鄒煜　王紫葳　孫靜　申向華　吳兆東

摘要：水污染已成為我國環(huán)境污染的主要問題。我國水污染的管理迫在眉睫，水質監(jiān)測已成為一個熱門話題。因而，開發(fā)具有使用便捷的水質監(jiān)測儀具有重要的意義。選用太陽能和無線傳輸技術開發(fā)了一種依據(jù)GPRS的太陽能無線pH值監(jiān)測儀。主要用于水環(huán)境中pH值的監(jiān)測，完成對環(huán)境水質中的多點無線收集與監(jiān)測。該儀器具有便攜、無線傳輸、監(jiān)測精度高、監(jiān)測速度快、功耗低一級長處。本設計選用pH復合電極測定水樣的pH值。經(jīng)過對傳感器測試數(shù)據(jù)的剖析，選用溫度主動補償算法完成pH值的軟件補償。經(jīng)過GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)和指令，實時收集pH值，記載收集時間。收集點、pH值、收集時間被記載并存儲在控制終端。

關鍵詞：太陽能;水質檢測儀;便利性

一、太陽能水質監(jiān)測儀的研發(fā)目的

目前的水質檢測設備，在儀器主控器上，主要有PLC 、單片機、微電腦這幾大類，其中，PLC具有較高的穩(wěn)定性，但是它處理數(shù)據(jù)的能力較弱，并且成本較高：單片機雖然成本較低，但是它的功能有限，在智能化上有明顯的局限性：微電腦相比于PLC和單片機而言，易于開發(fā)，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足當前水質檢測儀器需求。

水質實時監(jiān)測模塊由本團隊基于水質相關參數(shù)檢測傳感器，自主設計搭建單片機電路及軟件平臺，通過高效、便捷、低成本的解決方案，實現(xiàn)了實時采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)pH值、溶氧量等重要指標的數(shù)據(jù)及顯示預警的功能，便于用戶隨時掌握水質信息，及時做出處理措施。

二、方法原理

本設計中將選取IAP15W4K58S4單片機作為主控制核心。

IAP15W4K58S4屬于STC15 系列單片機，是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有4KB可編程FLASH存儲器，可為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供有效的解決方案。 IAP15W4K58S4內(nèi)置8路10 bit的高速逐次比較型A/D轉換器，轉換速度高，功耗低，可為水質監(jiān)測pH值、溶解氧量等模擬量數(shù)據(jù)的采集和處理提供便捷，減少電路的復雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

針對太陽能便攜式快速水質檢測儀體積小、帶著便利的特征，對試劑制作和操作辦法進行了改善。所用試劑及輔佐玻璃儀器體積小，運用便利。因而，運用10ml比色管和載小試劑的試劑，便于現(xiàn)場操作。其特征如下：

（1）從所用的玻璃儀器來看，國標法選用的25毫升比色管較大，不適合現(xiàn)場使用。太陽能便攜式快速水質探測器，10毫升比色管，帶著便利。

（2）試劑的用量和運用的辦法，由國家標準辦法的試劑增加量大，運用的試劑便攜式快速水質檢測器小于1 / 2的試劑運用的國家標準辦法，大大減少了操作的復雜性和節(jié)省查驗時間。

（3）過濾辦法方面，國家標準選用慢速定量濾紙進行過濾，時間長，不利于現(xiàn)場測量。便攜式快速水質檢測儀選用微孔膜過濾法，大大節(jié)省時間。

在原國家標準法鹽酸萘乙二胺分光光度法（gbt7493-1987） 3.31的基礎上，改善了便攜式快速水質檢測法。原理相同：亞硝酸鹽與磺胺在酸性介質中反響，產(chǎn)品與鹽酸萘乙二胺偶聯(lián)，構成赤色偶氮染料，用分光光度法測定。測定過程中硫化氫量大，參加磺胺后可以用氮氣去除。

三、軟件與硬件部分

（一）硬件部分

整個體系依照模塊化思想進行規(guī)劃，主要分為電源模塊、單片機最小體系、pH電極信號調(diào)度和pH值搜集部分、GPRS模塊，電源模塊：本著安全便于使用和攜帶的設計原則，選用低壓鋰電池進行供電，體系內(nèi)部選用3.3v直流低壓供電，選用先進的低壓精細穩(wěn)壓芯片lm1117-3.3完結電源模塊體系。該穩(wěn)壓芯片電源模塊具有0.04%的電源線路調(diào)整率和0.2的超大負荷電源線路調(diào)整率。

該方案選用單片機的最小體系：stm8l152 .Stm8l152是一個8位超低功耗單片機。作業(yè)電壓為1.65 ～ 3.6V低壓。HA FO結構，三級管道。它有五種低功率方法，低功率作業(yè)方法，功耗值小于6UA，低功率等候方法，功耗值小于5UA，自動關機方法和關機方法等。它可以從間斷方法切換到作業(yè)方法，僅運用4.7us。

LCD模塊和模數(shù)轉化模塊：因為STM8L152單片機具有段LCD驅動程序，所以它可以驅動特定的8段LCD屏幕。為了前進轉化精度和功率，挑選自校準16位模仿數(shù)字轉化器ads100 .它選用差分輸入、可編程增益放大器和可編程數(shù)據(jù)轉化速率。它具有較高的轉化精度和高功率的轉化速度。作業(yè)電壓3.3V，作業(yè)電流僅90UA，滿足低功耗要求。

GPSR模塊：選用SIM900A模塊，體積小，供電電壓3.2 ～ 4.8V，能滿足體系需求。運用SIM卡進行信息傳輸，休眠方法功耗1MA。同時，它可以傳輸數(shù)據(jù)給客戶端，發(fā)送指令給模塊。完結了體系的無線傳輸功用。

PH信號調(diào)度和PH值收集電路：選用電位法測量PH值，測量電極電位和溶液溫度。可是電極的內(nèi)阻很大，需要匹配一個高阻抗的放大器。

PH復合電極選用杭州米斗公司所生產(chǎn)的。復合電極將PH與溫度2和溫度1結合，大大方便了PH測量的規(guī)劃。復合電極的PH規(guī)劃為0 ～ 14ph，溫度規(guī)劃為0 ～ 100℃，內(nèi)阻小于等于250毫秒.規(guī)劃了一個高阻抗放大器來匹配復合電極。經(jīng)過數(shù)字模擬轉化聯(lián)接，將電位值轉化成數(shù)字信號傳輸給單片機，然后對程序進行優(yōu)化。

（二）軟件部分

1、電位法PH計的原理

（1）PH值公式的推導

為了測量溶液的PH值，即測量溶液中H⁺的濃度，需求一個指示電極來反映溶液中H ⁺濃度的改動。該復合該電極由參看電極和丈量電極組成。參比電極由銀絲在氯化銀溶液中組成，丈量電極由能激活PH值的玻璃探針組成。在丈量過程中，兩個電極在被測溶液中構成一個原電池。丈量電極的電位會跟著溶液中H ⁺濃度的改動而改動，而參比電極的電位則堅持不變，不受待測溶液的影響。這樣，兩個電極構成的電動勢會隨著溶液中離子濃度的改動而改動。通過測量電位能夠得到待測溶液的離子濃度，然后通過算法計算出溶液的PH值。

2、程序設計

儀器的測控軟件選用模塊化結構設計，整體架構盤繞主要測試功用結束，主要分為四個部分

（1）硬件初始化擔任MCU、LCD屏、GPRS模塊的初始化;

（2）丈量模塊作為復合電極的數(shù)據(jù)搜集模塊，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絾纹瑱C;

（3）閃現(xiàn)和無線傳輸，擔任實時pH值的LCD閃現(xiàn)和實時丈量pH值的傳輸。

四、水質檢測儀便利性

（一）便攜

能否完成電池供電，及時監(jiān)控，并上傳至監(jiān)控中心 。

（二）無線傳輸

選用GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以將監(jiān)控作用及時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

（三）監(jiān)測精度高

傳統(tǒng)的試紙檢測辦法的最高準確度為0.1，儀器的監(jiān)測準確度在0.02范圍內(nèi)。

（四）快速監(jiān)測

選用軟件對過失算法進行優(yōu)化，提高了監(jiān)控速度。監(jiān)控時間1分鐘以內(nèi)。

（五）功耗低

選用低功耗單片機規(guī)劃，兩分鐘不作業(yè)時體系進入睡覺情況。作業(yè)電流控制在10mA以內(nèi)。該體系由4節(jié)一般干電池（200毫安時）供電。假如每天運用一次，能夠運用半年以上。該PH監(jiān)測儀便利監(jiān)測各種液體的PH值，可用于印染作業(yè)、電力設備作業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、水處理作業(yè)、水質監(jiān)測等場合。

結語

太陽能水質自動監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小、投入少、功能強、維護量小，適用于各水域水體的長期連續(xù)在線監(jiān)測，同時節(jié)省了征地、建站房等費用，可隨時隨地獲得真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其是對水域中心區(qū)域監(jiān)測，并能自動對水質數(shù)據(jù)進行分析評價。同時克服了野外的不利條件，使水質自動監(jiān)測擺脫了對市電和站房的依賴，順利地完成了對水質參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，適合在全國推廣使用。

參考文獻

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