小型水質監測硬件系統的研究與設計

謝靜

摘要：隨著生活質量的持續上升，人們越來越關注飲用水的安全。小型水質監測系統由水上平臺模塊和手持終端模塊構成，兩部分協調運作，手持終端控制水上平臺的取樣以及移動，最終由無線通信模塊將水上平臺測得數據發送給手持終端，手持終端接收來自水上平臺的多股參數并且通過LCD顯示模塊顯示出來。在實現水源合理運用中，水質安全管理起著至關重要作用。

關鍵詞：水質監測 無線通信 單片機

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract：With the sustained increase of quality of life， and concerns over the safety of drinking water is more and more attention.Small water quality monitoring system consists of water platform module and hand-held terminal module.Handheld terminal control water sampling and mobile platform， in the end by the wireless communication module will be floating platform measured data sent to the handset， handheld terminal receiving more shares from the floating platform parameter and displayed by LCD display module. In a reasonable use of water， water quality safety management plays an important role.

Keywords：water quality monitoring；wireless communications；microcontroller

1 緒論

水資源是人類賴以生存的資源，飲用水質量的好壞直接關系人類的生命安全。通過對國內外移動在線水質監測系統的了解以及研究，本課題致力于設計針對小范圍水域進行水質參數測量的水質監測系統。希望通過實驗驗證小型水質監測設計思路的可行性，為以后的發展提供理論依據和參考實例。

2 小型水質監測系統方案設計

水質監測系統包含水上移動平臺模塊和手持終端模塊。用戶根據遙控器發射運動命令，使平臺運動到指定目的。到達后，水上移動平臺啟動采樣模塊和取水模塊。手持終端顯示由水上平臺發送而來的水質參數，并且在LCD顯示屏上。系統工作框圖如圖1所示。

3 水上移動平臺的硬件設計

3.1 水質傳感器

要實現對水質的監測，水質傳感器不可或缺的。水質指標種類比較多，常規的五項水質參數指標包括溫度值、pH值、溶解氧含量、電導率以及渾濁度。

設計選用的溫度傳感器是DS18B20溫度傳感器，輸出數字信號，數據線連接單片機I/O口就可實現數據通訊。傳感器采取不銹鋼管包裝，可以防水、防潮、

防生銹。

PH值可以反映水的酸度、凈化程度、有機和金屬穩定性等。系統選用270-WQ201PH傳感器，是一種相對耐用精度高的PH值檢測器件。傳感器可以輸出4-20mA電流信號，測量0到14PH范圍酸堿度的滿量程精度可達2%，同時傳感器封裝在不銹鋼和環氧材料內部，外部護罩可替換，易于維護。

濁度主要是指水中懸浮物阻塞的透光度，是否受污染一目了然，直觀的體現水質的渾濁度。系統選用270-WQ710濁度傳感器，該傳感器在測量時，在被測水中聚焦射出一束光束。水中的顆粒物等可以反射傳感器聚焦的光束，通過測量90度內的反射光強，光電探測器可以分辨水質的濁度。濁度傳感器的工作電壓在10V到36V范圍內，輸出量為4mA到20mA的電流信號，傳感器滿量程精度值可以達到±5%。

電導率傳感器主要用于體現水中無機物污染指標。系統選用270-WQ301型電導率傳感器，工作電壓為12V，輸出為4-20mA電流的3線制傳感器，線路連接簡單。

3.2電機驅動電路

圖2所示為直流電機驅動電路，本設計需要4個直流電機實現船體移動控制和1個水泵實現水質抽樣。輸入端ina與in1、in2同時控制輸出口out1和out2，控制器賦ina和in1高電平時，水泵正傳實現取水操作；ina和in2高電平，水泵反轉實現放水操作。輸入端inb與in3、in4同時控制輸出口out3和out4，當單片機給與inb和in3高電平時，電機1正傳船體右轉，當inb和in4高電平時，電機2正轉船體左轉。電機3、4控制船體前進后退。

3.3電源電路

水上移動平臺需要用到3種不同的電壓，分別為7.6V、5V、3.3V。考慮到水上移動平臺是以模型船為載體的，而模型船本身帶有7.6V可充電電源，所以只要在給移動平臺設計7.6V轉5V電源電路和5V轉3.3V電源電路就可以實現水上移動平臺的供電要求了。

4 手持終端的設計

手持終端以STC89C52RC單片機為核心控制器，與NRF2401無線收發模塊相連實現數據的接收控制，P2口作為液晶顯示的數據端口。

4.1 LCD顯示模塊

液晶顯示器選用LCD12864點陣漢字圖形型藍屏液晶顯示模塊，顯示由水上平臺傳送過來的溫度值、PH值、渾濁度以及水質電導率。LCD12864顯示模塊與控制器連接如圖3所示，單片機p1口分別與LCD數據端口DB相連，VO、VDD、VSS分別為亮度調節端口、電源正以及電源地接口，當三者通過可變電阻鏈接時可以用于調節LCD顯示模塊的屏幕亮度。

4.2 NRF2401模塊

NRF2401芯片是一款通用的ISM頻段的單片機通訊芯片。NRF2401芯片可以通過SPI接口設置數據信號的輸出功率、頻道以及協議的設置，也可以進行I/O口數據的普通傳送，本次設計運用的通訊方式是I/O口普通通訊。單片機與NRF2401無線收發模塊電路連接圖如圖4所示。

5 結語

對于數據的無限發送與接收，NRF2401無線模塊的距離還是存在很大的局限性的，要是設計可以運用更先進的數據傳輸以及控制方法比如運用互聯網的PRS通信，GSM通訊等，那么水質監測系統將突破距離的限制。電腦已經成為當今社會不可或缺的工具，當小型監測系統可以直接通過電腦控制，數據可以直接通過互聯網傳輸時，那么小型監測系統的的硬件需求就會變得更簡潔，數據的存儲將更便捷，數據處理也將更多元化。處理好的數據也可以在互聯網中公布，從而讓更多人關注水質問題，保護資源。

參考文獻

[1]Word Health Organization. Guidelines For Drinking-water Quality，third edition.V01.1，2004，Geneva.

[2]謝歡.基于遙感的水質監測與時空分析[D].同濟大學，2006.

[3]張龍.小型移動在線水質監測系統的研究[D].浙江大學，2012.

[4]張維君，王珠忠，索世文.基于PC串口與DS18B20的單線多溫度測量[J].儀表技術與傳感器，2009（4）：52-53.

[5]張崇，余曉琳，劉建平，單片機2.4g無線收發芯片NRF2401及其應用，國外電子元器件，2004（6）：34-36.

[6]馬先才.單向無線數據傳輸系統的設計[J].電子科技，2003，3（21）：39-40.

[7]華中科技大學電子技術課程組編.電子技術基礎 模擬部分[M].北京.高等教育出版社，2006.1.