一種城鎮(zhèn)飲用水水質(zhì)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

淮陰工學(xué)院 顧宇 柯永斌

本文擬設(shè)計(jì)一款便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀。它可以測(cè)量水的溫度、PH值、濁度、電導(dǎo)率等，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)水質(zhì)檢測(cè)的需求，并可以有選擇性地通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)。

飲用水；檢測(cè)儀；水質(zhì)；單片機(jī)

一種城鎮(zhèn)飲用水水質(zhì)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

淮陰工學(xué)院 顧宇 柯永斌

1 檢測(cè)儀基本原理

設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀主要測(cè)量飲用水三個(gè)最基本參數(shù)，即電導(dǎo)率、濁度和PH值。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度補(bǔ)償模塊

電阻式溫度傳感器的溫度值與電阻值呈線性關(guān)系，如果溫度發(fā)生變化，那么它的電阻也會(huì)發(fā)生變化。PT100是正電阻系數(shù)溫度傳感器的一種，它采用基準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器，其電阻和溫度之間的關(guān)系如下：

式中R為實(shí)際電阻值，為0℃標(biāo)準(zhǔn)電阻值，α為正電阻系數(shù)，T為絕對(duì)溫度。具體溫度補(bǔ)償模塊見圖1：

圖1 溫度補(bǔ)償模塊

2.2 PH值測(cè)量模塊

根據(jù)能斯特方程，PH復(fù)合電極的輸出電壓和水體的氫離子濃度、溫度滿足以下關(guān)系：

上式中R為單原子分子(每個(gè)分動(dòng)量的)理想氣體摩爾熱容，R=8.314J/（mol*K）；F為法拉第常數(shù)(氧化型物質(zhì)或還原型物質(zhì)的濃度)；n為電極反應(yīng)中得到和失去的電子數(shù)（對(duì)于氫離子n=1）；T為被測(cè)水體的絕對(duì)溫度T=273.15+t。將與被測(cè)水體接觸的玻璃電極與精度很高的已知參比電極組成原電池，測(cè)量參比電極與玻璃電極的電位差，即測(cè)量復(fù)合電極的輸出電動(dòng)勢(shì)，就可以依據(jù)能斯特方程計(jì)算出實(shí)際的PH值。

2.3 電導(dǎo)率測(cè)量模塊

水體中電解質(zhì)的屬性和溫度密切相關(guān)，因?yàn)楫?dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，它的電離度、溶解度會(huì)發(fā)生變化，所以水體的電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生變化。將相互平行且距離為L(zhǎng)的極板放在被測(cè)水體中，在電極板的兩端加上一定的電，通過測(cè)量極板兩端之間通過的電流即可算出極板兩端的電阻，又已知電極的電極常數(shù)，所以水體的電導(dǎo)率就等于電導(dǎo)與電極常數(shù)的乘積，單位為us/cm，公式如（3）和（4）所示：

式中K為水體的電導(dǎo)率，J為電導(dǎo)率傳感器的電極常數(shù)，G為水體的電導(dǎo)(電阻的倒數(shù))。

圖2 電導(dǎo)率測(cè)量原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面，其初始化流程如圖3所示：

圖3 人機(jī)交互界面初始化流程

3.1 主次菜單的設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)系統(tǒng)主菜單時(shí)，可以把任務(wù)按照主次關(guān)系排列，不僅能夠輕易地讓一般用戶熟練掌握，對(duì)專業(yè)性用戶也有很大的吸引力，因此，這種交互方式能大大減輕用戶的搜索負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)初始化時(shí)，會(huì)在液晶上顯示一級(jí)菜單(根目錄)，并會(huì)為顯示二級(jí)菜單做好隨時(shí)顯示的準(zhǔn)備。

3.2 按鍵程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按鍵底層驅(qū)動(dòng)流程圖如圖4所示。為了讓使用者有良好的按鍵體驗(yàn)，不存在卡頓、延遲、反應(yīng)不靈敏的現(xiàn)象，本系統(tǒng)解決了因?yàn)樽枞舆t連續(xù)占用CPU，其他任務(wù)不能及時(shí)地得到執(zhí)行而導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓的問題。

圖4 按鍵底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3 傳感器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)有4個(gè)部分，分別為溫度、濁度、PH、電導(dǎo)率。為確保STM32能夠正常讀取溫度、濁度、PH以及電導(dǎo)率傳感器的電信號(hào)，首先應(yīng)配置系統(tǒng)時(shí)鐘，待系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定后，程序開始初始化ADC，I2C，等待讀取傳感器數(shù)據(jù)。傳感器系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 傳感器工作流程圖

本模塊采用中位值濾波法，利用冒泡排序法將連續(xù)N個(gè)采樣值進(jìn)行排序，最后取中間值作為本次有效值。

3.4 系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)入在線測(cè)量模式后，上位機(jī)會(huì)不斷地請(qǐng)求下位機(jī)的數(shù)據(jù)包，下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)包具有特殊的數(shù)據(jù)格式，上位機(jī)則依據(jù)此格式判斷接收到的是否是期望接收的數(shù)據(jù)，每一幀數(shù)據(jù)都有其特有的校驗(yàn)和用來判斷數(shù)據(jù)的完整性。下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式為：

幀頭+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+溫度+PH+濁度+電導(dǎo)率+幀尾

假設(shè)當(dāng)前溫度為25℃，PH為7.0，濁度為1%，電導(dǎo)率為1000us/cm，那么這一幀數(shù)據(jù)就為：

‘#’+4+25+7.0+1+1000+“AA”

上位機(jī)運(yùn)行時(shí)單擊連接設(shè)備按鈕，發(fā)送“#connectAA”到下位機(jī)，下位機(jī)收到連接請(qǐng)求后，回復(fù)“#OKAA”建立通信。如果上位機(jī)有很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)收不到回復(fù)的“#OKAA”，則彈出設(shè)備連接失敗提示框，相反則彈出設(shè)備連接成功的提示框。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)中各個(gè)傳感器模塊都調(diào)試完成后，將各個(gè)傳感器放入水中(不可完全放入)，連接下位機(jī)和上位機(jī)的RS232串口線，在上位機(jī)中填上測(cè)量地點(diǎn)，給整個(gè)系統(tǒng)上電，上位機(jī)連接到設(shè)備。選擇在線測(cè)量，可以看到下位機(jī)一直顯示“正在測(cè)量，請(qǐng)勿斷開”的字樣，上位機(jī)顯示出水質(zhì)測(cè)量參數(shù)的信息。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。最后介紹了系統(tǒng)調(diào)試過程。

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[3]焦金玲.飲用水水質(zhì)檢測(cè)若干問題分析[J].化工管理,2015(12):204.

顧宇，男，1993年出生，江蘇省南京市人，本科，研究方向：電子信息工程。

項(xiàng)目名稱：聚醚后處理中關(guān)鍵參數(shù)控制及工藝流程優(yōu)化。

項(xiàng)目號(hào)：BY2016061-02。