHANG S, WANG Y,etal. Intelligent yield monitoring system of harvester based on plot breeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(S2)：172-178.

[14]王建新,任勇峰,焦新泉.儀表放大器AD623在數采系統中的應用[J].微計算機信息, 2007, 23(7)：169-170.

[15]張君,趙杰.儀表放大器AD623的性能與應用[J].儀表技術, 2002(5)：45-46.

[16]趙子驍,曾元希.基于Android平臺智能手機的學習型紅外遙控器設計[J].電子制作, 2013(15)：51-52.

[17]王義進.基于NEC協議的紅外遙控解碼程序設計[J].數碼設計, 2015(7)：56-59.

[18]孫少偉,戴義保,章高琴.基于DS18B20組網測溫的研究[J].自動化儀表, 2006, 27(10)：42-45.

[19]CHEN M, CHEN M, QIU C. Design and Realization of Digital Temperature Sensor Based on DS18B20[J]. Arthritis & Rheumatism, 2008, 50(11)：3651-3657.

[20]張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應用[J].儀表技術, 2010(4)：68-70.

Design of dissolved oxygen monitor based on STM32

LIU Hui1,2, FAN Liangzhong2, LIU Ying3

(1CollegeofElectronicInformationEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2NingboInstituteofScience&TechnologyofZhejiangUniversity,Ningbo315100,China;3InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China)

Abstract：In view of the current problems of sea buoy dissolved oxygen (DO) sensors such as high power consumption, complex calibration processes, etc., a STM32-based DO monitor with low power consumption and high performance was designed, which realized the automatic calibration of the DO sensor through infrared calibration design. With the design, the DO value can be accurately calculated using the combination of single power data acquisition circuit and multi-channel STM32 ADC. The design makes use of the input capture function of STM32 to decode the infrared remote control signals, realizing the slope calibration of voltage-DO curve, and effectively avoiding the tightness risks of buoys caused by the frequent disassembly due to calibration of oxygen. Power saving mode meets the requirements of low power consumption and can improve the power supply duration of the battery. The RS485 port integrating with the MODBUS protocol can achieve remote communication, and lay a solid foundation for remote monitoring. Experimental results show that the DO acquisition accuracy of the monitor is higher, and monitor can run continuously for 5-6 days under no-light condition. This design can greatly improve the stability and tightness of buoys, and provide great convenience for the working staff with the advantages of low cost, small volume, and easy installation.

Key words：STM32; water quality monitoring; infrared calibration; dissolved oxygen

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9580(2016)02-028-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.02.006

作者簡介：劉輝(1989—)，男，碩士研究生，研究方向：智能控制技術及應用。E-mail：liuhui19881210@163.com通信作者：范良忠(1980—)，男，副教授，研究方向：計算機應用。E-mail：fan_liangzhong@126.com

基金項目：國家自然科學基金(31302231)；浙江省教育廳科研項目(Y201226043)；寧波市自然科學基金(2012A610110)

收稿日期：2015-12-03修回日期：2016-02-12