基于STM32的溶氧监测仪设计

刘　辉， 范良忠， 刘　鹰

(1 太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024；2 浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3 中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071)



基于STM32的溶氧监测仪设计

刘辉1,2， 范良忠2， 刘鹰3

(1 太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024；2 浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3 中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071)

摘要：为解决海上浮标溶氧传感器存在功耗大、标定复杂等问题，研究设计了一种基于STM32的低功耗、高性能溶氧监测仪，并针对海上浮标提出红外标定设计，实现溶氧传感器的自动标定。利用单电源数据采集电路结合STM32多通道ADC，精确计算出溶氧值；利用STM32的输入捕获功能解码红外遥控信号，实现电压-溶氧曲线的斜率标定，最大程度避免因溶氧标定而频繁拆卸，造成浮标体内部密封性变差的风险；省电模式满足低功耗的要求，可以提高蓄电池的供电时长；集成MODBUS协议的RS485端口可实现远程通信，为远程监测打下基础。结果表明，溶氧监测仪采集精度较高，能在无光照情况下连续运行5～6 d。该设计可以提高海上浮标的稳定性和密封性，为工作人员提供了极大的便利，具有成本低、体积小、便于安装等优点。

关键词：STM32；水质监测；红外标定；溶氧

我国是全球最大的水产养殖国[1-2]，海洋渔业是水产养殖的重要内容之一[3]。水质参数监测是海洋渔业发展的重要环节，其中对水质溶氧的监测则是水质监测的首要目标。欧美许多仪器仪表公司，如美国的YSI及HACH、意大利的HANNA和法国的Polymerton等[4-5]，相继研制出多种型号的水质分析仪；国内也研制了相应的产品，如AJ-1型水产养殖水质监测仪、小型一体化多参数水质数字在线监测仪等[6]。目前，水质监测仪在海水水质监测方面依旧存在一些问题，如：由于海水水质的监测环境的特殊性，设备要求较高的密封性，而水质传感器大多数会因附着物、元件老化以及电解液的消耗等原因需要定期标定[7-9]，每次标定过程都需要打开密封盖对仪器进行操作，长此以往，不可避免地会发生密封性不良等问题；另外，大多数水质监测仪并非海上浮标专用，由于设备耗电量较大，以太阳能供电难以应对长时间阴天等特殊情形[10]。为了解决上述问题，并结合水质监测溶氧采集方面的相关研究，设计了一种基于STM32的水质溶氧监测仪。

1总体设计方案

选用STM32F103VCT6芯片，芯片内核为Cortex-M3[11]，设计主要分为ADC数据采样模块、温度采集模块、红外标定模块、RS-485输出、JTAG下载电路等相关模块。通过利用STM32 的ADC功能实现对溶氧信号的采集[12]，温度模块采用不锈钢封装防水型的DS18B20温度传感器，通过单总线技术实现与STM32的通信；STM32定时器的输入捕获功能用于红外标定，当把传感器探头置于空气中时，待溶氧值稳定后，按下遥控器，结合当前温度对应的饱和溶氧，即可修正电压-溶氧曲线，进而完成标定；同时监测仪集成MODBUS协议可以实现数据的远程传输[13]，为监测仪提供良好的扩展性，而数码管显示和报警等辅助功能也可为现场工作人员提供有价值的数据。溶氧监测仪拓扑结构如图1。

图1　系统拓扑图Fig.1　The system topology

2系统硬件设计

2.1单电源数据采集电路

采用雨研信息科技(上海)有限公司研制的W-DO-YDC型溶氧传感器。由于传感器的输出电压为小电压信号，为了满足STM32的采样范围和精度，需要将原始输出信号放大，放大电路利用放大器AD623单电源数据采集电路实现。AD623能在单电源下提供满电源幅度的输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性，并通过提供极好的、随增益增大而增大的交流共模抑制比来保持最小的误差[14-15]。其差分输出为：

V0=(1+100/RG)Vc

式中：V0—差分输出电压，V；RG—放大增益电阻值，kΩ；Vc—放大前电压，V。

单电源数据采集电路如图2所示。电桥电路由+5 V电源供电；电源去耦电容为0.1 μf陶瓷电容和10 μf钽电解电容；输入信号为传感器电压信号，信号范围0～20 mV；5号引脚REF接入1 V基准电压，1号引脚与8号引脚间RG=1.02 kΩ，即将原始电压放大100倍，其差分输出电压1 V≤V0≤3 V。

图2　单电源数据采集电路Fig.2　The single power data acquisition circuit

2.2红外标定电路

红外遥控标定利用STM32输入捕获功能实现遥控解码。红外遥控的编码广泛使用NEC协议[16]，1个脉冲对应560 μs的连续载波，1个逻辑1传输需要2.25 ms(560 μs脉冲+1 680 μs低电平)，1个逻辑0传输需要1.125 ms(560 μs脉冲+560 μs低电平)[17]，红外遥控接收头连接在STM32的PC8(TIM3_CH3)上，程序中设计TIM3_CH3为输入捕获，将收到的标定及标定确认脉冲信号解码即可实现红外标定(图3)。

图3　红外标定电路Fig.3　The infrared calibration circuit

2.3其他电路

供电系统选用电压12 V容量30 AH磷酸铁锂电池供电，利用降压芯片LM2576-5V以及LM1117将12 V直流电压转换为3.3 V；时钟电路分为外部高速时钟(HSE)和外部低速时钟(LSE)，HSE选用8 MHZ晶振，外部时钟为32.768 kHZ；RS485电路由芯片SP3485作为收发器，支持3.3 V供电，最大传输速度可达10 Mbps，并有输出短路保护。监测仪还设计有6个共阴数码管，4个LED警示灯以及1个3.3 V蜂鸣器。 LED警示灯用来显示系统的各个运行状态，共有3种状态：正常运行、标定模式和低功耗模式。

3系统软件设计

3.1溶氧标定原理

溶氧传感器出厂前，厂家已经对溶氧-电压曲线进行了标定，在长期使用过程中，传感器探头会因电极老化以及电解液消耗等原因而需要重新标定。实际应用中，出厂后的传感器零点很稳定，即使更换电解液后漂移量也很小，主要对斜率进行重新标定，所以标定采用单点饱和空气斜率标定方式(图4)。横坐标为传感器输出小电压信号，纵坐标为溶氧值，Y曲线为标定前电压-溶氧曲线，Y″为标定后电压-溶氧曲线。

首先将传感器置于湿润空气中，若此时周围环境温度对应的饱和溶氧值为YT(程序中通过查询的方式确认温度对应的饱和溶氧值)，传感器输出的电压为XT，则可确定点T；又知出厂时设定的零点，即可确定曲线的斜率K″，进而计算出曲线Y″。标定时按下遥控器标定按钮后放置5～10 min左右，待溶氧值稳定后，按下红外遥控标定确认按钮，即完成标定过程。

图4　标定原理图Fig.4　The calibration diagram

3.2各模块软件设计

采用MDK-ARM作为开发平台，开发程序主要包括主程序、数据采集与处理程序、温度采集程序、溶氧红外标定、低功耗模式、串行通信程序。主程序主要实现各模块的初始化以及I/O口、时钟配置。

STM32的ADC是12位逐次逼近式模拟数字转换器，共有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，转换时间为1 μs。以ADC转换设计为注入通道组，采用单次转换模式，数据右对齐，使能ADC后每隔10 s触发1次定时器并进入中断，完成1次信号采样，根据采样电压值，对照电压-溶氧曲线即可计算出此时的溶氧值。

DS18B20温度传感器采用单总线技术实现温度采集，根据总线时序完成相应的数据和指令的收发[18]。DS18B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0、读1，发送的所有命令和数据均为低位字节在前[19-20]。温度采集过程：复位→发SKIP ROM命令→发开始转换命令→延时→复位→发送SKIP ROM命令→发读存储器命令→连续读出两个字节数据→结束。程序中将溶氧值并结合温度值，利用RS485通信方式将数据不间断发送至上位机，发送间隔依实际需要可设定为10 s、30 s、1 min、5 min和10 min等。

程序中设有正常模式、标定模式、低功耗模式3种工作模式，每种模式对应不同的开启模块数量，通过使能或失能相应时钟控制模块功能的开启和关闭。设计3种工作模式，可以最大程度发挥蓄电池的供电能力，保证监测仪长时间稳定运行，同时也扩大了监测仪的应用范围，可以适应有持续供电来源的应用场合。

4结果与分析

4.1实验室测试

实验室测得正常模式、标定模式、低功耗模式下电流分别为0.46 A、0.38 A、 0.25 A，利用30 AH蓄电池供电、开启低功耗模式且无光照的情况可持续运行5～6 d。

将YSI 600R型水质传感器和本监测仪同时放入相同的实验室水池中，每隔20 min记录下两者的温度值和溶氧值。表1为不同天、不同时刻记录的5组数据(A)，误差计算以YSI 600R型传感器为基准值(A0)，并根据公式γA=∣A-A0∣/A0，计算得出每组数据的相对误差(γA)。由标定原理可知，溶氧值的准确性与温度的精度密切相关，如果温度的采集精度不够，就无法实现溶氧-电压曲线的精确标定，也就无法获得精确的溶氧值。从表1可以看出监测仪温度的相对误差很小，基本没有达到1%的情况，精度可达到99%；溶氧值的相对误差也可满足应用需要，精度可达到97%以上。

4.2海上应用测试

将本监测仪放入浮标体内部密封桶内，安置于浙江舟山2个不同监测点，1号监测点位于普陀区六横镇台门港海域，2号监测点位于六横镇小黄沙海域。图5为2015年12月内选取的2个监测点溶氧数据生成的曲线，时间跨度从中午12点至次日中午12点，数据采样间隔为20 min，即

表1　实验结果

系统每隔20 min将采集的数值上传至服务器。可以看出，2个监测点溶氧变化曲线趋势大体相同，但由于海洋环境的复杂性，小范围内的波动较频繁。另外，与1号监测点相比，2号监测点离海岸更近，且海水搅动幅度较大，1号监测点相对离海岸远，视野范围内空旷，使得2号监测点的波动要比1号监测点更强烈。曲线变化趋势符合实际情况。

图5　海上测试24 h溶氧变化曲线Fig.5　The 24-hour changing curve of dissolved oxygen from the sea test

4.3测试结果分析

将本监测仪与YSI 600R型水质传感器和CLEAN 3000系列传感器进行测试对比发现，3种监测仪均能满足精确度的要求，但在标定环节具有较大差异。YSI 600R型水质传感器只有传感器本体，无表头显示装置，其标定过程需携带PC并安装配套软件，软件利用RS232通信方式发送标定指令，传感器接收到标定指令并完成参数的修正；CLEAN 3000系列传感器带有表头显示装置，标定时需打开浮标密封体，通过操作表头按键完成。与两者相比，本监测仪既带有本地显示又能简化标定过程，标定时只需携带红外遥控器，且无需打开密封体；另外，由于红外线穿透能力有限，可多台设备共用1部红外遥控装置，操作人员只需携带1部遥控装置就可依次完成养殖范围内所有溶氧监测仪的标定。综上，本监测仪运行状态稳定、数据可靠、精确度高且操作简便，与目前常用的水质溶氧监测仪相比，具有显著优点。

5结论

利用STM32 自带的ADC功能可实现水产养殖水体溶氧的自动监测，采用红外遥控方式标定电压-溶氧曲线，标定过程无需拆卸浮标密封体，提升了浮标的密封性，保证浮标能长时间稳定运行。该溶氧检测仪具有实时性强、功耗低等优点，其RS485通信接口结合GPRS DTU，可以实现数据远程采集，为用户提供更便捷的信息资源，符合当前水质监测的发展趋势。随着水质监测技术的发展，利用红外等无线方式标定传感器的监测仪具有更广阔的应用空间和市场。

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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

中图分类号：TP277

文献标志码：A

文章编号：1007-9580(2016)02-028-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.02.006

作者简介：刘辉(1989—)，男，硕士研究生，研究方向：智能控制技术及应用。E-mail：liuhui19881210@163.com通信作者：范良忠(1980—)，男，副教授，研究方向：计算机应用。E-mail：fan_liangzhong@126.com

基金项目：国家自然科学基金(31302231)；浙江省教育厅科研项目(Y201226043)；宁波市自然科学基金(2012A610110)

收稿日期：2015-12-03修回日期：2016-02-12