基于STM32的水质COD检测系统设计与实现

第1章绪论1.1课题研究背景与意义自上世纪中叶以来，随着人口的增加和社会的发展，极大的发展城市化。根据环保部公报，上世纪末本世纪初，我国地表水污染十分严重，河流有机污染普遍，面源污染日益突出，富营养化严重[1]。目前，污水检测标准已经大大提高[2]。在水的质量方面做好监测，对发展国内水质检测和环保工作十分有用。化学需氧量(COD)是在一定条件,用一定的强氧化剂处理水样所消耗的氧化剂的量，以mg/L为单位测定水中有机物的相对含量[3]。自来水被污染后水中的氧会被耗尽，而水中的动物、植被等也会遭到影响，所有，化学需氧量可以来检验水源被污染的情况，情况越不好，数值越大，成正比，是当前国际社会和我国节能减排中特别重要的指标[4]。目前，中国水质检验主要采用国家标准GB11914-89《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》中规定的标准方法[5]。虽然标准上的方法都能够检验，而且准确性也好，只是很易于对周围环境形成第二次环境污染[4]。其他检测方法，如分光光度方法、库仑滴定法、和电化学法，以及紫外吸收方法等也面临着工作繁琐、成本过高的、给周围环境造成不利的干扰等。水质监测，由于设施滞后，无法实现数字化监测，过于依赖人工处理，误差也很大，对于突发的水质污染，不能及时处理，处理的也不好，很多水域路线复杂，相互连通，短缺水源的我国不能充分保护水源。这种情况在很大程度上导致了大部分地区的水质监测水平较低，对水质参数的掌握不足[6]。随着我国城市化和新农村建设的快速发展，污水处理的发展也进入了一个新的里程碑。下一步将解决水源分布分散造成的水样采集难、管理成本高、采样难等问题[7]。同时，政府部门也提出了环境监测仪器相应的发展策略[8]。所以，新型的水质监测仪器设备需具备消耗经费较小，便于拿取，测量速度快，精确度高，对环境不会污染的特点等。本文研究的COD检测系统摒弃了传统的检测方法，采用电化学氧化法作为COD值的检测方法，利用电极处的氧化还原反应来检测水中的有机物含量[9]。COD测定使用电化学传感器，能够解决常规COD测定技术产生的二次污染、测定时间周期的缺陷[10]。能够生产出物美价廉、操作简便、测量精确、使用方便的COD快速测量仪器，顺利克服水资源检测的问题[11][12]。1.2研究现状与趋势分析1.2.1COD检测仪器国内外研究现状自上个世纪八九十年代开始，国内部分科研机构根据国标GB11914-89重铬酸钾消解方法，与国外产品的技术特点相结合，开发出一些自产COD检测仪[6]。同时，测量原理也在COD测量技术的创新下逐步发展。但国内COD测量仪的准确度和引进仪器比较，整体水平上还处在相对滞后的水准。所以，通过更先进环保的检验方式研发高质量的COD检测器，将可以促进中国水质检测工作的更深入发展。而目前COD检测器原理大致包括两类：一类是采用传统化学分析法，将药物消化后再加以检测，大部分COD检测器均使用该方式；另一类则是使用如生物降解法、紫外线吸收法、热电解法等与传统消解法彻底分离的新COD检验原理。因此下面将对不同种类COD检测器的原理国内外现状进行分类说明。重铬酸钾消解-氧化还原滴定法COD检测仪重铬酸钾法为国标GB11914-89中规定的标准检测方法，大部分的环境监测站都采用该方法进行COD的测定和检验，测定过程为利用化学试剂对水样进行氧化消解，和利用特定试剂对氧化消解后溶液进行滴定分析[12]。特点：检测区域范围从30mg/L至2000mg/L，精密性为±5%，计算误差为±10%，测定周期为120min。该方法费用高昂，且易对环境造成不良影响。代理品牌：由江苏省环境科学技术研究院和武进环境仪表厂合作生产的JHC系列COD现场自动分析仪、联邦德国的PHOENIX-themcatCOD检测仪。后者准确度4%，检测时间4～10min，工作简单，具有手动冲洗能力，无须精密过滤器可以直接测试各种天然水，并可按照不同要求进行校正。重铬酸钾消解-库伦滴定法COD检测仪库伦滴定法是对国标法的一个改良方法，即待测水样先经过硫酸的酸化以及回流消解达15min之后，再以亚铁离子当作主要残余重铬酸钾的滴定物质并以库伦滴定结束，然后再透过法拉第电荷定律运算，计算亚铁离子在电解过程中所耗费的电荷量，就可以在经过运算后直接得出COD。罗思苑[14]提出了库伦法改进方法，减少了化学试剂使用量，提高了性价比。特性：最少测定值区域为10mg/L，最高测定区域为1000mg/L，精确度区域为±1%，最高准确度区域为5mg/L，最高检测时间为60min。操作简便、成本低、测量范围窄、不能对水样批量测定，且需对含氯水样进行额外处理[15]。检测时依靠二价铁的水溶液，极易产生二重物质[16]。代理产品：广州怡文技术公司的EST-2001COD快速测量仪，该设备测量数据和自动数据分析有较高的准确性。（3）重铬酸钾消解-分光光度法COD检测仪该方法对水中有机物在特殊波长内，利用重铬酸钾中铬离子化合价的变化，来定量检测吸光度并做定性分析，以确定水样中有机物含量[17]。按照波段有所不同，其中可包括紫外线、可见性光和红外线照度法。是国内沈碧君等[18]使用紫外线分光法，进行快速氧化物消解和检测氯离子含量较高的低含量COD的方法；YingL等[19]用分光光度法，对不同海域内两种海水进行了实际检测，结果显示相对标准误差小于2.7%，表明该方法可实现海水COD值的较高精度检测。特点：检测区域为最低10mg/L，最高达到5000mg/L，精密性为±5%，计算误差范围为±5%～10%之间，测定时间一般在15min左右。代表品牌：美国公司IONICS有限公司的404型、T2800型COD测定仪；法国人SERES有限公司的SERES2000型COD测定仪（微波消解）；中国北京北斗星有限公司制造的BD9372型COD快速测定仪。（4）UV-COD检测仪该方法使用紫外光谱区中，有强吸收性，以及吸收光度和化学需氧量间的高度关系，来进行测定水样中的有机质含量。特性为：低浓度范围的测定精度高，准确率为±2%，低重现性误差为＜2%，最高测量范围为不超过1000mg/L，最高测定时间为30s。该方法既不需要化学试剂，也避免了加热消解操作，对环境友好，且结果稳定，但需在水质稳定的情况下进行检测，复杂成分待测水样需做预处理，有较大局限性[20]。代理品牌：代理品牌：国内外的有沈阳市哈工大比奥科技股份有限公司的UV-COD快速测试仪。海外有美洲DATALINK集团的CT-200型、加拿大PHOX集团的EE720型、法国SERES集团出产的UV254型、日本国TORAY集团的UVT-300型、日本国DKK-TOA集团的UVMS-PD型、OPM-424A型UV-COD自动检测仪。（5）臭氧氧化-电化学法COD检测仪该类检测仪器的原理是利用臭氧或氢氧根的强氧化性将污染物氧化，再检测出氧化剂的消耗量，或氧化剂生成过程的耗电量，即可根据法拉第定律将上述变量转化成水中COD值[21]。特性：测量范围不太大，允许测量的物质最低含量为10mg/L，最大为1000mg/L，精度±5%，最大灵敏度5mg/L，一次测量时间≤15min。典型型号：中国国内的北京北斗星有限公司的BD9372系列快速分析仪；而欧美地区则普遍采用的是联邦德国STIP-SICO有限公司的PHOENIX-1010型COD测量仪。其优点是测量速度快、无污染，但设备自身构造相对复杂、维修成本大高等。（6）羟基自由基（·OH）氧化-电化学法COD检测仪被施以电流后的工作阴极表面，会形成有着超强抗氧化能力的羟基自由基（·OH），因此水体有机质也将会被·OH迅速氧化，同时在工作阴极上的电流大小也随着·OH被消耗而形成了变化，电流变化数据进行折算后则可以得到COD数据。国内倪翠芳[22]等人采用电沉积法制备出具有高析氧电位的双镀层二氧化铅电极，在最佳条件下一次测定仅需60s。Wang[23]、Bogdanowicz[24]等人又对电极的制备技术做出了改良，并开发出性能良好的BDD电极。该方法既无须加入额外的强氧化剂，也无须加热方法，因此具有测定周期短、操作简便、再现性好、准确度高优势[25]。由于BDD电极制造生产成本相对较高，所以高性能电极反应过程的生产，是目前在该领域的主要研发重点[26]。特性：测量范围宽，最低测试值1mg/L，最大测试值100000mg/L，精确度百分之五，测试灵敏率1mg/L，测试时间2~5min。代表：联邦德国LAR有限公司Elox100ACOD快速测量仪。该仪表原理先进，结果稳定，在欧美也获得应用。和采用传统计量原理的COD测量仪比较，这类仪表有着突出的优点，其未来的使用发展前景十分可观。除了以上代表产品之外，目前在国内外经营COD监测仪器的公司约有50余家，其中包括了北京浦西仪表公司、山东恒大地产集团环保公司、江苏电分析仪器厂、广州体文有限公司、岛津香港公司等。以及大量海外产品的代理商，由于产品价格昂贵，在国内推行较难。且目前市场上各种形式的COD监测仪表普遍检测时间过长，并回避了二次污染等问题。同时，在数据传递、保存、系统管理等方面，也出现了技术不完善等问题。另外，中国国内部分高校也在逐渐进行水质检测的研发。Xi研制的水质自动监测仪，能够同时检测多种水体参数。北京机械工程学院目前已实现了将MODBUS技术运用到水质分析仪上，并进行了现场的水质收集与储存。哈工大研发了一种功能完善、价格低廉的仪器，可以同时监测多个参数[27]。尽管中国已制造了水质监测仪器，但同外国一些产品比较，在性能上尚有一些差异。例如，由于水质问题耗费了大量的电能，它不能很长时间内从水中采集，而且上位机功能并不完备[28]。1.2.2目前存在的问题国内的质量监测体系虽然已经能够适应水产养殖中对智能化的需求，但还是部分问题仍未能解决。（1）价格高目前国内外很多水厂都通过引进的仪器来测试。这一类仪器尽管自动化水平好，但造价和故障率很高。特别是每次都要专门的维修人员，操作难度大，且运行成本高昂。单台主机售价约在20~30万，但每年的运行费用却高达50~20万，无法大范围推广。（2）耗时长以库仑滴定法、分光光度法为代表的高自动化测试仪器，由于操作步骤繁杂，每一次测试都需要加入各种仪器，测量准确度虽然普遍很好，但一次的检测时间长度一般为2-4个月，耗时费力，无法应用在高密度的多次测试的情况场合。。（3）便携性差目前，国外新型的测试仪器大都只应用在复杂装置后的试验室和检测点。针对边远落后地区，还有部分大型环境监测、环境研究、临时取样等需要实地环境监测的场合，大型仪器不适宜便携式使用。（4）易造成二次污染传统的COD测试方式依赖于各种化学药剂。在使用生化药剂的过程中，不可避免的就会有试药的浪费与外流。同时，在检测完毕后，产生的化学废液也会污染周围环境。若上述生化制剂处理不当，极易对周围环境产生二次污染。（5）使用环境受限大多数测量装置都容易收到天气、潮湿、高温、噪声、机械震动等各种因素的影响。对极端气候、工作环境嘈杂等场合，也不是很普遍适宜的。而某些检验方法如国标法只能检验不易分散的有机物，且检验液的COD含量范围也有一定局限性；消解方法则需要测定周围环境的水温和压强。而微波消解法仅适合于对环境保护要求较好的地区场所。1.2.3未来趋势分析通过剖析以上所有COD测试仪器出现的问题，我们就可以明白，未来的COD测试设备都应该具备价格低廉、测量过程快捷、可在户外应用、且测量过程绿色清洁的优点。目前不论是国外的先进测试设备或是中国本土的自主测试设备，昂贵的售价都是这些设备在市场上大规模普及的原因最大阻碍。开发低价的自动检测设备有利于我国水质监测的推广和发展。若能把检测时间减少为一小时，则能够降低等待时间，有效提升工作效率，进而实现在短时间内的重复性测试，并增加结果的准确性。另外，提高监测仪器的便携性可以有效缓解监测机构采样困难的情况，解决边远落后地区水质监测无法达到要求，跟不上建设步伐问题。同时，COD检验不但要取得正确可信的结论，同时在检验过程中注意环保，有利于环境保护的长远发展和社会的进步。1.3课题主要研究内容我们的重点研发任务是研制一款采用STM32结合电化学氧化技术的水质COD监测设备，可以完成对室外自来水COD值的实时自动检测、温湿度传感器的监测、信息传递以及数据处理等工作。论文重点分析了如下：（1）方案设计：基于目前COD检测仪的发展背景和情况，研究和制定了COD测试设备的总体方案，内容包含了COD测试方法、各功能的实现方法、测试设备的基本构造，以及具体的操作过程。（2）硬件系统工程产品设计：确立了以STM32F四晶片为控制器架构的软硬件功能设计控制总体架构，并按照各模块的原理产品设计了各模块的硬件系统互连电路。（3）设计：通过构建软件的设计框架，可以分开对下位机操作系统与上位机操作系统实施设计。首先，确定了下位机系统中各功能的主进程和子进程，并完成系统设计工作流程。接着，确定了Web远端机管理系统中各功能接口的顺序和工作流程。（4）系统检测：通过建立实验测试计划，以实现系统稳定性和COD值试验结果一致的目标测试，并对数据结果做出统计分析。

第2章COD检测系统总体方案设计根据上一节的研发背景和现状，本文进一步明确了COD检测体系的主要功能和总体结构方法。首先，对主要工作模块的基本原理进行了系统分析与设计，通过选择适当的COD检验方式取代了传统的检验方式，确定了检验迅速、干净、安全的优点。接着，制定了水样自动收集方法、通信方案与电源方法，并设定了装置的基本构造与主要工作过程。2.1系统功能分析及总体方案设计2.1.1系统功能分析该技术主要面向各地区的饮用水污染中COD的实时监测。采用嵌入式技术和通信技术相结合，制作出一款测量速度快、价格低、方便使用的自动测量仪。这既可确保在落后地区环境测量，测量工作人员不因设备过重、尺寸太大、操作不便而产生影响，又可第一时间将测量成果上传给PC计算机，完成现场信息录入与管理。我们使用的便携式COD快速测量仪的总体特点包括：（1）水样的自动取样：在监测中，应当实现定量采样。由于人工采集水样会出现偏差，必须使用各种采集设备。所以，有必要采用微控制芯片进行水样的高速精密测量，既可提高效率，也可提升测量准确度。（2）自动检测COD值：为达到自动化，减少人工作业。感应器根据触动或中断指令自动开启和停机测试，能够迅速、安全、合理地降低工作量。（3）湿度监测：由于测量装置属于精密电气设备，当周围环境的湿度达到极端要求下，装置会发生故障。为使装置顺利工作，同时监测周围环境的气温和湿度，装置需要带有自动湿度监测模块。（4）通信能力：只有对收集的信息及时处理并上传给上位计算机加以记录管理，方可进行对环境的实时监控，所以监测设备应当具备通信能力。通信模块也需具备上位机系统对终端设备的远距离遥控作用。（5）数据处理：利用上位机系统建立的数据处理系统，使得有关管理机关和单位即时了解水源的COD值数据信息，并对数据进行整理分析。同时，考虑到该设备是便携式装置，在整个工程设计中，应该在确保密封性的前提下，使设备的容积与重量最小，设备的构造要简单、易于操纵，还应符合供电简单、容易维修、成本低、寿命长的要求。2.1.2总体方案设计图2-1中展示了系统的总体方案。COD快速检测仪系统的基本构成自下而上分为水质监测模块、无线通信模块、太阳能电池板以及远程主机模块。图2-1系统总体方案图该设备将采用嵌入式系统控制，由锂电池供电。自动监测模组一般由水样采集模组、温湿度监测模组、水电解的发生和处理模块等构成。在仪器运行期间，测量系统会将所收集到的视觉数据放大，并传送给嵌入式系统内部的主控芯片，并经主控芯片转换后获取水体的COD信息。之后，信息再经由GPRS或Wi-Fi模块传送到上位机服务器的数据库中。各控制机构以及监测系统中的工作人员都能够登录上位机系统，以即时了解水源的COD数据资料，并及时地对水体状况做出出适当的评估，为水污染处理工作提供了精确可信的依据。考虑到室外自来水普遍离开控制中心，为减轻监控人员的压力与维护，在设备中添加了太阳能充电盘，供锂电池充电。根据设备的总体结构设计我们发现，COD快速检验设备的水样收集方式和检验的智能化水平好，易于使用，能够大大减少财政支出和劳动强度，能够在户外环境检验中起到关键作用。2.2COD检测模块方案设计2.2.1检测方法选择针对我们要探讨的便携式COD检测器，中心课题在于测试方式的选择。对于在室外环境测试携带问题、测试速度慢等方面，必须选用体积适中、构造不重复、测试方式可以满足实际COD结果的测试方式。在对比下研究了多种不同的COD检测技术，传统国标法是最准确的办法，但耗时漫长。而与其结构相比，紫外吸收光谱分析法和电化学分析法的结构也相对简单；在环境友好性方面，库仑滴定法、国标检测法、分光光度法、微波消解法在检测过程中都使用了汞、铬等重金属，会造成二次污染，而紫外吸收光谱法、电化学检测法都没有环境污染[8]。各种检测技术的参数见表2-1。表2-1COD检测方法比较检测方法检测范围精度误差耗时缺点国标30～2000mg/L±5%±10%120min会二次污染库伦滴定10～1000mg/L±1%±3%30～60min干扰因素较多分光光度10～5000mg/L±5%±5～10%15～120min需先消解操作臭氧氧化10～1000mg/L±5%±3%3～15min操作维护复杂紫外吸收0～1000mg/L±2%±2%30s局限性大电化学氧化1～100000mg/L±5%±5%3～5min受电极限制由这些内容可以看出，采用电化学检测法的羟基自由基(·OH)氧化测定法不需要添加其他化学检测试剂和热处理，可以有效降低对环境的危害；不仅测量范围大，而且检测过程简单便捷，有效缩短了检测周期；同时结构简便，维修成本低，完全符合户外作业的特点。所以，电化学氧化法是目前各种检验方式中最合适的方法。2.2.2检测方案设计（1）三电极方案电化学氧化法计算COD值的基本原理在于，使用特定压力下的阴极材料上会由于产生非均匀分布的金属氧化物而形成羟基自由基(·OH)，这种高抗氧化能力可以快速氧化并溶解于水中的有机质。在上述反应过程中，流经电极的电流会随着水中有机物的消耗而变化，而这个电流的变化与水中的COD浓度成正比，所以可以通过检测电流的变化来换算水中的COD浓度[29]。常见的双电极设备中通常都包括了工作电极与辅助电极，但在本章中所讨论的COD测试系统中，因有机物氧化过程所引起的输出电流变动却非常细微，最小只有微安级。测量出的额定值容易受到电极内电位误差的干扰，使得测量结果偏差很大，无法测量出正确的COD值。因此，应该在双电极测试系统中加入参比电极，形成三电极电化学系统，以避免上述电位偏差现象[30]。其结构示意图如图2-2所示。图2-2检测方案结构图电解反应发生时，内阻较大的参比电极(RE)只向三电极系统引入参比电压，以保证当工作电极(WE)和辅助电极(CE)之间的电流通过时，电位始终保持稳定，从而避免非法拉第过程对电化学反应的干扰[31]，使工作时电流信号能够准确采集，保证COD检测的准确性。另外，在通过三电极系统加以测试时，要使反应池中的电化学状态始终保持稳定，从而获得连续准确的模拟信号值，需要引入一个恒电位仪[32]，该恒电位仪可以保持电极间的电位差恒定。同时，恒电位仪能够直接获取电信号，特别适合于自动水质监测装置和在线监控设备[33]。控制部分的简化电路如图2-3所示。图2-3控制电路简图（2）电极材料本文中使用了基于电化学原理的羟基自由基（·OH）氧化法，来测定工作溶液的COD值，与其他测试方式比较，具有无可比拟的优越性，而对测试来说必不可少的内容，便是工作电极的材质。成为一款便携式COD快速测试仪，不仅仅需要考察产品在实际使用过程中，如何安全高效的生成羟基自由基（·OH），同时也需要使产品具备成本低、容易维护且寿命长的优点，以便于将其在现代社会中大规模推广应用。相比起BDD电极（掺硼金刚石）难制备且造价十分高昂的特点，以石墨为基底制备出的石墨/β-PbO2电极不仅价格较低，还具有较好的稳定性和强氧化性，适用于各种自动化检测设备中[34]。所以我们可以选择石墨/β-PbO2材料的阴极，以作为检测系统的主要工作电极。2.3各模块方案设计2.3.1水样采集模块本文使用的COD检测器是一个自动检测设备，运行中需要将水样引入测试室内。和常规的检测设备一样，该设备的取样设备不需频繁更换配件，试剂也不需要稀释，但必须对同一水源进行多次测试。所以，控制系统必须设置一个采样灵活、定量可控、检测精确的取样系统。目前，较为领先的采样方法是将活塞泵与移动式液位光度计有机地结合。该种方法虽然采样时间精确，稳定性较好，但由于装置容积过大，且生产成本高昂，因此不宜作为我们工程设计的便携式生化测试设备。另外充分考虑到本课题研究使用的电化学氧化法，在测定COD值的步骤中不需加入任何生化检测试剂，对检测速度也有一些要求。蠕动泵构造简便，易于控制，因此可广泛应用于本系列的水样采集模块。并利用重量感应器进行水样收集的量化管理。水样收集模块的具体构造方法，如图2-4所示。图2-4水样采集模块结构图感应器上方的重力越高，其内置的应变块变形越大，这样电信号进行放大转换产生的数字信号值就相应增加。主控器件能够利用数字信号变化即重力变化来确定腔内的温度。芯片运行后，感应器将安放于空腔下方，将空腔被完全放空情况下的重力变化设定为初始零值。使用者可按照要求设定并测量所需要的水重量，也就是阈值。之后，在蠕动泵抽排水的过程中，通过主控芯片将重量感应器所测出的水重量值和阈值加以对比，以便于了解水样能否达到测量要求，进而调节蠕动泵的正转、反转以及停止。质量感应器的负载还必须和A/D切换芯片相配套，设置简单，控制精度高，最大工作电压为3.3v。此外，为防止容器内氧化反应不充分，液体流出时容器内产生残留物，从而影响下次水样测定的误差，在取样池中引进了搅拌设备。检测室的最大容积为150ml，虽然内部结构比较紧凑，但由于传统的搅动设备过大，易引起取样池中电极的磨擦与冲击。考虑到将工作阴极和参比电极包埋于非磁性材料中，因此本文引入了容积较小的磁性搅拌装置。在容器下部安装了磁性搅动转动，磁力搅拌器利用容器外围的电磁引力调节搅动轴承转子，均匀搅动容器里的水样。其使用的称重感应器为CZL-611N型，工作频率为DC3.3V～5V；磁力搅拌器为美国INTLLAB公司的MS-500型，工作频率DC9V-1A，发电机输出功率5W，最大搅拌转速0～3000r/min，内置搅拌的磁子长度为7mm*30mm；蠕动泵为KAMOERNKP-DC-S04B型的双向式蠕动泵，工作电压DC12V，最大运行电流为0.25A，最大电流范围5.2ml～90ml/min。2.3.2通讯模块在COD检测系统中，利用网络通信技术进行双向传输。电子计算机的通讯方法,基本包括有线和无线。有线网络技术的优点是网络速度平稳，传输速率快，抗干扰性能好，稳定性强，而劣势则是必须重新布线和网卡等连接，而无线互联网的优势刚好反过来。在嵌入式开发中，无线网络是移动的，无线网络的范围越来越扩大。各种流行的无线通信技术的特点如表2-2所示[35][36]：表2-2COD检测方法比较通讯方式功耗成本传输速率通讯距离其他特点蓝牙低低高＜10m—NFC低低高＜0.1m—ZigBee低较低低＜300m局限性大Wi-Fi较低较低高＜200m适应性好GPRS低低中等不受限制接口简单考虑到COD自动检测装置既要适应短距离PC通信的特点，也要适应远距离无线通信的特点。经过对比了其他不同通讯手段的优点，又考虑到水资源监测项目大多是在野外实施，因此必须提高通讯的安全性和实时性，以及在地表水监测站的条件相对不足的情况下，加上技术的费用以及业务延伸性的考虑，最后通过GPRS模块完成了信息的无线传送。并在基础上，添加了Wi-Fi与无线通信模块。在上网环境许可的条件下，双方能够使用无线网络实现数据交换，从而有效的提高了计算机通信的安全性与可扩展性。2.3.3电源模块系统的嵌入式电源模块需要使用电源适配器将220V交流电转换为系统所需的交流电。但是转换后的输入电压过高，无法直接给系统中的各个模块供电，因此需要针对不同的模块设计电压转换电路，将高电压转换成满足各个模块要求的低电压，以支持系统中多个模块的正常工作。（1）供电方式选用考虑到水质COD测试的大多数作业地点是在户外，因为作业条件的特殊性，如果采用一般的可充电锂电池，不能保障随时随地的充电要求。为了给设备带来一种能够随时充满的工作电源，将太阳能充电设备与锂电池相结合的设计便成为了最合适的解决方案。中国的太阳能利用率尽管还不够好，但是在太阳能电池片和蓄电池的技术水平等方面，已开始逐步与全球的发达国家接轨。阳光的获取不仅没有破坏大自然，反而成为了一种清洁环保的可再生能源。与过去相比，新材料的太阳能充电板的制造成本和使用成本大大降低，而且还具有一定的灵活性和更长的使用寿命长[37][38]。（2）供电方案设计我们采用的COD监测设备大多采用露天地点，因而在设置电源时应充分考虑全天长时间工作的极端作业环境。基于STM32的电路实际功耗和工作条件如表2-3所示：表2-3耗电参数表性能静态电流峰值电流峰值频率有效日照时长参数80mA260mA4分钟1次3小时/天根据表中参数可算出：假设一小时的能耗为(0.08×0.75+0.26×0.25)×12=1.5Ah，那么每天的能耗是1.5×24=36Wh。若要求太阳能单天充电能给COD检测设备供给持续工作5天电能，其每日充电电量必须满足36Wh5=180Wh。每天有效日照时数按三小时计算，且考虑到太阳能电池板的充电效率能够满足100%且在使用过程中会产生消耗，太阳能电池板的输出功率为180Wh/3h/80%=75W，本次设计中实际选用了单块20W功率的太阳能电池板，防止因天气和季节变化导致有效光照时间缩短的问题。因此，选择5块太阳能电池板和12V、20Ah磷酸铁锂电池为系统供电[39]。2.4检测模块结构设计如图2-5显示，为COD自动监测仪检查设备的结构设计，其高压电极部分实现了简化。排水出口置于图中的顶部，能够保持单向流水可以进行清洗，减少了关闭排水出口后重复提取水样的重复性动作。考虑到这个装置为便携式设备，必须具备尺寸小、材质轻便、构造简易的特性。如果使用其他位置传感器，就需要增大设备的容积，从而通过重力感应器来确定水位。同时，通过底座分离的磁力搅拌器，减少了桨叶搅动装置，能够有效减少整个设备的构造复杂性和系统的复杂性。图2-5检测装置结构设计图图2-6检测装置实物图图2-6显示了测试设备的物理图。整个测试模块的尺寸为外底直径60mm，外腔高度115mm，内底直径50mm，内腔高度100mm。除去高压电极、搅拌磁球和浮板的容积后，容积为150ml。容器的材料是聚氟乙烯，不但拥有优异的电化学传感器特性和良好的抗腐蚀强度能，并且在应用过程中不管系统环境温度怎么变动，其电绝缘能力均稳定。此外，为防止在室外工作时由于受潮而引起短路，在制作集成电路板时，主要元件的表面均涂有防水绝缘胶，如图2-7所示。图2-7防水绝缘处理2.5工作流程设计在为便携式COD的快速测试系统工作时，通常有如下工作过程：（1）开机程序：使用在手机或上位机运行的COD电化学快速检测仪；（2）蠕动泵打开：设备启动后由控制电路开启蠕动泵正向运转，持续冲洗至少1min，以避免上次检测液体残留对检测结果造成干扰；（3）蠕动泵停车：监测电路接收到清洗完毕信号后，控制蠕动泵停车运行；（4）用称重传感器进行检测：将容腔内清洗干净后，容腔内溶液呈充满状，由电解槽底部的称重感应器将此时溶液称重信息传送至主要测控芯片；（5）开启蠕动泵：通过主控芯片设计，将溶剂比重与设置好的阈值范围加以比较，如果溶剂水位超过阈值范围，则可反向开启蠕动泵；（6）结束蠕动泵：在上一个阶段内，通过称重传感器连续收集溶液的重量，并与阈值比较，当结果与阈值相当后，主控芯片将蠕动泵终止运行，重新进行水样收集操作；（7）启动电解、磁力搅动和温湿度收集：水样收集结束后，启动电解反应，该流程主要是为了确保水样被充分氧化分解，然后由磁力搅拌器对水样进行不断搅动，并获取此时的温湿度信息；（8）电解停止、磁力搅拌器终止：如果主要控制芯片中收集到的电极端电信号为零，则表示电解反应过程已经结束，控制电路切断了阴极电源和磁力搅拌器的电源，从而终止了氧化；（9）数据分析：通过电解设备收集到的电讯号，由主控器件对其进行参数变换，获取COD信息；（10）数据信息：经数据处理后所获取的COD值数据信息，连同温湿度数据信息，由通讯模组发送到上位机；（11）重复性测试：为确保测量结果的精度，在检测COD值时，可设置重复性的测试时间，且主控单片机会自动重复上述测试流程；（12）关闭装置：测试结束后，快速检测仪自动关闭。2.6本章小结本文中首先系统分析了COD监测体系的主要功能要求。接着，通过比较分析了各种COD监测方式的主要特点，选取了监测速率较快、无污染的电化学氧化法为COD主要监测方式，并构建了三电极监测方法。然后，通过将蠕动泵和称重传感器相结合，重新设计了水样的自动收集方法。根据GPRS和Wi-Fi模块，制定了通讯方法。选择了太阳能和镍氢电池的组合，并制定了电源方法。最后，按照测量要求和原理，制定了COD测量系统的基本工作过程，为之后章节的网络硬件和软件设计工作打下了基础。

第3章COD检测系统硬件设计前一章重点分析了控制系统的设计总体方案与实际运行过程，本文主要是完成上述设计的COD检测控制系统的硬件设计。首先说明了硬件系统的构造，对各关键功能模块的主控芯片与硬件设备进行选择。接着，又按照各设备的基本功能原则，进行了核心功能测量模块、其他功能模块、电源模块与主控器件之间的电路设计工作，并对其基本原理做出了详尽解释。3.1STM32硬件系统整体设计3.1.1硬件系统整体架构针对便携式COD快速检测设备使用场合，构建其硬件平台的必须考虑的要素是：耗能小、体积小、运行平稳。硬件系统包括两个方面：核心控制模块和外围功能模块。控制模块以主控芯片为核心，外围主要功能模块有恒电位测量模块、水样采集模块(由电机驱动模块和称重量传应器组成)、温湿度模块、液晶显示模块、Wi-Fi模块、GPRS模组，以及电源模块。COD快速测量控制系统的重要硬件架构图，如图3-1所示。图3-1COD快速检测系统硬件结构框图主控芯片利用重力传感器判断检测室内的水位，进而给蠕动泵的电气驱动模块发送启停信息，以此调控蠕动泵的正反方向运动，实现水样的收集。接着，主控芯片开启电化学传感器测量模块，利用恒电位电路给阴极表面施以恒定电流，产生电解氧化反应。在整个反应流程中，主要控制芯片会收集电极反应产生的电流，经过I/V变换电路转换成电压信息，再经过计算模块将压力信息转换成COD数据，温湿度传感器模块则收集温湿度数据。主控芯片将上述数据呈现在液晶屏上，最后经由Wi-Fi及GPRS模块将数据上传到上位机。3.1.2STM32主控制芯片选择主控芯片是一个操作系统的内核，所以需要按照系统的功能特点来确定适当的微控制器。本文所研究的COD快速测量系统，必须对电解模块中采集的微小电流数据加以处理，而这就需要主控芯片具备更高的计算速率，以及更大的数据处理空间。因此为减少差错，并提高测量过程的精确度，需多个路高质量的模数转换端口以及更强大的设备抗干扰能力。同时，为了保证COD检测装置的稳定性、可靠性和简单性，各外围模块尽量采用串行通信。表3-1显示了目前微处理器的常见性能对比。表3-1微处理器性能对比表系列功能运算能力功耗价格51系列少较弱低低AVR系列较少中等低低MSP430系列较多中等较低高ARM系列齐全强较高高STM32系列齐全较强较低中等经过上述微处理器的综合比较，ARM系列芯片确实都有不俗的表现水准，但性价格比普遍偏低。因此，选择TI公司推出的STM32系列ARM-CortexM4内核STM32F407ZGT6芯片作为便携式COD快速检测系统的主控芯片[40]。不仅计算速度高、耗电量低，而且具有了良好的抗干扰能力，在综合性能优异的基础上售价比较低廉，并且性价比高，能够降低成本，为COD快速检测仪器的应用提供了可能性。主控芯片的具体技术参数见表3-2。

表3-2STM32F407ZGT6芯片参数表性能参数备注工作电压3.3V具有省电模式，符合户外工作特性片内存储器FLASH：1024K储存空间大，满足COD数据处理要求SRAM：1MIO口120个片上资源及外设接口丰富，可满足各主要功能模块的使用16位定时器12个AD和DA转换口5路FSMC3300像素/秒符合LCD屏使用要求3.2检测模块电路设计3.2.1电路分析COD测量模块电路是整个COD测量系统的核心，包括：D/A转换电路、恒电位仪电路，以及I/V转换电路等三部分。如图3-2所显示，是测量模块电路的基本电路结构图。图3-2检测模块电路结构简图（1）D/A转换电路D/A变换电路主要用来给三电极系统引入参考电流，以确保当电解反应进行时，工作电极(WE)和辅助电极(CE)可以获得符合系统需要的工作电压。（2）恒电位电路由第二章检测方式的分析可看出，三电极系统连接时，电流无法经过内阻无穷大的参比电极(RE)，而只会在辅助电极和工作电极之间通过，于是二电极之间的电压必然会发生变化，无法保持恒定状态。恒电位电路可以使辅助电极将变化后的电位转至给参比电极，使参比电极的电位回到初始状态，从而保证电极间的电位差恒定[41]。（3）I/V转换电路在整个电子化学反应过程中，由于电极所产生的电流变化很小，所以必须经过I/V转换电路转换成电压信号并放大。最后将放大后的电压信号处理成电流信号，实现微电流检测[30]。3.2.2D/A转换电路D/A变换芯片使用了可由SPI接口直接控制的DAC8831型号16位芯片，时钟速度高达50Hz。但工作时消耗极低，工作电压为3V~5V。该芯片具有线性程度好、故障率少、工作噪音低、设置简便等优势，且输出无缓冲，有效降低了误差范围。它还具备着优越的气候适应性，适应环境温度范围广泛，可在-55~125℃的气候环境中良好工作。在基于羟基自由基（·OH）氧化物的单电子化学反应过程中，通常采用一个双极输出实现氧化与还原的过程，而D/A转换芯片则为一个双极输出。因此本文将利用高精度的运算放器OPA727与D/A转换芯片共同组成双极性输出。该装置输入偏置电流很低，不高于85pA。最大输入失调电压约为15μA。如图3-3所示。图3-3D/A转换电路图输出电压由主控芯片编程控制，数字经由DAC8831的SDI口传送。根据设定LDAC、CS和SCLK引脚的不同参数，能够获得不同的输出电压。3.2.3恒电位仪电路恒电位仪的工作原理如图3-4所显示。当系统工作时，前面的D/A转换电路会经过恒电位仪，把输出电压以参考标准电压的形式引入到被测电极上，以检测反应中工作电极位置上的变化电流。在这个过程中，电流不通过参比电极，恒电位仪的采样器就可以使辅助电极把变化转给参比电极。另外，两电极的电位总是相同的。在工作电极接地的作用下，保证参比电极和工作电极之间的电压处于恒定状态，主控芯片可以用来设置其参数[42]。图3-4恒电位仪工作原理图电压比较器选用运算放大器INA105，由于其内部电阻通过精密激光切削技术制造，降低了工作时的非线性误差和增益偏差，因而使三电极电路中的微电流测量更为精确可靠。最大增益偏差仅为0.01%，最大非线性误差仅为0.001%，符合系统微电测量的需求。此外，还采用了AD8638型电压跟随装置，以提高整体的驱动性能。为了降低热反馈和容性负载驱动对输出电路总体特性的影响，在AD8638的输出端口使用了高速缓冲器BUF634来提高输出电流，进而提高其驱动能力。3.2.4I/V转换电路通过电路分析，如果想要获得最终的COD测量结果，就需要先测量三电极系统的微电流，被测量电极之间的电流则需要通过I/V转换电路转换成电压信号，再扩大后可以精确测量。所以在这个模块中，要使输入电压与扩大后的结果更加精确而不失衡，就必须使放大电路兼具高输入阻抗和高共模抑制比的优点，并同时保持低噪音和低温漂。但在另一方面，由于转化后的电压值通常是在10-3V的量级左右，光依靠单级扩大是不够的，它还必须借助多级扩大电路。为满足上述工作条件，多级放大电路中的运算放大器选用目前市场上精度最高的ICL7650斩波稳零式运算放大器。既满足以上条件，又具有反应极快、性价比最高的优势。典型的输入偏置电流所只有4pA，最高不高于10pA，满足系统反馈电流10-8A的数量级。转换电路如图3-5所示。图3-5I/V转换电路图图中R12的使用时充分考虑多级放大回路中的自激振荡的问题，并防止在工作中出现的热噪声影响系统。所以，R12为阻值低、低噪音的金属薄膜电阻。为减少在多级放大电路中的放大误差，我们引入了同相并联结构，以提高第一级放大电路的准确度。最主要的优点是输入阻抗值几乎无限大，拥有很大的共模抑制比和良好的抗干扰能力。使用三个ICL7650单元，第一级放大由其中2个构成，进而增大了输入阻抗，并提升了增益，另中一个则成为了第二级。而增大后的电流信号则由AD7710模块所收集。电压放大电路图如3-6所示。图3-6电压放大电路图3.3水样采集及传感器电路设计3.3.1电机驱动器电路在本文设计的COD快速监测设备中，蠕动泵作为水样收集模块的核心元件，具有抽水功能，也具有排水功能，因此能够在中央主控芯片的控制下正反转，完成抽水与排水功能。微型DC电动机作为蠕动泵的机械驱动设备，有无刷DC电动机和有刷DC电动机。过去，因为定子与转子需要进行柔性接触，有刷DC电动机的使用寿命一般较短，这导致有刷DC电动机的使用范围狭窄。本系列采用无刷DC电动机作为蠕动泵的驱动设备，具备可调性好、换向操作简单、启动简便等优势，符合系统的设计特点，便于安装和使用在实际的COD监测设备中。为方便主要控制芯片进行电动机的正反方向控制，本设计采用15针L298N芯片作为电机驱动芯片，它有四条逻辑通路来驱动电机。L298N的功能逻辑如下表3-3所示。表3-3L298N功能逻辑表ENAIN1IN2运行状态0××停止110正转101反转111刹停100停止L298N芯片的最大输出电压50V，因此不但能够利用电源直接控制输出电压值，还能够根据通过单片机I/O口输出的信息变化电平，进而完成对电动机的正向或者反向控制转换。L298N电路工作结构比较简单，在控制驱动时很易于完成TTL电平由VSS引脚接收。输入电压的有效范围为4.5V~7V；电感性负载可由VS引脚的输入电流驱使。输入电压有效范围2.5V~46V，最大输出电流为2.5A[43]。L298N和主控芯片相连的电路原理图如图3-7所示。图3-7电机驱动电路图3.3.2重量传感器电路我们使用的COD测量设备主要用作户外环境测量，所以采用的重量感应器必须具备重轻、容积小、精确度高、安装简单的优点。本次采用的感应器类型为CZL-611N，最大量程为1Kg，准确度差为0.1g，尺寸为80*12.7*12.7mm。数据的A/D变换模块使用24位HX711单片机，整合了稳压电源、片内RTC和多个外围的功能模块，有效节约了空间和成本，也增加了设备完整性。另外，由于该器件抗干扰性能较强，精度高，响应快，很适合于本系列。该芯片和其后端MCU芯片间的连接与编程都非常简单。接线图如图3-8所示。该芯片的主要优点为：主检测电路中没不需独立设置一个模拟电源，其内置稳压电源即可作为传感器模块和内部A/D转换器电源；同时，由于RTC控制系统不需要外部模块，启动就可以完成自动复位过程，通过芯片的引脚即可进行驱动控制信号，而无须为片内寄存器单独设定程序。图3-8重量传感器电路图3.3.3温湿度传感器电路为使COD测量设备正常工作，并随时监测周围环境湿度，装置上需要安装温湿度自动检测模块。由于测量设备属于精密电气设备，如果环境的气温和相对湿度均超过了极端条件下，设备将无法正常工作。使用温湿度数据，就可以更加有效掌握控制系统的工作环境，而温湿度数据的采集模块将由DHT11传感器实现。DHT11器件构造简洁，体积小。仅包括二个电源引脚单元、一个串行通讯端口和一个空引脚，功耗低。其工作电压范围从3.3V-5V，并采用了单总路输出标准的信号。DHT11检测精确，温度范围从0℃-50℃，精度为1℃，但偏差为不大于2℃。湿度检测范围为20%-90%RH，精度为1%，误差小于±5%，可以保证测试结果的准确性[44]。图3-9温湿度模块电路图DHT11温湿度模块和STM32主控芯片相连的电路原理图如图3-9所示。数据引脚与主控芯片的PG9引脚相连，只需要一个IO口，系统集成更容易，编程更简单方便[45]。系统的体积小，由于连接线距离在20m以下，所以在IO接口与电源之间连接了约5k的上拉电阻。另外，在VCC引脚与接地引脚的中间串联了一个4pF的电容，有助于抑制耦合滤波。3.4LCD显示模块电路基于本文设计的COD监测控制系统仅需要显示运行时测得的COD数据和温湿度传感器数据，一般分辨率的显示器可以达到用户需求。本控制系统使用屏幕分辨率为320*240的ALIENTEK2.8英寸薄膜晶体管液晶显示屏，显色值为65K，运行电压为3.3V。在本设计中，MCU控制器的LCD液晶显示屏也可以看做是控制静止的随机存储器，并通过和STM32F407ZGT6所提供的灵活的静态内存控制器(FSMC)接口相连。地址线和数据线均采取非复用方式，分别占用二个不同的总线。采用这种连接方式，液晶屏可以作为SRAM器件使用[46]，在编程时可以直接连接到主控芯片的RESET引脚上，不需要单独配置RST信号，系统复位时可以同时复位LCD模块，节省系统资源[47]。液晶显示模块和单片机FSMC引脚之间的接口线路如图3-10中所示。图3-10LCD显示屏接线电路图此外，TFT-LCD需要控制线来操作背光。该模块由ILI9341控制驱动器实现。其16位模式的存储格式为RGB565，并有26万色320*240像素显示方案，内存大小为17.28万，完全满足本系统的使用要求。主要端口功能如表3-4所示。表3-4液晶屏端口功能表端口名称功能CS液晶屏片选信号WR液晶屏写入数据口RD液晶屏读取数据口D[15:0]16位双向数据线RST硬复位3.5通讯模块电路设计3.5.1Wi-Fi模块电路因为本文所研制的COD测量设备是用作户外便携应用的，仪器不可过重、容积过大、使用不便，所以必须能耗低、工作平稳。为此，本文将选择低功耗、低硬件成本的ATK-ESP8266无线Wi-Fi模组，内含了TCP/IP协议栈，支持IEEE802.11g/b/n等三种无线局域网协议，在2.4GHz的频率波段工作，最高数据传输速度达到54Mbps。接通方式既可以是点对点，也可能是基础网。COD检测系统运行时，主控芯片SMT32F4通过串口与模块连接，无需修改任何参数配置信息即可实现数据传输，减少了响应时间，提高了传输效率[48]。上层的数据通过串口发送到ESP8266模块，该模块自动将串口协议转换为TCP协议，并将数据发送到路由器或家庭网关[49]。串口通讯转Wi-Fi的STA模型如图3-11所示。图3-11串口通讯转Wi-Fi结构图图3-12Wi-Fi模块电路图该功能的全部信息，都是经过了串口传送的，于是我们可以选用开发板的串口3连接ATK-ESP8266模块，该模块的6个引脚结构依次是：电源引脚、接地引脚、TXD出口传输引脚、RXD串口接收引脚、复位接脚和IO接口。该串发射和接受的引脚系统可以用来串联主控器件，串口发送和接受引脚连接主控芯片，从而完成串口通信功能。ATK-ESP8266的MCU连接回路，如图3-12所示。3.5.2GPRS模块电路本系统使用了GU900D无线模组作为GPRS通讯模组，并提交了大量的单片机和计算机程序源代码。传输方法则采用标准RS232串口技术，并采用标准AT指令配置，同时支持TCP/IP协议和多路连接方式。数据缓存容量最高可达10K，短信的触发功能也可由外部电平完成。该模块功耗非常低，最大运行电压从5V-12V，最大待机电流也可降低至40mA，数据传输的电流约为300mA，因此比较节能，可以满足COD检测系统在户外工作的特点。而GU900D的接口电路如图3-13中所示。图3-13GPRS模块电路图串行通信接口TXD和RXD是电路芯片的第9、10引脚，分别与主控单片机STM32F4的PC13和PD5系统连接；在第60脚引出天线接口，与外面的天线相连；同时，为确定网络情况，在第35个引脚上与LED指示灯连接，用以指示系统的通信情况。由于GU10900D本身就具有通讯的要求，因此不再设置信号、射频处理等外围电路。上电初始化功能后，通过外接就能实现通讯功能。GU900D无线通信系统配置有SIM接口电路，与SIM卡座电路连接后作为GSM终端。3.5.3SIM卡电路本文接入的SIM卡是国际标准的SIM卡，有六个引脚，尺寸只有54*84mm[50]。SIM_GND引脚应接地。一旦SIM卡卡槽已于地连接，SIM_GND引脚就可以直接连接到SIM卡插槽的GND引脚。GU900D可以使用3.0V的SIM卡，进行内部与外部的数据传输。SIM卡接口引脚的设置如表3.5所示。表3-5SIM卡引脚定义表序号端口功能1VCC电源端口2RESET复位端口3CLK时钟信号4DATA数据传输端口5CPPSIM卡插入检测信号6GND接地端口GU900D无线通信模组和SIM卡之间的电路联系图如图3-14所显示。安放设备时，通常将SIM卡放置于现场便携式COD快速测量设备中的SIM卡槽内。为了防止手动安装SIM卡时人体静电对系统电路的影响，我们设计并在SIM卡上连接了一个ESD防静电二极管CH412Z，可以承受高达±15kV的静电脉冲[38]。图3-14SIM卡模块电路图3.6电源电路设计本设计中的COD检测控制系统由多个模块构成，各个模块的电源要求不尽相同，需多种供电电压。对于COD快速测试系统的硬件电路，其各模块电源电压的计算结果如表3-6所示。表3-6各模块工作电压表工作电压工作模块+3.3VSTM32F407ZGT6、CZL-611N重量传感器、DHT11温湿度传感器、ESP8266Wi-Fi模块、SIM卡模块、TFT-LCD屏幕+5VL298N电机驱动器、GU900DGPRS模块+9VMS-500磁力搅拌器+12VNKP-DC-S04B蠕动泵根据上表中各设备的电源特点，系统的外部供电电压均为12V锂电池供电，若照明条件充足则可使用太阳能电池板或锂电池储电。通过对比，选用了输出功率为8W、峰值电流为0.56A的多晶太阳能电池板用作锂电池的充能电源，其开路电压不大于21.3V，已经能够达到对锂电池的充能需求。太阳能电池板的多晶硅产生的电压随着太阳能强度的提高而增大，不能直接为锂电池补充。为确保整套控制系统供电电路的安全性，在锂电池充电前端设定了稳压电路，太阳能的输出电压通过二个并联的HT7560-2稳压芯片后对锂电池板充电。太阳能供电系统结构框图如图3-15所示。图3-15太阳能供电结构图HT7560-2具备输出电压精度高、静态输出功耗低、最高24V宽电压等优点，满足新型太阳能充电电路的充电功率，同时达到稳定电压输出的要求。HT7560-2提供的太阳能电压为+6V，并联后可提供+12V充电压。太阳能充电稳压电路的设置如图3-16所示。图3-16太阳能充电稳压电路图考虑到COD检测设备不仅适合室外使用，也要适合室内检测，需要提供220V市电供电方案。首先使用AC-DC变压器将220V交流电转换为12VDC，然后使用集成稳压芯片将其转换为9V、5V和3.3V的稳定电压，给不同模块提供使用电压。220V交流电转±12V直流电的电路图如图3-17所示。图3-17交流电转直流电路图根据供电要求，锂电池输出电压为12V，可供蠕动泵使用，其他模块所需电压分别为9V、5V、3.3V。根据集成电路的降压原理，为了使系统的电压更加稳定，对锂电池的电压进行滤波，然后利用稳压芯片LM78L09将12V的外供电压降低到+9V。LM79L05将外供电压从12V降至+5V；AMS1117将+5V的电压降低到+3.3V，从+12V到+9V的供电电路如图3-18所示；12V到+5V供电电路如图3-19所示；从+5V到+3.3V的降压电路如图3-20所示。图3-18+12V转+9V电路图图3-19+12V转+5V电路图图3-20+5V转+3.3V电路图3.7本章小结本文主要讲述了COD测量系统的硬件电路。其中，详细描述了COD数据测量模块的三电极恒电位系统，并完成了D/A转换电路、恒电位仪电路，以及I/V转换电路的设计。接着，又详细进行了各主要设备的选型和电路设计工作，如水样采集模块的电机驱动回路和重量感应器电路、温湿度传感器电路、液晶显示电路、GPRS电路以及通讯系统中的Wi-Fi线路等，并讲解了它们的工作原理。最后，又对电源回路进行了分析与讲解。利用本篇的说明，能够更加详细地掌握了本系统的硬件设计方案，并按照各模块的功能特点完成了四章硬件的设计。

第4章COD检测系统软件设计本文重点介绍了COD快速测量系统的软件设计。基于第二章的系统工作过程和第三章的硬件构成，COD测量系统将全自动工作，测量数据需要上传给管理系统。所以，检测系统的应用软件结构包含两个组成部分：下位机和上位机系统。先按照操作系统的总体工作过程，分析设计了主程序的流程图，接着按照各个模块的原理，设计了所有子程序的流程图。系统工作时，主程序调用所有子程序。最终系统设计了采用B/S三层架构的上位机系统，并对各个界面的程序流程图做出了系统设计与描述。4.1开发环境及系统构成该系列以STM32F407为主控芯片。STM32F407芯片本身就含有大量的库函数，便于用户移植和阅读。选用MDK公司推出的KeilMDK5.14作为开发平台，对传统的开发模式和界面进行了全面升级[51]。采用C语言，能对代码直接编译调试，能够缩短系统的研发时间，进而大大降低了研发生产成本。4.1.1软件系统整体架构COD系统由若干主要的功能模块所构成，包括重量感应器、温湿度传感器、电机驱动器、电子化学测量模块等。传感器收集的数值进行放大后经STM32芯片处理后呈现在显示屏，然后经由Wi-Fi以及GPRS模块上传给网路服务器。由服务器保存环境数据，工作人员可登陆上位机的管理系统并查询水质，从而掌握水质信息，控制设备。图4-1COD快速检测系统软件结构框图下位机的软件程序一般包含了操作系统的所有应用程序。子程序被主程序调用实现对应的功能，一般包含了系统的初始化子程式、温湿度采集程序、COD信息收集程序、RTC系统的实时时钟暂停程序、LCD驱动程序、按钮子程序、GPRS通讯子程序、Wi-Fi通讯子程序、上位机的监测软件设计。设计软件遵循从顶至下的结构化设计原则。COD快速监测系统的总体结构框图如图4-1所示。4.1.2STM32系统主程序COD自动检测设备开启后，由主控的芯片上电自动复位开启初始化功能，随后再由子程序检测并判断各模块的基本参数和初始化数据。一旦系统参数出错，就会自动完成基本参数校正过程。从主控芯片内的FLASH中获取校准数据，校准过程完成后再进行参数测试过程，直到基本参数无误，进入下一个执行程序。COD快速检测系统通过中断子程序进行数据采集，对水样采集的通断状态为外部中断零触发。当腔中无水时，重量传感器通过HX711A/D的转换模块向主控芯片传输水空信号，主控芯片控制电机抽水，随水位增大，主控芯片将水位信息与阈值作对。当与阈值点吻合时，主控芯片控制电动机终止抽水。操作系统中采用了两种中断处理程序，一种是按键中断子程序，当按下按键时，开启新的检查任务，开启数据收集程序。另一种是RTC时钟中断处理程序，当容器的清洁工作超过用户设置的时间时，开启中断处理程序，关闭清洁工作，开启水样收集程序。在全部测试工作完成后，数据由主控制芯片处理，并经由无线通信协议传输。系统主程序流程图如图4-2所示。图4-2系统主程序流程图4.2下位机各模块子程序设计COD检测系统中各模块的子程序,包含操作系统初始化子程序、温湿度值收集子程序、水样收集程序、COD数据信息收集管理程序、实时时钟中断子程序、键盘扫描程序、Wi-Fi通讯子程序、GPRS通信协议、上位界机管理软件等等。如下所述。4.2.1系统初始化子程序操作系统的初始化包括：时钟操作系统、L298N、串口、LCD、Wi-Fi模块、GPRS模组初始化等。由于GPRS模组的GU900D核心芯片利用串行接口和SPI总线与主控芯片实现通讯，所以当串行接口初始化完毕后，再对GPRS模组初始化。在水样采集模块中，重量感应器的HX711驱动程序在通电后自动复位和初始化。系统的初始化流程如下图4-3所示：图4-3系统初始化程序流程图4.2.2RTC系统子程序作为户外应用的便携式装置，在COD检查系统上工作时，必须记下每个检查的时间并反映给上位机系统。同时，由于在腔体冲洗流程中，必须设定每一次冲洗的时钟长度，才能在计时完成后立即触发或中断子程序，所以需要用到TM32F407芯片的实时时钟(RTC)系统。它是RTCSTM32的独立BCD定时器/计算器。其电源方式是后备供电，不能因为突然停电而丧失操作参数。它的中断源包括闹钟和秒中断源。在本设计中，时钟中断用于持续时间用于固定的清洗部分，因此选择“秒”’中断来实现。这次COD检测系统的计数器驱动时钟32.768KHz的外部晶振，分频定为32767，这样的分频值就是32767+1=32768。则进行一次计数T=32768/32.768KHz=1s，就能够产生按秒钟计数的系统中断时刻。文中所用的时间变量即为ANSIC标准库参数中的类UNIX时间函数：（1）unsignedintmktime（structtm*t）：将structtm结构体变量t转化为秒数据；（2）structtm*localtime（consttime_t*）：把秒数转化为structtm结构体变量，并回到该类型指针。系统中使用寄存器选择的时钟源，RTC也只有在初始化设定后才正常工作。初始化流程如图4-4所述，中断流程如图4-5所示。图4-4RTC时间显示流程图图4-5RTC中断程序流程图4.2.3COD数据采集子程序COD数值的收集分为对水样的手动收集和电化学反应的启动(COD值测量)2个组成部分。一次完整循环的工作流程为：清洗容器后自动取样，称重比较调整到标准量后开始，电解反应开始采集的电压信号，最后对数据进行处理。本控制系统设置的主要目的，是通过HX711单片机收集容器的重量数据，当水位超过规定的阈值时，可以利用中断功能向中控芯片发出相关信息，从而监控电动机的正反转过程。当监控电动机正反转的L298N系统建立完毕后，即可利用改变电机端口上的电平来实现电动机的正反转。水样自动收集的程序图如图4-6所给出，包含以下多个组成部分：清洗容器-自动取样-重量比较-调整标准量等等。图4-6水样自动采集程序流程图（1）HX711重量传感器程序该功能过程也相对简化，将转换后的24位数字由特定时序传回，读取编程过程如下：①设DOUT口高电平，PD_SCK为低电平，使AD；DOUT=1;PD_SCK=0;while(DOUT);②PD_SCK置高，发送时钟脉冲，置低电平一次，计数:unsignedlongCount;Count=0;unsignedchari;for(i=0;i<24;i++){PD_SCK=1;Count=Count<<1;PD_SCK=0;if(DOUT)Count++;}③当第一个时钟脉冲完成进行一次上升跳变时，读取24位输出数据，读取顺序为从最高位置到最低位。在第24个时钟脉冲的上升沿跳变时，24位输出数据被读完：unsignedlongReadCount(void)④数据输出顺序与读出次序相同，即从最高位到最低位输入输出。第25、26和27个时钟脉冲来确认下一次数据模数转换的输入通道，完成后PD_SCK再次被设置为高电平：PD_SCK=1;Count=Count^0x800000;⑤进行数据转换，延时后置低PD_SCK，并将结果返回；PD_SCK=0;return(Count);（2）L298N电机控制程序图4-7L298N电机驱动器程序流程图在本工程设计中，主控芯片控制L298N系统的启动，但在清洗COD检测室的进程中，暂停指令由上一次的RTC秒事件中断信号触发。这个系统的程序设计方法非常简单。ENA和ENB与芯片连接，控制使能端启停。当IN1端口接高电平，IN2接低电平有效时，发电机M正相旋转；当IN1接低电平有效，IN2接高电平时，发电机M相反向旋转。L298N的程序流程图如图4-7给出。上述清洗过程和水样收集完毕后，主控芯片将会下达电解命令，在电解完毕后，将所收集到的电压信息传送给MCU进行大数据分析，从而得出COD数值。为提高下一次测量的精确度，每个COD测量装置工作时可自由选择反复测量的次数，之后控制系统就会自动再次测量，下一次测试的数据将依次上传给上位机系统。COD的数据采集程序流程图如图4-8所示。将电压采集过程有D/A转换程序和经过I/V变换后的A/D采集程序。图4-8COD数据采集程序流程图图4-9D/A转换程序流程图（1）D/A转换程序D/A变换系统使用了DAC8831芯片，其传输采用CS接口进行。当COD检测电路的主控芯片对电解模块发出电解启动命令后，引脚CS从高电平转为低电平，在SCLK下降沿产生外部中断，由STM32F4通过SDI接口输出数据。D/A的程序流程图，如图4-9所给示。工作时，主控芯片为SCLK提供同步时钟信息。当CS接口位于高电平时，DAC无法访问，SCLK和串行进入数据接口SDI被省略。CS接口跳至低电平时，可以访问DAC。CS接口实现由低电平转换到高电平的完全转变后，SDI的串行输入数据立即产生，并且SCLK由高电平转移到低电平的同时进行同步输出，SCLK的上行沿锁存在输入移位寄存器的MSB中。每次通信要求16个SCLK接口的时钟信息。同样，当CS接口转为高电平后，DAC8831的LDAC引脚通过LDAC的下降异步更新DAC锁存器。这样，能够给稳压器提供固定的参考电压。（2）A/D采集程序图4-10A/D采集程序流程图在用三电极器件所产生的羟基自由基（·OH）氧化水中有机物的过程中，将电流转换成电流信息之后，使用的是适合于低功耗测量装置的24位高精度AD7710芯片实现了放大和A/D变换。当电压信息进入模块后，DRDY引脚从高电平变成了低电平，下沿会产生外部中断。STM32F4的接口也可以进行读取数据。A/D采集的程序流程,如图4-10所显示。启动A/D采集中断程序。第一步，先关掉外界中断，接着设定地址信号输入(A0)，开启帧同步接受(RFS)，同时开启在SPI端口读出3字节采集数据。在确定信息发送缓冲区的情况后，如不满，把已读出的3位字节信息组成一个24位数据，把临时变量count加1，进而确定count变量能否到达到要求。完成计数后，对所有临时信息进行算术平均过滤，将计数归零，计算结果存入信息传输的缓冲区，并更新数据发送缓冲区的所有标志位置。当上述步骤结束时，外界中断开启，帧同步接受(RFS)，中断返回。假设数据发送的缓冲区已满，或计数变量不符合设定值，直接跳转到外部中断步骤。（3）数据处理要把COD测量模块收集的电信号转化为COD值，必须建立形成两种反应线性相互作用的准则曲线。在测量过程中，从电极表面所形成的电流被转化并放大为电压信号，而主控芯片经过调用以上的标准曲线，就可以把电压输入信息转换成溶液的COD值。而国际标准曲线的形成就必须经历标准建立的流程。①建立标准曲线步骤为：在三电极电解检测容腔内，添加一组按COD含量依次为y1、y2、...、yn的标准葡萄糖溶液进行测定，并通过I/V转换确定反应进行时电流值对应的电压值x1、x2、...、xn。将上述数据输入MATLAB，再经最小二乘法拟合出COD值y与电压值x之间的线性拟合方程式4-1：(式4-1)式中：a为比例系数；b为补偿系数。其原理是：对数字xk和yk(k=0,1,2,...,n)作曲线拟合时，使各数据与拟合曲线的偏差平方和都很小。根据标准曲线中的数据，利用式4-2：(式4-2)进行积分计算，即可得出系数a和b的数值，由此定义标准曲线的线性拟合方程。而曲线拟合的准确度可通过自相关系数R2来定义，R值由式4-3计算：(式4-3)R2的值和1的差值越大，则精度越高，反之精度越低。②计算COD值上述的标准曲线形成后，当为主控制器件编程后，把得到的y=ax+b转换过程，注入到主控器件的数据处理过程中。COD分析系统开始运行后，通过A/D采集系统向主控芯片提供高电压的数字信号xk，主控芯片也可以采用y=ax+b输出COD数据yk，传输后的COD数据将经由通讯系统上传给服务器系统存储，以便管理人员可以随时查看与调整。数据处理操作流程图如图4-11所示。图4-11COD数据处理程序流程图4.2.4温湿度数据采集子程序第三章则阐述了数字温湿度控制器DHT11的硬件构成。该模块的驱动功能主要分为三个部分：模块初始化、读写操作和温湿度读取[52]。当控制系统上电，DHT11自动初始化时，STM32F4就会读出从传感器中收集的温湿度数据并呈现在主机界面上，随后再经由通讯模块上传给远程的主控平台。MCU可以通过单总线读出由DHT11输出的数据。读取流程如图4-12所示：图4-12MCU读取DHT11输出数据过程图当单总线路处在空闲位置时，就属于高电平。在COD检测系统启动运行后，由MCU对信息进行测试(输出为低电平，时间超过18ms)，然后由DHT11监测到启动信息，单总线被上拉电阻上拉至高电压状况后，转为输入等待控制系统反馈。系统上电时，先初始化硬件资源，包括主控芯片、通讯模组以及其他外设职能模块。温湿度模块的初始化是通过调用函数DHT11_Init()实现的，主要是设置DHT11与STM32F4之间相连的GPIO口，使GPIO时钟，模块进行等。当检测时刻完成后，将和COD信号一起呈现在液晶屏上，并同步把检测到的温湿度传感器值，经过系统的GPRS模块或Wi-Fi无线通信模块，以电子报文的形式发送至远程服务器平台。温湿度模块的程序流程图如图4-13所示。图4-13温湿度模块程序流程图4.2.5GPRS模块子程序GPRS模块开启后，主动拨打请求与数据中心建立通信，数据中心收到请求后即可建立通信链路[53]。本文中使用的GU900D接入GPRS通信系统，在第三章中明确说明了此功能的重要作用。在国家COD监控体系中，所有水质的COD数据先由主要监控芯片完成数据处理，然后再和温湿度传感器数据同时经由GU900D模组传送至上位机。由于GU900D采用了标准的AT指令拨号接口，因此数据传输过程大致包括以下三个部分：（1）模块初始化工作：使GU900D正常开启，并进行了相应参数的设置，并使之顺利地连接GPRS。（2）拨号接入网：GU900D能够接入控制器访问网络信号，并完成数据的包装、接收与传送。数据链路层协议通常使用PPP协议。（3）利用TCP/IP协议栈进行数据传输：将数据包以IP包的方式传送，并使用TCP/UDP协议。主控芯片利用串口发出的指令信号，操控整个GSM模块并接通网络。下表4-4给出了GU900D的AT配置指令列表。

表4-1GU900D的AT指令表指令功能ATGU900D工况测试AT+CGMRGPRS模块支持测试AT+CFUN功能特性设置AT+CCIDSIM卡安装检测AT+CSQ信号质量检测AT+CGCLASS工作类型设置AT+CGACT激活网络AT+CGREG更改网络速率AT+CIPCFG网络模式参