摘要: 針對(duì)傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)儀器存在因體積過大使用不便，檢測(cè)參數(shù)單一以及不能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示的問題，設(shè)計(jì)了一款便攜式水質(zhì)在線檢測(cè)儀。設(shè)計(jì)以STC8A8K64S4A12單片機(jī)為控制器，由溫度采集模塊、pH測(cè)量模塊、TDS檢測(cè)模塊等完成水質(zhì)的溫度、pH及TDS參數(shù)的檢測(cè)；通過esp8266無線模塊、手機(jī)App模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)手持式監(jiān)測(cè)功能，結(jié)合C語言程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了一種智能型便攜式的水質(zhì)檢測(cè)儀。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，準(zhǔn)確度較好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

引言

在日常生活中，對(duì)日常普通人來說，這樣的工作是不現(xiàn)實(shí)的。中國(guó)在多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)方面成果較好，可自動(dòng)檢測(cè)pH、溶解氧、水溫、濁度和導(dǎo)電率等5種參數(shù)，但是價(jià)格較高，不適宜在民用生活中使用。[6-7]。為了保證飲用水的水質(zhì)安全，不僅需要在水源處對(duì)水質(zhì)檢測(cè)進(jìn)行把關(guān)，還需要將水質(zhì)檢測(cè)工作落實(shí)到千家萬戶中去，這樣才能真正的保證飲用水的安全。作為民用產(chǎn)品，便攜式及低廉的產(chǎn)品價(jià)格是基本要求，滿足這一要求的水質(zhì)測(cè)試儀應(yīng)具有小型、低成本、便捷和實(shí)用性特點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用內(nèi)嵌式AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)小型便攜式的智能水質(zhì)檢測(cè)器。

1，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以STC8A8K64S4A12單片機(jī)為主控芯片，圍繞單片機(jī)設(shè)計(jì)了電源模塊、溫度采集模塊、pH值采集模塊、TDS采集模塊、WiFi通信模塊、OLED顯示模塊等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1主控制器的選型

擬采用STC8系列的單片機(jī)。由于STC8系列MCU使用了比現(xiàn)有的8051快12倍的超高速8051核心[8-9]。不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，減小體積的同時(shí)，也極大地方便了設(shè)計(jì)。內(nèi)置15通道的12bits高精度ADC，速度最快可達(dá)800K，對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)儀中模擬量輸出的傳感器具有良好的采集能力[10]。所有的GPIO均支持4種模式，分別為高阻輸入、開漏輸出、強(qiáng)推挽輸出和準(zhǔn)雙向口。在數(shù)字信號(hào)采集和處理中有速度和穩(wěn)定性的雙重優(yōu)勢(shì)。故本設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為STC8A8K64S4A12的單片機(jī)作為主控芯片。

1.2pH檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

pH檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示，pH電極測(cè)量后產(chǎn)生的mV信號(hào)通過BNC接口輸出，輸出到pH模塊通過電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波放大，將極小的mV電壓信號(hào)放大為0～5V電壓信號(hào)，放大后的信號(hào)由J2端口輸出到單片機(jī)[11]。

圖2 PH 檢測(cè)電路

其中LM2 660M為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器[12]，可將輸出電壓穩(wěn)定在1.5～5.5V范圍內(nèi)，這是電壓信號(hào)的最佳狀態(tài)。CA3104AMZ運(yùn)算放大器可以將微弱的mV電壓信號(hào)放大，它是結(jié)合了高壓PMOS晶體管和高壓雙極晶體管在單片芯片上優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品，可以給電路提供一個(gè)特別高的輸入阻抗以及特別低的輸入電流，同時(shí)它還有特別高的效率。

輸出信號(hào)的比值關(guān)系為59.16 mV/pH，在25℃時(shí)0V單片機(jī)接收到的pH為7。pH探頭輸出的信號(hào)大小與溫度成比例關(guān)系，液體溫度越高影響越大，R6電阻的作用是溫度補(bǔ)償。從pH=7開始，集成放大器CA3104AMZ將接收到的探頭信號(hào)放大，輸出電壓為正負(fù)100 mV/pH的信號(hào)。然后第2級(jí)反相和偏置運(yùn)放TL081BCDG4的作用是調(diào)整探頭輸出信號(hào)，使信號(hào)在一個(gè)有效的區(qū)間內(nèi)，使輸出信號(hào)能一直與pH成比例關(guān)系。D1是靜電保護(hù)二極管也是通電指示燈，R5的作用是在溫度補(bǔ)償不足時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出大小。pH值檢測(cè)電路由J2端口輸出電壓Vout為：

式中：Vin為pH電極的輸出信號(hào)即BNC端口電壓信號(hào)，VD1為D1的穩(wěn)定電壓均值。

1.3TDS檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用數(shù)字TDS水質(zhì)傳感器，其電路原理圖3所示，內(nèi)部集成高精密放大電路、溫度測(cè)量校準(zhǔn)電路和低壓差線性穩(wěn)壓電路。溫度一直是影響pH值測(cè)量的重要因素，pH的精度和測(cè)量長(zhǎng)期穩(wěn)定性大部分是由溫度決定的，因此本設(shè)計(jì)在AD采集電路中設(shè)計(jì)了預(yù)處理電路，具有低溫漂、高穩(wěn)定性和高精度的特點(diǎn)。

采用的是低偏置電流、低失調(diào)漂移信號(hào)放大器LMV324,LMV324四路低電壓軌至軌輸出運(yùn)算放大器是專門為低壓操作而設(shè)計(jì)的，它有4個(gè)頻道數(shù)，典型偏移量5μV，輸入偏置電流最大值250 000pA，共模抑制比65dB。TPS60400DBVR電荷泵為放大電路提供負(fù)輸入電壓，它可以將1.6～5.5V的輸入電壓直接轉(zhuǎn)置為固定的負(fù)輸出電壓[13]。

由于它可以接受輸入電壓范圍較大，一般只要有5或3.3V的預(yù)置整理電源供電，本文設(shè)計(jì)直接由模塊上的VCC供電。ME6206A30M3G是一種低壓差線性穩(wěn)壓芯片，它具有高精度、低功耗的特點(diǎn)，它能提供具有顯著小電壓降的電流，它將輸入的5V電壓降為3V后線性穩(wěn)定輸出給放大電路。探針的信號(hào)由J1端口流入，信號(hào)放大整理后J2端口輸出到單片機(jī)。

2，系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

主程序部分采用順序結(jié)構(gòu)，程序啟動(dòng)后進(jìn)行初始化，然后通過串口迅速進(jìn)行溫度采集，溫度返回后數(shù)字型數(shù)據(jù)采集模塊pH模塊、TDS模塊開始檢測(cè)，隨后進(jìn)行AD采樣變換為模擬輸入量，并進(jìn)行標(biāo)度變換對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)采集處理結(jié)束后將數(shù)據(jù)顯示到OLED屏幕，然后將數(shù)據(jù)暫存到數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器中，通過ESP8266模塊WiFi信號(hào)發(fā)送至手機(jī)App。主程序流程如圖4所示。

圖3 TDS檢測(cè)電路

圖4系統(tǒng)主流程

2.1延時(shí)子程序設(shè)計(jì)

由于TDS和pH采樣需要溫度補(bǔ)償，之后還要進(jìn)行ADC采樣及標(biāo)度變換，所以在系統(tǒng)采集到溫度之后需要一定的延時(shí)來等待TDS和pH的顯示，因此設(shè)計(jì)了延時(shí)子程序來緩沖等待這一過程。24 MHz主頻下在示波器上看一個(gè)語句的時(shí)間大概是0.8μs，本設(shè)計(jì)首先設(shè)了0.8μs的倍數(shù)4μs，再用函數(shù)將其增加至1ms，最終延時(shí)1s。在系統(tǒng)供電之后直接讀取溫度，延時(shí)1s后讀取ADC采樣數(shù)據(jù)。

2.2OLED顯示程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)使用的是OLED顯示器，與單片機(jī)的接口采用了I2C連接方式，在設(shè)計(jì)程序時(shí)需要根據(jù)連接方式進(jìn)行。在程序開始執(zhí)行之后首先初始化屏幕，然后開始寫入數(shù)據(jù)或命令，數(shù)據(jù)標(biāo)志表示為0，命令的標(biāo)志表示為1。而后開始讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取之后還要設(shè)置以下顯示參數(shù)：頁地址、顯示位置列低和列高地址、起點(diǎn)坐標(biāo)、顯示模式等。顯示完成后關(guān)閉OLED進(jìn)入清屏函數(shù)，清屏完成后屏幕是黑色的，和未通電點(diǎn)亮?xí)r一樣。

2.3無線通信設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)最終的智能化水質(zhì)檢測(cè)，使人們?cè)谑謾C(jī)上能對(duì)日常用水的水質(zhì)實(shí)時(shí)了解，采用無線通信的方式完成手機(jī)App在線監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)采用專用的ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[14-15]，由機(jī)智云平臺(tái)可以提供手機(jī)端App的設(shè)計(jì)。

首先要在機(jī)智云開發(fā)者中心注冊(cè)一個(gè)機(jī)智云的開發(fā)者賬號(hào)，注冊(cè)完成后選擇個(gè)人項(xiàng)目創(chuàng)建一個(gè)新產(chǎn)品，填寫一些基本的信息，產(chǎn)品的名稱是“智能水質(zhì)檢測(cè)儀”，技術(shù)方案為WiFi/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案，保存之后就會(huì)產(chǎn)生項(xiàng)目的基本信息；其次，創(chuàng)建數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，考慮到主要檢測(cè)水質(zhì)的3個(gè)參數(shù)，本設(shè)計(jì)創(chuàng)建了3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)置3個(gè)節(jié)點(diǎn)名稱分別是溫度、pH和TDS；

再次，在手機(jī)上安裝機(jī)智云通用版本的App，安裝完成后登陸個(gè)人賬號(hào)，在機(jī)智云官網(wǎng)下載ESP8266模塊專用固件，專用固件在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建創(chuàng)建完成后即可下載使用，固件下載完成后，使用串口調(diào)試器將WiFi模塊連接到電腦上，使用固件自帶的下載程序刷新固件，并對(duì)機(jī)智云固件進(jìn)行裝載，裝載完成后，WiFi成為基于機(jī)智云手冊(cè)的無線透?jìng)髂K；最后，設(shè)備與App通信時(shí)，需要先連接到機(jī)智云服務(wù)器，等待服務(wù)器傳輸回來的數(shù)據(jù)，當(dāng)產(chǎn)品配置完成后，發(fā)送生成的PK代碼和密鑰，服務(wù)器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)后，系統(tǒng)可以傳輸溫度、pH、TDS等信息來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，上傳完成后接入網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)App即可讀取數(shù)據(jù)。

3，硬件調(diào)試結(jié)果

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的正確性和可行性，搭建硬件調(diào)試平臺(tái)。為了防止硬件損害和測(cè)試的方便性，系統(tǒng)上電調(diào)試時(shí)將DS18B20、pH電極和TDS探針都插入了自來水溶液中，如圖5(a）所示，水質(zhì)溫度、TDS及pH參數(shù)值分別為22.3、99和6.85，從中可知，生活中的自來水溫度、TDS及pH值參數(shù)在人們健康范圍內(nèi)，是達(dá)標(biāo)的；當(dāng)改變水質(zhì)pH值，再次測(cè)量，結(jié)果如圖5(b）所示，水質(zhì)參數(shù)分別為22.2、102及8.95，由于無預(yù)熱及制冷，水溫基本沒有發(fā)生變化，但是水質(zhì)的pH值明顯發(fā)生了改變，從而引起了水質(zhì)TDS的變化。

由顯示結(jié)果可知，該系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確；最后，為了實(shí)現(xiàn)可手持監(jiān)測(cè)，通過WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)端App同步顯示，即在手機(jī)接入系統(tǒng)WiFi之后打開手機(jī)App，通信結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過實(shí)際的操作驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)與手機(jī)App同步顯示測(cè)量結(jié)果，與市場(chǎng)現(xiàn)有水質(zhì)測(cè)試儀相比，該測(cè)試儀體積小、操作簡(jiǎn)單、成本低，且迎合當(dāng)前用戶潮流需求，將測(cè)試結(jié)果由手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，實(shí)現(xiàn)了線下線上同時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足用戶對(duì)智能型水質(zhì)檢測(cè)儀的需求。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試

圖6手機(jī)app

4，結(jié)論

本文闡述了一種便攜式智能水質(zhì)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)。介紹了pH檢測(cè)電路、TDS檢測(cè)電路等主要硬件的結(jié)構(gòu)、工作原理，及軟件程序設(shè)計(jì)中的核心子程序，最后通過硬件平臺(tái)的測(cè)試，驗(yàn)證了該檢測(cè)儀具有體積小、成本低、可攜帶、實(shí)時(shí)顯示等多種功能，從實(shí)時(shí)應(yīng)用角度出發(fā)，方便了人們對(duì)水質(zhì)狀況的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)需求，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。