太陽能凈水檢測裝置

韓劉遠志　傅旭東　王標　羅廣林

摘? 要：針對我國對野外低成本便攜凈水檢測裝置擁有較少研究的情況下，文章設計出一種基于太陽能供電的凈水檢測裝置。該裝置利用雙陶瓷濾芯進行物理過濾，紫外線殺菌消毒，可實現人類在野外環境下獲得純凈飲用水，檢測PH值、重金屬含量等多項指標的功能。該裝置適用野外作業、災害救援等多種環境，并且可利用太陽能供電，符合當前節能環保需求，擁有良好的經濟效益與發展前景。

關鍵詞：STM32F103ZET6單片機;凈水檢測;太陽能;紫外線殺菌

中圖分類號：TM615? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）14-0036-02

Abstract： In view of the situation that little research has been conducted on field low-cost portable water purification detecting device in China， this paper designed a solarpower water purification detection device using double ceramic filter for physical filtration， ultraviolet radiation sterilization， which can realize the function of obtaining pure drinking water in the field environment and detecting PH value， heavy metal content and so on. The device is suitable for field operation， disaster rescue and other environments， and can be powered by solar energy， which meets the current needs of energy saving and environmental protection， and has good economic benefits and development prospects.

Keywords： STM32F103ZET6 single chip microcomputer; water purification detection; solar energy; ultraviolet sterilization

假設災害發生，供水系統面臨癱瘓，自然水資源無法及時凈化，此時一臺可凈水、過濾、檢測的水源處理設備就顯得十分重要。本裝置具有利用太陽能循環供電，對自然界淡水過濾消毒殺菌，并實時檢測顯示水質質量等功能，在災害救援、單兵作戰、探險等具有十分重大的意義。

1 研究內容

（1）實現檢測水源相關的數據功能，包括PH、渾濁度、有毒害物質等參數。（2）實現紫外線照射殺菌功能，達到國家飲用標準。（3）實現采用太陽能低功耗供電。

2 系統方案設計

2.1 系統總體方案設計

本設計的總體方案劃分為凈水部分、水質檢測部分和太陽能供電部分三個部分，并由多個具體模塊構成。

系統方案框圖中各個模塊的功能大致如下：（1）單片機控制模塊：采集信息、數據處理協調和驅動系統，控制系統運轉。（2）蓄電池與太陽能板：充當裝置電源供電設備。（3）液晶顯示屏：直觀顯示監測數據。（4）陶瓷濾芯過濾器：采用米格達思凈水過濾器[4]過濾水體。（5）紫外線消毒模塊：進行水體滅菌處理。（6）PH值檢測電路：檢測水體酸堿度。（7）渾濁度檢測：檢測水體渾濁度。（8）重金屬檢測：確定水源重金屬是否超過飲用標準。

2.2 結構設計

2.2.1 紫外線消毒和檢測裝置模型設計

采用消毒和檢測一體化設計與漫涌沉浸式殺菌消毒，安全性較高。

2.2.2 裝置外殼模型設計

使用亞克力板制作而成，箱體底部增加了腳墊與內隔板，增強裝置的穩固性能和實用性。

2.2.3 太陽能電池板安裝設計

供電來源[3]主要來自太陽能電池板[2]和蓄電池，優勢互補，提高裝置續航能力。

2.3 電路設計

（1）單片機最小系統電路設計。使用STM32F103ZET6單片機[1]。（2）采用4.0寸TFT液晶彩屏接口與J-LINK接口電路設計，采用J-LINK下載調試方式，設置上拉電阻，確保控制信號的穩定。（3）系統電源供電電路設計。采用DC插座，在電源接入端設置自熔斷保險絲，防止因外部原因造成的電路毀壞。在LM7805輸入、輸出端加保護二極管，防止電路中返向回流的電流擊壞穩壓管。增加濾波電容，保證電源穩定高效供電。（4）PH值檢測模塊電路設計。PH檢測電路搭配北京雷磁PH檢測探頭。模塊中增加了溫度補償電路，校準溫度帶來的誤差。電路圖如圖1所示。（5）電池板充電控制電路設計。本設計中太陽能電池板的充電由系統閉環控制，二極管這時起導流的作用，從而保護三極管。在電源接入端增加一個傾倒掉電開關，防止電源與充電系統受外部破壞。控制電路如圖2所示。

2.4 軟件設計

（1）各模塊監測程序的設計。先對ADC進行初始化，包括對ADC引腳配置和ADC模式配置，配置完成后啟動測量。（2）紫外線控制模式程序的設計。本設計中紫外線燈管占據主要的功率消耗，因此需合理把控紫外線燈管的開關時間。

3 系統調試與結果驗證

3.1 硬件調試

將電路劃分模塊，分步檢查。

（1）電源板輸出檢查。用萬用表對各焊點檢測，確認沒有線路短路、虛焊情況。（2）主控板的調試。短路測試，穩壓芯片輸出測試，連接PC進行程序下載測試。

3.2 軟件調試

對系統各部分功能的編程測試，以及PH值、渾濁度的標定。

酸度影響模塊電壓。三種標準PH質溶液，與模塊對應輸出電壓及計算結果如下表1。

4 結論

本設計是對太陽能戶外凈水檢測裝置的一個探索。利用太陽能電池板結合蓄電池供電，實現對過濾后的水進行紫外線殺菌消毒，PH值、渾濁度的檢測。檢測部分自動實現消毒、檢測、數據處理，實時顯示檢測結果。裝置的凈水過濾器和檢測裝置可以單獨使用的，實用性較強。太陽能電池板設置在裝置箱體頂面，既可有效接收太陽光照射，又能節省裝置空間。本裝置成本較低，可滿足廣大群體;便攜易帶，滿足野外、戶外等需求。希望本產品的設計有利于國內便攜式太能凈水檢測裝置的探索與研發。

參考文獻：

[1]李青.基于STM32的智能水質監測系統的研究和設計[D].合肥工業大學，2015.

[2]孫瓊，李衛兵，史經倫，等.多功能太陽能探測船[J].電子設計工程，2014（10）：184-187.

[3]張強.水體凈化的太陽能供電與控制系統研究[D].天津科技大學，2010.

[4]張旭東.凈水設備應用“皇明模式”[J].現代家電，2011（25）：19.