摘  要： 為了實時了解水質溶解氧（DO）含量，準確掌握水文動態，設計了基于ARM的DO監測系統。以ARM 920TS3C2410為主控制器，運用最小二乘法溫度補償原理及嵌入式技術對DO參數進行實時采集、處理及遠程傳輸。測試結果表明，該系統監測準確，運行穩定，實現了對水體DO的實時監測。

　　關鍵詞： ARM；DO；920TS3C2410；溫度補償；GPRS

0 引言

　　大氣中的氧分子溶于水體稱為溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）。溶解氧是魚類等水生物生存的必備條件，此外溶解氧含量是衡量水體自凈能力的一個重要指標[1]。當水中藻類過度繁殖、富營養化時，水體溶解氧含量將會降低，水生物窒息死亡，水質逐步惡化，因此有必要設計一種能夠實時反映水體溶解氧動態變化、具有報警功能的實時監測系統[2]，及時了解水質狀況，方便環保部門對水環境的治理。文中研究的溶解氧監測系統不僅能快速采集、處理水體DO數據，而且可以將監測結果實時傳送到監測站進行水污染分析。其成本低、功能完善、簡單便捷，為水污染預防和治理提供有力的幫助。

1 監測系統設計

　　監測系統通過水質傳感器實時獲取水質參數信號。水質傳感器獲取的信號將被傳送至調理電路實現對傳感信號的優化、濾波處理。A/D模塊進行高精度的模數轉換，經過ARM處理器920TS3C2410將信號進行溫度補償、分析和存儲，最后通過GPRS將水質參數信號傳送到監測站進行分析。監測系統結構框如圖1所示。

　　系統還應具有良好的分辨率、準確度等檢測參數，整個系統的指標如表1所示。

2 DO硬件電路

　　2.1 參數調理電路

　　監測系統中傳感器輸出信號多為電流信號，存在漂移失真、噪聲干擾等，為此在傳感器與A/D轉換模塊之間設計了溫度與DO信號調理電路，對采集信號進行除噪和I/V轉換等。

　　2.1.1 DO傳感器結構及工作原理

　　監測系統采用極譜式薄膜溶解氧電極作為傳感器[3]。黃金片作為陰極，銀片為陽極，KCL溶液作為電解液，頂端以聚四氟乙烯薄膜覆蓋。由于外加極化電壓使得兩電極間存在電位差，如果待測液中有氧存在，則通過聚四氟乙烯薄膜在陰極發生還原反應產生電流。反應式如下：

　　陰極：O2+2H2O+4e→4OH-

　　陽極：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e

　　在一定條件下，反應電流的大小與水中氧的分壓有關，而水中氧分壓與水中溶解氧成正比，所以水中溶解氧的濃度可以由傳感器輸出電流的大小來表示。

　　2.1.2 DO采集調理電路[4]

　　DO采集調理電路如圖2所示，陽極（Ag端）由穩壓管、電容和電位器構成激勵源電路，為DO傳感器的正負電極提供極化電壓，極化電壓的大小可由電位器P1調節。當陽極輸出的電壓滿足要求時，水中的氧在Au端發生反應，產生μA級電流。而傳感器輸出的是較弱的電流信號，極易受到噪聲等信號影響，因此需要對傳感器輸出的弱電流信號進行無損放大。而傳感電極的內阻較大，因此采用輸入阻抗較高的CA3140運算放大器作為第一級前置放大器。CA3140不僅具有較高的輸入阻抗還具有增益高、噪聲小等優點，可有效減少信號衰減實現弱電流的第一級放大。由于A/D轉換模塊的輸入是電壓信號，第二級調理部分采用低功耗儀表放大器AD627實現I/V轉換及第二級電壓程控可變倍數放大，將電流轉換到A/D轉換模塊可接收的電壓范圍。AD627的失調漂移、增益漂移和增益誤差都較低，因此，可最大程度消除系統中的直流誤差且AD627又具有較好的共模抑制比（CMRR），可很好地消除傳輸線干擾和傳輸線諧波噪聲，從而確保在放大過程中信號質量不會受到影響。

　　實驗測試顯示，輸出的信號中攜帶了一定量的高頻毛刺，致使水質參數信號不穩定，因此，在調理電路中設計了低通濾波電路用以消除高頻雜波，提高信號精度。低通濾波電路如圖3所示。其傳遞函數為：

　　根據設計需要，可以調節R1、C1設置低通濾波器允許通過的最大頻率值。水質信號在測量過程中易受到外界的工頻干擾[5]，因此，設計中加入50 Hz的工頻陷波電路。50 Hz工頻陷波電路如圖4所示。

　　2.2 系統抗干擾與供電系統

　　系統中水質信號除了受50 Hz工頻等噪聲干擾，系統本身也存在諸多電源干擾、信號通道干擾等。對此本文中設計抗干擾措施來抑制干擾源：PCB板圖設計過程中，盡量加粗電源線與地線，保證電源線、地線走向與信號傳遞方向一致，增強抗干擾能力；數字地與模擬地分開連接，從而避免模、數電路之間的回路干擾。

3 溫度補償設計

　　水質傳感器易受敏感參量——水溫的影響，產生溫漂誤差，因此，傳感器必須經過溫度補償校正，使測量值最接近實際值。系統的創新之處在于運用最小二乘法原理將傳統的硬件溫度補償改進為軟件補償，彌補了傳統硬件溫度的調試困難、精度低的缺點。

　　3.1 最小二乘法原理

　　最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數字優化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。在研究兩個變量（X、Y）之間的關系時，通常可以得到多個成對數據組（X1 Y1～Xn Yn），將這些數據描繪在X-Y坐標系中，如果發現這些點在一條直線附近，可令這條直線方程為：

　　yi=a0+a1·xi（1）

　　其中，a0、a1為任意實數。

　　為了建立這條直線方程就要確定a0、a1，將實測值yi與yj離差的平方

　　求解出a0、a1，代入式（1），此時式（1）的方程就是回歸的元線性方程。

　　3.2 溫度補償設計

　　在水質數據采集端，還加入了溫度傳感器用以采集水體溫度數據，將其作為DO信號溫度補償的標定參數。在溫度傳感器測量范圍內確定m個溫度（T1…Tm）作為設定點，在DO傳感器的測量范圍內確定n個DO（DO1…DOn）作為設定點。

　　在不同的溫度T1…Tm下分別對DO測量值進行靜態設定，獲得了對應不同溫度狀態下的m條DO—UDO特性組，同時也獲得了對應于不同溶解氧量的溫度傳感器的n條T—UT特性組。

　　采用最小二乘法原理，對上述兩個特性組進行多次擬合計算，得出補償系數[6]。將補償方程存儲在溫度補償子程序模塊中。ARM控制器采集到水質DO參數的電壓信號后，調用水質參數各自的溫度補償子程序，實現對信號的實時校準。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件需實現對傳感器數據的采集、處理等；對GPRS模塊進行編程，在GPRS網絡下傳送、接收數據。其主程序流程如圖5所示。系統軟件設計包含：水質信號采集程序模塊和數據處理程序模塊兩部分。

　　4.1 水質信號采集程序模塊

　　信號采集的主要流程如下：采集定時[7]（采集定時時間由MCU來分配）時間到達后，ARM控制器發出采集命令，水質傳感器上電初始化，系統采集數據、處理、發送，發送結束后控制器進入休眠狀態，關閉傳感器電源。這樣既滿足了水質信號的實時采集，又降低了系統的功耗。信號采集程序流程圖如圖6所示。

　　4.2 數據處理程序模塊

　　數據處理程序模塊分為兩部分：應用程序和嵌入式操作系統程序。應用程序包含水質多參數信號處理、人機交互界面設計、GPRS網絡傳輸；嵌入式操作系統包含控制按鍵、LCD和GPRS傳輸模塊驅動程序設計。系統的嵌入式Linux軟件平臺是在PC上REHL4 Linux操作系統下建立的。采用arm-Linux-gcc-2.95.3作為交叉編譯工具。Linux軟件平臺建立包含4部分：（1）建立交叉編譯環境；（2）制作Bootloader；（3）移植Linux內核；（4）根文件系統編寫[8-9]。

　　GPRS程序部分主要實現水質參數數據的接收和傳輸。GPRS模塊通過RS－232串口與ARM處理器的UART0口連接，UART口的驅動程序設計采用了循環隊列結構，環形緩沖區通過一個線性數組和指針實現操作。GPRS編程設計采用AT指令來實現對GPRS模塊的控制，從而實現數據的接收與發送。

5 系統測試

　　在溫度為0～40℃，相對濕度小于90%的室外環境下，對整個監測系統進行了反復測試，其運行穩定，響應快。對蘇州新區某河流定點水質進行了監測，測試參數如表2所示。

　　從表2可知，DO偏大于參數指標10%，后找到誤差原因：DO傳感器進入水中水位深度不一致。在此后的監測過程中，確保了每次測量時DO、溫度傳感器的入水深度相同，監測結果穩定，滿足參數指標。從表2溶解氧測量值分析可知，該河流點溶解氧偏低，藻類過度繁殖，水質富營養化，需要進一步治理。

6 結論

　　該系統以ARM處理器為控制核心，實現對水質DO參數信號的采集、存儲和傳輸。嵌入式系統的應用保證了監測系統的穩定性和實時性。此系統針對DO參數設計了合理的調理電路、溫度補償措施，保證了采集信號的準確性。本系統監測穩定、實時測量準確、數據遠程傳輸，具有很好的市場應用前景和較高的環保推廣價值。

參考文獻

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