王佳楠, 陳琳琳, 孫旭冉, 宋婉欣, 馬曉君

(佳木斯大學 機械工程學院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

科技水平的提高及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,化肥的廣泛使用,化工原料處理后的排放等,使得含氮磷的營養(yǎng)物質(zhì)含量過高,這些都是導致經(jīng)由土壤后水體富營養(yǎng)化的原因。富營養(yǎng)化的水體溶解氧含量低,渾濁,嚴重時水體發(fā)臭,常發(fā)生突發(fā)性魚類死亡,水體失去供養(yǎng)殖,飲用及娛樂的價值。針對于農(nóng)業(yè)問題中的水體富營養(yǎng)化,多數(shù)經(jīng)由土壤的含過量氮磷的化肥無法有效的得到控制,進而污染到水源,久而久之,形成了水體富營養(yǎng)化。欲實施的項目為排放水時或流經(jīng)臨近農(nóng)田的水源提供一個可進行對含氮磷水體過濾的裝置,實現(xiàn)對水的凈化。

其主要意義有:

(1)對富營養(yǎng)化的河流湖水進行清潔和修復,是社會的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的建設需要并且具有經(jīng)濟和環(huán)境的效益。

(2)提高富營養(yǎng)化河流和湖水道體的處理效果大大減短了治理周期、有效降低成本處理。

(3)改善水體環(huán)境,緩解水資源缺少問題。

(4)改善人們居住的環(huán)境,提高了人們的生活質(zhì)量。

所以,水質(zhì)加強監(jiān)測更是尤為重要的,且不管是工業(yè)用水還是飲用水都是需要一樣的高標準、嚴要求,所以對工業(yè)用水的水質(zhì)監(jiān)測也是能保證在該行業(yè)中能夠安全穩(wěn)定生產(chǎn)的必要條件,對工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。

1 課題背景

(1)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

我國目前也有了許多措施:

物理方法

物理方法是挖掘湖泊河流底泥沉積物、解決水體的深層曝氣、注入的水會稀釋以及底泥表面鋪設的塑料[1]。深層曝氣可定期或者不定期的采取湖底的深層曝氣而補充氧氣,使水和底泥之間可以不再出現(xiàn)厭氧層和其他情況,并且經(jīng)常保持著有氧的狀態(tài),有利于抑制底泥磷釋放。

化學方法

這是一類包括凝聚沉降和用化學藥劑殺藻的方法,例有許多種的陽離子可以使磷有效地從水溶液中沉淀,其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣,它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物而沉降[2]。

(2)土壤水體富營養(yǎng)化過濾器的應用

農(nóng)村自然環(huán)境保護的不足,工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染物的亂排亂放亂丟,導致地上和地下的河流遭受不同程度污染,所以用來農(nóng)業(yè)灌溉的水質(zhì)量普遍的不太好[3]。

(3)主要研究內(nèi)容

1)單片機STM32應用各傳感器的編程

2)研究p H值傳感器模塊與上位機的鏈接

3)研究濁度傳感器模塊的內(nèi)部原理圖以及方法

4)通過程序測試,使各個傳感器在STM32單片機上進行同時運行,將各部分程序進行編程框架整理

5)研究OLED液晶屏IIC使用方法,研究編字程序的方法,以及與STM32單片機的鏈接,使各個傳感器的信號通過放大器可以將數(shù)據(jù)在OLED液晶屏IIC顯示出來[4]。

2 設計方案

土壤水體富營養(yǎng)化過濾器系統(tǒng)是由STM32單片機作為主控制芯片,本章節(jié)要對該系統(tǒng)在市場上的需求進行分析,并且對功能做出簡單規(guī)劃,對所需要功能來進行技術層面的分析,做出整個系統(tǒng)的整體框架,設計出整個系統(tǒng)的設計流程,根據(jù)上述要求來進行系統(tǒng)設計。

(1)整體方案設計

對于整體的土壤水體富營養(yǎng)化過濾器系統(tǒng),將分成三部分完成,首先第一部分是各傳感器的采集信息功能,通過傳感器所采集的信息來進行下一部分的設計,上位機的頁面設計,將各個傳感器所采集的信息通過柱形圖或者餅圖顯示出來,設計閾值報警系統(tǒng),接下來進行上位機的后臺程序設計;第三部分是將上位機與下位機硬件連接,利用keil軟件進行單片機程序設計,將整體程序寫入STM32單片機中。

整體系統(tǒng)設計的流程如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)設計流程

(2)相關技術分析

1)雙路模數(shù)轉換電壓兼容技術

在電子產(chǎn)品、DIY設計開發(fā)過程中會經(jīng)常用到A/D轉換(模數(shù)轉換)功能,也經(jīng)常會遇傳感器輸出信號電平與控制系統(tǒng)A/D轉換電平信號不匹配的問題。例如,有些傳感器輸出信號范圍在0～5V區(qū)間,而STM32系列單片機A/D轉換的參考電壓是3.3V,這時候就會出現(xiàn)電平信號兼容轉換的問題。為此設計選用了如下圖2所示的一款雙路模數(shù)轉換電壓兼容模塊[5]。

圖2 雙路模數(shù)轉換電壓兼容模塊

絕對值電路模塊的組成如圖2所示,這款雙路模數(shù)轉換電壓兼容模塊可實現(xiàn)0～5V的電壓信號線性等比例轉換為0～3.3V的電壓信號。該模塊采用高精度軌對軌精密運算放大器,可實現(xiàn)前后級電路阻抗匹配,精準實現(xiàn)電平信號轉換。該模塊即插即用,支持兩路電壓轉換,將待測電路接入模塊輸出端,即可在對應的輸出端獲得0～3.3V區(qū)間內(nèi)電壓,可直接接入單片機系統(tǒng)進行采集,為系統(tǒng)開發(fā)帶來極大便利[6]。

該模塊的特點:

(1)雙路電平信號轉換;

(2)轉換精度高,可實現(xiàn)前后級電路阻抗匹配;

2)LED顯示屏字模取字技術

在LED顯示屏上顯示漢字是一項需要研究的技術,設計使用PCto LCD 2002字模軟件在OLED取字模,便于將漢字打印在OLED顯示屏上[7]。

漢字的取法這里以取一個14*16(寬*高)的點陣“北”字的設置為例說明。

(1)點開①的設置按鈕,彈開圖3中設置界面;

圖3 PCto LCD 2002字模軟件漢字取字

(2)按照框中的設置,設置好就可以了;

(3)取模方式要選擇“列行式”,原因已經(jīng)在上面說明了;

(4)圖3中標出③的部分的設置,為什么選擇14,這個跟軟件有關。

利用該字模軟件,在設計中,需將顯示“歡迎使用土壤水體富營養(yǎng)化過濾器”,以及在傳感器收集信息時,將p H值、濁度(NTU)、水溫(TEMP)顯示在OLED顯示屏上。

3 系統(tǒng)硬件設計

(1)STM32單片機的選用

系統(tǒng)選用STM32F103C8T6芯片作為大腦,對整個土壤水體富營養(yǎng)化過濾器系統(tǒng)進行控制。STM32F103C8T6包括兩個12位的數(shù)模轉換模塊、三個通用16位定時器和一個可調(diào)節(jié)定時器,標準、高級通信接口[8]。

(2)傳感器的選用

1)p H值傳感器的選用

p H傳感器模塊組成如圖4所示。該模塊通過BNC接頭和p H復合電極進行連接,擴展DS18B20溫度傳感器的接口,進行軟件溫度補償?shù)脑O計。調(diào)節(jié)10K藍色電位器旋鈕可以放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)(順時針調(diào)節(jié)增大、逆時針調(diào)節(jié)減小)。

圖4 p H傳感器模塊

模塊引腳定義如下表1所示。

表1 p H傳感器模塊引腳定義

5 2V5基準電壓2.5V輸出口測試使用,不接外部電源6 T1溫度傳感器DS18B20信號輸出口可通過軟件進行溫度補償

該模塊的工作電壓在5.00V直流電下,模塊結構小巧,尺寸僅有37mm*28mm,工作在0～60℃環(huán)境下,可以測量強酸和強堿,誤差極小,在常溫狀態(tài)下工作(25℃),不超過±0.01p H,需要一定的響應時間來進行p H值的測量,與配套電極用BNC接口連接[9]。該傳感器模塊在設計中與其配套的選用上海雷磁E-201-C型復合電極。

2)濁度傳感器的選用

水質(zhì)濁度的信息采集是通過檢測水中的懸浮物質(zhì)來檢測渾濁度的。本設計選用一款價格便宜,且濁度精度高的濁度傳感器,這種傳感器一般用于家用洗衣機或者家用水質(zhì)監(jiān)測設備上[10]。

圖5 濁度傳感器模塊

4 結果與分析

通過研究設計,對的土壤水體富營養(yǎng)化過濾器設備發(fā)展研究是十分必要的,在濁度檢測方面,人的肉眼是無法觀測到水體中的懸浮物的,利用該項技術就可以保證水質(zhì)質(zhì)量的安全性,對人體健康更是得到極大的保障。土壤水體富營養(yǎng)化過濾器設備的研究,是為了一直延續(xù)可持續(xù)發(fā)展的理念。

在本研究設計的工作中,得到以下結論:

(1)完成了各種傳感器的選型?？紤]到設計中各個傳感器的使用環(huán)境,不僅要考慮到傳感器探頭的長時間作業(yè)會導致液體浸入,還考慮到各個傳感器集成模塊在潮濕環(huán)境中作業(yè)要保證測量的精準度以及實時性的原則。

(2)完成的上位機的程序設計。接觸Labview軟件進行上位機設計,因為水質(zhì)監(jiān)測所采集得到的信息要得到及時的處理、收集、對照,為了驗證Labview程序的實用性,進行了聯(lián)調(diào),最后得到實驗數(shù)據(jù)表明上位機和硬件系統(tǒng)可以良好運行,符合設計的預期。

在設計土壤水體富營養(yǎng)化過濾器還有很多需要的改進和完善的地方,需要解決的問題包括傳感器的互相影響問題,以及更多水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)的采集,以及針對不同水質(zhì)問題給出改善的建議等,為了達到水質(zhì)的更高標準,未來研究的土壤水體富營養(yǎng)化過濾器設備可以更加嚴謹完善。