一種小型污水水情測(cè)控裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇宏鋒

摘要：工業(yè)水箱中的污水在排放前進(jìn)行液位與PH值檢測(cè)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)一種以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制器的小型污水水情測(cè)控裝置。采用HS-SR04傳感器檢測(cè)污水水箱液位，E-201-C傳感器檢測(cè)污水PH值，測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)由AD7705完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，將水箱液位、PH值和供電電壓送至單片機(jī)處理，由LCD12864顯示。在Visual Basic 6.0平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)管理系統(tǒng)，通過AS13-TTL無線串口通信將下位機(jī)采集的水情信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2；E-201-C傳感器；液位；PH值；AS13-TTL無線串口

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0161-03

十九大報(bào)告明確指出要著力解決突出環(huán)境問題[1]，加快水污染防治，壯大節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，建立市場(chǎng)導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念。工業(yè)污水排放前要對(duì)水箱中污水的PH值、固體懸浮物、油脂等參數(shù)進(jìn)行處理，經(jīng)環(huán)保部門認(rèn)定達(dá)標(biāo)才可排放。文章設(shè)計(jì)一種小型污水水情測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)污水水箱液位、污水PH值的檢測(cè)與參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有低功耗、低成本、響應(yīng)速度快與測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

小型污水水情測(cè)控裝置的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，下位機(jī)選用STC12單片機(jī)作為核心處理器，由PH傳感器電路、液位檢測(cè)電路、信號(hào)跟隨與放大處理電路、LCD12864液晶顯示電路和+5V電池組等部分組成，通過無線串口AS13-TTL模塊與上位機(jī)通信，上位機(jī)對(duì)污水水情實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用HS-SR04超聲波傳感器進(jìn)行液位精密檢測(cè)，型號(hào)為E-201-C的PH傳感器檢測(cè)溶液PH值，將PH信號(hào)由AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送至單片機(jī)處理，AS13-TTL無線通信模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無線傳輸，以獨(dú)立按鍵作為系統(tǒng)啟停與測(cè)量模式選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)水情系統(tǒng)的各項(xiàng)功能檢測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 液位測(cè)量模塊

系統(tǒng)采用宏晶科技的STC12C5A60S2處理器為主控平臺(tái)。STC12C5A60S2單片機(jī)[2]是一款STC增強(qiáng)型51單片機(jī)，有1280字節(jié)SRAM，62K字節(jié)片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，雙串行口，STC12C5A60S2單片機(jī)具有豐富的I/O端口、定時(shí)器和PWM通道資源，非常適合測(cè)控系統(tǒng)。采用HS-SR04超聲波測(cè)距[3]完成液位的高度測(cè)量，該模塊測(cè)量距離范圍是0.02m～4m之間，測(cè)量精度高達(dá)3mm。HS-SR04模塊采用IO觸發(fā)測(cè)距，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間T，測(cè)量液位高度S的計(jì)算公式：S=340*T/2 （1）

2.2 溶液PH值檢測(cè)電路

采用型號(hào)為E-201-C 的PH復(fù)合電極檢測(cè)溶液PH值，由PH玻璃電極與參比電極組合而成的PH傳感器。在玻璃膜與被測(cè)溶液中氫離子進(jìn)行離子交換過程中，通過測(cè)量電極之間的電位差檢測(cè)溶液中的氫離子濃度，測(cè)得液體的PH值。該傳感器模塊的PH值測(cè)量范圍是0～14，溫度范圍是5℃～60℃，工作電壓VCC為+5V，具有抗干擾能力強(qiáng)、使用方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。PH傳感器檢測(cè)電路如圖2所示，PH+、DO與TO分別與AD7705的AN1+、AN2+、AN2-引腳連接。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理

AD7705是一款16位精度串行AD轉(zhuǎn)換器[4]，具有分辨率高、自校準(zhǔn)、抗噪聲性能。PH傳感器采集的信號(hào)通過AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，如圖3所示的信號(hào)處理電路。由TL431B穩(wěn)壓管、電阻和電容器件設(shè)計(jì)了+2.536V基準(zhǔn)參考電壓源，為AD7705轉(zhuǎn)換器通道1測(cè)量電源電壓提供基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓的AD轉(zhuǎn)換值D1，+5V電壓通過電容濾波進(jìn)入精密電位器分壓，電壓衰減一半得到+2.5V電壓，將其送入OP07組成的電壓跟隨器，輸出端送入AD轉(zhuǎn)換器得到電壓轉(zhuǎn)換值D2，實(shí)際測(cè)量電壓U為：U=2.536*D2/D1 （2）

2.4 無線串行通信模塊

無線串行通信模塊是將水情測(cè)控裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)無線傳送到上位機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水情測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。AS13-TTL是一款中心頻率為433Mhz的無線串口通信[5]模塊，支持1200～115200bps多種波特率，實(shí)測(cè)距離達(dá)2.1km，具有TTL電平的串口通信接口，工作電壓為+5V，最大功率為100mW。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

將容積不小于1L的容器裝水后放置于測(cè)試臺(tái)上，啟動(dòng)測(cè)試裝置，位于容器上方的超聲波傳感器以及PH傳感器產(chǎn)生信號(hào)，系統(tǒng)主程序初始化LCD12864，檢測(cè)功能按鍵選擇不同的測(cè)試項(xiàng)目，包括PH值測(cè)試與液位高度測(cè)試，圖4為主程序流程。

4 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

將水情測(cè)控裝置的各模塊電路正確連接后，啟動(dòng)測(cè)試，按如下步驟進(jìn)行測(cè)試。

（1）將塑料容器清空，多次向塑料容器注入若干自來水，超聲波液位傳感器檢測(cè)液位的高度，用表格記錄下數(shù)據(jù)，再用標(biāo)準(zhǔn)鋼尺測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

（2）保持容器里的液位不變，多次向塑料容器注入若干白醋，記錄水情檢測(cè)系統(tǒng)每次測(cè)量的PH值，與標(biāo)準(zhǔn)的PH測(cè)試筆測(cè)試結(jié)果對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

4.2 測(cè)試誤差分析

從表1和表2數(shù)據(jù)表明：①液位的檢測(cè)在38秒內(nèi)完成，測(cè)量偏差在±4mm內(nèi)，PH測(cè)試能夠在63秒內(nèi)穩(wěn)定測(cè)量并且測(cè)得的數(shù)據(jù)偏差不大于±0.1。②液位測(cè)試誤差主要集中在短距離測(cè)試過程，主要原因是水面抖動(dòng)不平整及周圍環(huán)境擾動(dòng)超聲波反射原因。③溶液PH值測(cè)試結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，偏差主要來自實(shí)驗(yàn)過程添加的白醋沒有及時(shí)擴(kuò)散，溶液混合不均勻引起。

5 上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在Visual Basic 6.0平臺(tái)下開發(fā)污水水情上位機(jī)管理系統(tǒng)如圖5所示，通過無線串口AS13-TTL將下位機(jī)采集的水箱液位高度、污水PH值和電源供電壓等數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，此外上位機(jī)系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程控制水情測(cè)控裝置的啟停與測(cè)試模式選擇的功能。

6 結(jié)語

工業(yè)污水倘若不經(jīng)過處理直接超標(biāo)排放，將會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。文章設(shè)計(jì)的小型污水水情測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)液位與PH檢測(cè)，該裝置最大液位測(cè)量高度約4m，測(cè)量誤差在±4mm范圍內(nèi)，PH測(cè)試誤差在±0.1范圍內(nèi)，上位機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水情測(cè)控裝置的遠(yuǎn)程啟停控制、測(cè)試功能選擇與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)低成本、測(cè)量精度高，上位機(jī)系統(tǒng)人機(jī)界面友好。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：The detection of liquid level and pH value of sewage in industrial water tanks before discharge is of great significance to ecological environment protection. This paper designs a small sewage water condition measurement and control device based on STC12C5A60S2 microcontroller. The HS-SR04 sensor is used to detect the liquid level of the sewage tank. The E-201-C sensor detects the PH value of the sewage. The measured voltage signal is converted by the AD7705. The liquid level， PH value and power supply voltage are sent to the MCU for processing，displaying by LCD12864.In the Visual Basic 6.0 platform， the upper computer management system was developed. The water information collected by sensor is transmitted to the management system for real-time monitoring through AS13-TTL wireless serial communication. The test results show that the system has the advantages of fast response and accurate measurement.

Key words：STC12C5A60S2；E-201-C sensor；Tank level；PH value； AS13-TTL wireless serial