李奕新，張健偉，張志彬，李文龍，黃木金，徐 濤

(廣東環(huán)凱生物科技有限公司，廣東 肇慶 526000)

0 引言

生活飲用水衛(wèi)生質(zhì)量對(duì)人體健康有著重要影響，而桶裝水屬于生活飲用水中的一部分。桶裝純凈水的衛(wèi)生質(zhì)量通常取決于純凈水廠，在生產(chǎn)過(guò)程中可能存在污染環(huán)節(jié)[1]，因此需要對(duì)桶裝水進(jìn)行水樣采集，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 19298—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 包裝飲用水》對(duì)水樣的理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。為了使桶裝水水樣的采集及檢測(cè)更加高效便捷，該文設(shè)計(jì)了一款桶裝純凈水的水樣采集檢測(cè)自動(dòng)化裝置。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水樣采集檢測(cè)系統(tǒng)將SWM32SRET6單片機(jī)作為主控芯片，使用液晶觸摸屏作為人機(jī)交互，通過(guò)氣泵與空氣過(guò)濾嘴的組合采集水樣[2]，并使用重量傳感器模塊[3]實(shí)時(shí)獲取水樣體積，達(dá)到定量采集的目的。該系統(tǒng)還配備有pH傳感器和余氯傳感器[4]，可在采集現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水樣的部分理化指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)液晶屏顯示數(shù)值。

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖1所示。水樣采集檢測(cè)系統(tǒng)的總電源由市電提供，經(jīng)過(guò)220 VAC轉(zhuǎn)24 VDC的適配器后，給電路板供電。24 VDC經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊提供12 VDC和5 VDC，12 VDC給氣泵供電，為采集水樣提供動(dòng)力[5],5 VDC則升壓轉(zhuǎn)換成LED恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)顯示屏，并轉(zhuǎn)換成3.3 VDC給主控及傳感器供電。

圖1 電源電路設(shè)計(jì)

1.2 氣泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

氣泵驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。系統(tǒng)選擇的氣泵硬件參數(shù)為：電壓10.8～13.2 VDC,負(fù)載電流最大為1000 mA,功率最大為10 W；根據(jù)要求,采用XL4015E1設(shè)計(jì)一款DC-DC降壓電路,使24 VDC降至12 VDC給泵提供電源,然后采用NMOS管APM9926控制氣泵。

圖2 氣泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.3 重量傳感器電路設(shè)計(jì)

重量傳感器電路如圖3所示。系統(tǒng)的重量傳感器選擇的是四線式電阻應(yīng)變式壓力傳感器,該傳感器的精度等級(jí)為C3,量程為0～3 kg,激勵(lì)電壓為5～12 VDC,輸出靈敏度為(2.0±0.1)mV/V；為滿足要求,系統(tǒng)選用5 V的激勵(lì)電壓,即重量傳感器的輸出電壓為0～10 mV,并選用ADS1220作信號(hào)轉(zhuǎn)換；ADS1220是一款帶有可編程增益放大器的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其提供1～128 V/V增益和最高20K SPS速率可選,該系統(tǒng)設(shè)置ADS1220的增益為128 V/V,速率為20 SPS,使模數(shù)轉(zhuǎn)換器的無(wú)噪聲分辨率為0.41 μVpp,故得到實(shí)際的重量分辨率為0.12 g(=3 kg/10 mV * 0.41 μVpp)。

圖3 重量傳感器電路設(shè)計(jì)

1.4 微控制器核心電路設(shè)計(jì)

微控制器電路如圖4所示。微控制器采用SWM32SRET6作為主核心,為cortex-m4內(nèi)核，通過(guò)PLL倍頻得到頻率為120 MHz，F(xiàn)LASH為512 KB，SRAM為128 KB；該控制器自帶SDRAM和RGB接口，能夠直接驅(qū)動(dòng)液晶屏，足夠大的內(nèi)存資源支持搭載GUI，能實(shí)現(xiàn)較為美觀的界面，并且?guī)в蠥DC和各種數(shù)字接口，滿足系統(tǒng)需求。

圖4 微控制器電路設(shè)計(jì)

1.5 pH傳感器電路設(shè)計(jì)

pH傳感器電路如圖5所示。系統(tǒng)采用E201型pH復(fù)合電極，該電極測(cè)量的pH為0.00～14.00，電壓為0～1.999 V；根據(jù)要求，采用微控制器自帶的ADC作信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于pH復(fù)合電極的輸出阻抗較大，需采用低偏置電流的放大器作緩沖[6]，再接入微控制器處理。微控制器的ADC為12位，可計(jì)算得到電壓分辨率為0.40 mVpp(=3.3 V/1.999 V/212)，繼續(xù)換算得到pH值的分辨率為0.003 pH(=14 pH/ 1.999 V * 0.40 mVpp)，滿足系統(tǒng)需求。

圖5 pH傳感器電路設(shè)計(jì)

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水樣采集檢測(cè)系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。軟件采用的是一般的前后臺(tái)系統(tǒng)，使用嵌入式GUI系統(tǒng)LVGL，并采用MVC架構(gòu)對(duì)UI界面進(jìn)行調(diào)度管理，能達(dá)到流暢的人機(jī)交互效果。水樣定量采集流程如圖7所示，通過(guò)觸摸輸入需要采集的水樣量，微控制器自動(dòng)對(duì)采樣瓶的重量進(jìn)行清零操作并開(kāi)啟氣泵，然后實(shí)時(shí)讀取重量傳感器的數(shù)值；重量傳感器的數(shù)值經(jīng)過(guò)軟件濾波后再換算成水樣量與設(shè)定值進(jìn)行比較[7]，若與設(shè)定值相等，則停止采集，達(dá)到定量水樣采集的目的。通過(guò)GUI自帶的軟件定時(shí)器，對(duì)pH傳感器進(jìn)行接入判斷及定時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)水樣pH值的檢測(cè)

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

圖7 水樣定量采集流程圖

3 測(cè)試結(jié)果

表1 水樣定量采集結(jié)果

表2 pH值檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，該水樣采集檢測(cè)系統(tǒng)的定量采集結(jié)果較為精確，在理論的誤差范圍內(nèi)；得到的數(shù)值較為集中和穩(wěn)定，無(wú)明顯的干擾誤差；pH檢測(cè)的結(jié)果誤差較小，表示采集的水樣符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)以SWM32SRET6作為主核心，實(shí)現(xiàn)了桶裝純凈水的水樣采集檢測(cè)一體式自動(dòng)化裝置，能夠幫助實(shí)驗(yàn)人員實(shí)現(xiàn)定量水樣采集及部分理化指標(biāo)檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。