智能監測船的pH檢測的設計與實現

蘇祖全，徐紹育，胡　　斌，黎遠枝，蔡林海

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關512005）

智能監測船的pH檢測的設計與實現

蘇祖全，徐紹育，胡斌，黎遠枝，蔡林海

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關512005）

摘要：為了提高水域水質檢測的實時性和減少成本,實現檢測的自動化和智能化.介紹一款基于stm32的智能監測船的設計與實現.設計以STM32F103Z為系統控制核心，通過pH復合電極和DS18B20，對pH值和水溫進行檢測.系統同時還集成了GPS模塊、通信模塊等，用于記錄船所在位置的經緯度，實現對智能船低成本的智能化控制.

關鍵詞：STM32F103Z；GPS；經緯度；水溫；pH值

由于現存的水質監測系統大多采用手工操作的方法，檢測數據的代表性比較差，無法真實的反應出水污染的情況并及時發現和定位污染源.因此需要設計一艘水質和水溫監測并能自動導航和定位的智能監測船，以下重點介紹pH值檢測部分.

1　系統總體設計方案

由于系統算法的復雜性和運算的快速性的要求，選用STM32F103Z作為核心控制芯片，既能滿足系統的性能要求又能夠降低成本.通過它可以控制各模塊的正常工作，以及對采集回來數據進行實時分析處理.并在上位機觀察由攝像頭采集的圖像，對水面的情況進行實時監控.系統總體方案框圖如圖1所示.

圖1　　系統總體方案框圖

2　系統硬件的實現

整個系統主要分成5部分：電源模塊，通信模塊，導航模塊，電機驅動模塊，pH值檢測模塊.

2.1電源模塊

系統的輸入電源電壓采用直流7.2 V的充電電池.由于各個模塊對輸入電壓的不同，需要+3.3 V、+5.0 V 和7.2 V供電，因此設計用德州儀器公司出產的TPS7333將7.2 V轉換為3.3 V和TPS7350將+7.2 V轉換出+5.0 V.電源電路如圖2所示.

圖2　　電源模塊

2.2通信模塊

通信部分使用了Think-WiFi M06，中心頻率為2.4 GHz.工作電壓為3.3 V，最大電流為170 mA.在空曠的地方，傳輸距離可達360 m.其接口類型有UART/SPI.傳輸速度可達54 mbps，且可以通過無線路由器與現有的互聯網進行互聯互通.

2.3 GPS模塊

GPS模塊由GPS接收機天線、接收主機和電源組成.GPS接收機的工作是追蹤所有的衛星，接收GPS信號，并進行變換、放大和處理，在收到3顆以上衛星的信息時，便可便測量出計算出所在位置的經緯度，追蹤到衛星的顆數越多，得到的信息精確度越高.

2.4電機驅動

電機驅動電路的設計出于功率和成本等方面的考慮，用4個功率管IRF3205s構成H橋電路驅動電機轉動.電路具有高效率、低電壓、大電流的特點，符合系統要求.電機驅動模塊原理如圖3所示.

圖3　　電機驅動模塊原理圖

2.5 pH檢測模塊的原理及電路設計

2.5.1 pH檢測的原理

溶液的pH值由溶液中氫離子的濃度決定，通過測量被測溶液與電極系統構成的電動勢，經公式可得到被測溶液氫離子濃度.根據Nernst方程［1］（如式1所示）可以算出不同pH值條件下的電極電位數值.

其中R為氣體常數8.314 3 J/K·mol，T為絕對溫度K，F是法拉第常數，n是電極反應中得失的電子數，E為等電勢點的電位，E0是傳感器電極在被測溶液作用下的輸出電位.

因為Nernst方程與溫度有關，在不同的溫度下，式（2）中斜率S，截距E均不同.故由上式算出的pH值與溫度是密不可分的.我們通常所說的某種溶液的pH值實在特定的溫度下的，故溫度補償是不可或缺的一部分.本系統設計溫度補償模塊，采用自動溫度補償［2］,即程序補償的方法，對硬件電路的設計減少難度且降低成本.將檢測到的實時溫度數據t采集到控制芯片中，通過計算求出S后代入式（2）中，經算法的處理，得出相應的pH值.

2.5.2 pH模塊的電路設計

由E-201-C pH復合電極的信號電極和參比電極之間的電動勢，可求出溶液的pH值.pH值的測量實際上就是電壓信號的測量，信號的采集電路是該系統的重點，經實驗測得在25℃時，復合pH電極電阻值高達1 011 Ω［3］，故高阻抗輸入的問題是電路設計的重點和難點所在.

要解決高阻抗輸入的問題，則要求運算放大器要具有很高的輸入阻抗，E-201-C pH復合電極的內阻可高達1 011 Ω，即傳感器內阻低于運算放大器的輸入阻抗時，才能使得到的電壓信號準確，TLC4502是一款高性能高阻的運算放大器［4］，其在常溫25℃時，輸入阻抗為1 012 Ω.這款運放芯片的供電是單電源供電，對電源部分的要求大大降低了.pH信號處理電路如圖4所示.

圖4　pH信號處理電路原理圖

3　　系統軟件的設計

整個軟件系統控制分為三大部分，無線數據傳輸部分、導航部分和水質檢測部分.系統流程圖如圖5所示.

無線數據傳輸部分采用WiFi模塊，上位機發送指令到下位機，下位機把檢測到的數據如經緯度，pH值和實時的圖像信息發送到上位機.

水質檢測部分是當上位機發出水質檢測指令時，下位機通過E-201-C pH復合電極和pH值采集傳感器模塊檢測出水質的溫度和pH值.

pH傳感器電極輸出的信號為兩個電極（即信號電極和參考電壓）之間的相對電壓，系統選用中性溶液對應的電壓作為傳感器參考電壓，即pH值為7的溶液，其對應的輸出電壓為0，其與情況根據酸堿度不同，輸出的電壓也隨之變化.

室溫16℃下，在已知溶液的pH值情況下，測得對應的輸出模擬電壓，得到了溶液pH值與模擬輸出電壓線性關系，如圖6所示．

圖5　　系統程序流程圖

圖6　　模擬輸出電壓與pH值曲線圖

4　　結語

本系統已經將各個部分進行整合，其中水質pH值檢測為系統的重點.目前系統的水質監測模塊已經完成了測試并已投入使用，對不同pH值的溶液都能很好的監測出其pH值，誤差在±1 pH，可以滿足系統的要求.

參考文獻：

［1］楊素英，尹景鵬，崇仲全，等.pH智能測量技術的研究及實現［J］.儀器與儀表學報，2003（10）:7-9，35.

［2］楊華庭.具有自動溫度補償的pH測量裝置［J］.儀器儀表學報，1997，18（4）:425-426，429.

［3］周湄生.pH測量中的電極問題［J］.中國計量，2000（2）:46-47.

［4］康華光.電子技術基礎模電部分［M］.北京:高等教育出版社，2006.

（責任編輯：李婉）

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）08-0027-04

［收稿日期］2015-05-18

［基金項目］廣東省大學生創新創業訓練計劃立項項目（201410576041）.

［作者簡介］蘇祖全（1979－），男，廣東韶關人，韶關學院物理與機電工程學院實驗師，碩士；研究方向：電機控制、智能儀器設計.

The Design and Implementation of Intelligent Detection of the pH Value of the Surveillance Ship

SU Zu-quan，XU Shao-yu，HU Bing，LI Yuan-zhi，CAI Lin-hai
(Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China)

Abstract:In order to improve the real-time property of water quality detection and reduce the cost,the detection realizs the automatic and intelligent control.This paper introduces the design and implementation of the intelligent surveillance ship based on stm32.STM32F103Z as the system control core of the design,combined with pH composite electrode module and DS18B20 which tests pH value and water temperature.At the same time, the GPS module and communication module are integrated for recording the latitude and longitude of the position of the ship,and the intelligent control of low cost for intelligent ship is realized.

Key words:STM32F103Z;GPS;the latitude and longitude;water temperature;pH value