論太陽(yáng)能水質(zhì)檢測(cè)儀的便利性

鄒煜　王紫葳　孫靜　申向華　吳兆東

摘要：水污染已成為我國(guó)環(huán)境污染的主要問題。我國(guó)水污染的管理迫在眉睫，水質(zhì)監(jiān)測(cè)已成為一個(gè)熱門話題。因而，開發(fā)具有使用便捷的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀具有重要的意義。選用太陽(yáng)能和無(wú)線傳輸技術(shù)開發(fā)了一種依據(jù)GPRS的太陽(yáng)能無(wú)線pH值監(jiān)測(cè)儀。主要用于水環(huán)境中pH值的監(jiān)測(cè)，完成對(duì)環(huán)境水質(zhì)中的多點(diǎn)無(wú)線收集與監(jiān)測(cè)。該儀器具有便攜、無(wú)線傳輸、監(jiān)測(cè)精度高、監(jiān)測(cè)速度快、功耗低一級(jí)長(zhǎng)處。本設(shè)計(jì)選用pH復(fù)合電極測(cè)定水樣的pH值。經(jīng)過(guò)對(duì)傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)的剖析，選用溫度主動(dòng)補(bǔ)償算法完成pH值的軟件補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)GPRS無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)和指令，實(shí)時(shí)收集pH值，記載收集時(shí)間。收集點(diǎn)、pH值、收集時(shí)間被記載并存儲(chǔ)在控制終端。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;水質(zhì)檢測(cè)儀;便利性

一、太陽(yáng)能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的研發(fā)目的

目前的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，在儀器主控器上，主要有PLC 、單片機(jī)、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：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(jī)而言，易于開發(fā)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足當(dāng)前水質(zhì)檢測(cè)儀器需求。

水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊由本團(tuán)隊(duì)基于水質(zhì)相關(guān)參數(shù)檢測(cè)傳感器，自主設(shè)計(jì)搭建單片機(jī)電路及軟件平臺(tái)，通過(guò)高效、便捷、低成本的解決方案，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)pH值、溶氧量等重要指標(biāo)的數(shù)據(jù)及顯示預(yù)警的功能，便于用戶隨時(shí)掌握水質(zhì)信息，及時(shí)做出處理措施。

二、方法原理

本設(shè)計(jì)中將選取IAP15W4K58S4單片機(jī)作為主控制核心。

IAP15W4K58S4屬于STC15 系列單片機(jī)，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(chǔ)器，可為眾多嵌入式控制應(yīng)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(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度高，功耗低，可為水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

針對(duì)太陽(yáng)能便攜式快速水質(zhì)檢測(cè)儀體積小、帶著便利的特征，對(duì)試劑制作和操作辦法進(jìn)行了改善。所用試劑及輔佐玻璃儀器體積小，運(yùn)用便利。因而，運(yùn)用10ml比色管和載小試劑的試劑，便于現(xiàn)場(chǎng)操作。其特征如下：

（1）從所用的玻璃儀器來(lái)看，國(guó)標(biāo)法選用的25毫升比色管較大，不適合現(xiàn)場(chǎng)使用。太陽(yáng)能便攜式快速水質(zhì)探測(cè)器，10毫升比色管，帶著便利。

（2）試劑的用量和運(yùn)用的辦法，由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)辦法的試劑增加量大，運(yùn)用的試劑便攜式快速水質(zhì)檢測(cè)器小于1 / 2的試劑運(yùn)用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)辦法，大大減少了操作的復(fù)雜性和節(jié)省查驗(yàn)時(shí)間。

（3）過(guò)濾辦法方面，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選用慢速定量濾紙進(jìn)行過(guò)濾，時(shí)間長(zhǎng)，不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。便攜式快速水質(zhì)檢測(cè)儀選用微孔膜過(guò)濾法，大大節(jié)省時(shí)間。

在原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法鹽酸萘乙二胺分光光度法（gbt7493-1987） 3.31的基礎(chǔ)上，改善了便攜式快速水質(zhì)檢測(cè)法。原理相同：亞硝酸鹽與磺胺在酸性介質(zhì)中反響，產(chǎn)品與鹽酸萘乙二胺偶聯(lián)，構(gòu)成赤色偶氮染料，用分光光度法測(cè)定。測(cè)定過(guò)程中硫化氫量大，參加磺胺后可以用氮?dú)馊コ?/p>

三、軟件與硬件部分

（一）硬件部分

整個(gè)體系依照模塊化思想進(jìn)行規(guī)劃，主要分為電源模塊、單片機(jī)最小體系、pH電極信號(hào)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(shè)計(jì)原則，選用低壓鋰電池進(jìn)行供電，體系內(nèi)部選用3.3v直流低壓供電，選用先進(jìn)的低壓精細(xì)穩(wěn)壓芯片lm1117-3.3完結(jié)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(fù)荷電源線路調(diào)整率。

該方案選用單片機(jī)的最小體系：stm8l152 .Stm8l152是一個(gè)8位超低功耗單片機(jī)。作業(yè)電壓為1.65 ～ 3.6V低壓。HA FO結(jié)構(gòu)，三級(jí)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(dòng)關(guān)機(jī)方法和關(guān)機(jī)方法等。它可以從間斷方法切換到作業(yè)方法，僅運(yùn)用4.7us。

LCD模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊：因?yàn)镾TM8L152單片機(jī)具有段LCD驅(qū)動(dòng)程序，所以它可以驅(qū)動(dòng)特定的8段LCD屏幕。為了前進(jìn)轉(zhuǎn)化精度和功率，挑選自校準(zhǔn)16位模仿數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化速率。它具有較高的轉(zhuǎn)化精度和高功率的轉(zhuǎn)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(yùn)用SIM卡進(jìn)行信息傳輸，休眠方法功耗1MA。同時(shí)，它可以傳輸數(shù)據(jù)給客戶端，發(fā)送指令給模塊。完結(jié)了體系的無(wú)線傳輸功用。

PH信號(hào)調(diào)度和PH值收集電路：選用電位法測(cè)量PH值，測(cè)量電極電位和溶液溫度?？墒请姌O的內(nèi)阻很大，需要匹配一個(gè)高阻抗的放大器。

PH復(fù)合電極選用杭州米斗公司所生產(chǎn)的。復(fù)合電極將PH與溫度2和溫度1結(jié)合，大大方便了PH測(cè)量的規(guī)劃。復(fù)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(gè)高阻抗放大器來(lái)匹配復(fù)合電極。經(jīng)過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化聯(lián)接，將電位值轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，然后對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化。

（二）軟件部分

1、電位法PH計(jì)的原理

（1）PH值公式的推導(dǎo)

為了測(cè)量溶液的PH值，即測(cè)量溶液中H⁺的濃度，需求一個(gè)指示電極來(lái)反映溶液中H ⁺濃度的改動(dòng)。該復(fù)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(guò)程中，兩個(gè)電極在被測(cè)溶液中構(gòu)成一個(gè)原電池。丈量電極的電位會(huì)跟著溶液中H ⁺濃度的改動(dòng)而改動(dòng)，而參比電極的電位則堅(jiān)持不變，不受待測(cè)溶液的影響。這樣，兩個(gè)電極構(gòu)成的電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著溶液中離子濃度的改動(dòng)而改動(dòng)。通過(guò)測(cè)量電位能夠得到待測(cè)溶液的離子濃度，然后通過(guò)算法計(jì)算出溶液的PH值。

2、程序設(shè)計(jì)

儀器的測(cè)控軟件選用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)盤繞主要測(cè)試功用結(jié)束，主要分為四個(gè)部分

（1）硬件初始化擔(dān)任MCU、LCD屏、GPRS模塊的初始化;

（2）丈量模塊作為復(fù)合電極的數(shù)據(jù)搜集模塊，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī);

（3）閃現(xiàn)和無(wú)線傳輸，擔(dān)任實(shí)時(shí)pH值的LCD閃現(xiàn)和實(shí)時(shí)丈量pH值的傳輸。

四、水質(zhì)檢測(cè)儀便利性

（一）便攜

能否完成電池供電，及時(shí)監(jiān)控，并上傳至監(jiān)控中心 。

（二）無(wú)線傳輸

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

（三）監(jiān)測(cè)精度高

傳統(tǒng)的試紙檢測(cè)辦法的最高準(zhǔn)確度為0.1，儀器的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度在0.02范圍內(nèi)。

（四）快速監(jiān)測(cè)

選用軟件對(duì)過(guò)失算法進(jìn)行優(yōu)化，提高了監(jiān)控速度。監(jiān)控時(shí)間1分鐘以內(nèi)。

（五）功耗低

選用低功耗單片機(jī)規(guī)劃，兩分鐘不作業(yè)時(shí)體系進(jìn)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(shí)）供電。假如每天運(yùn)用一次，能夠運(yùn)用半年以上。該P(yáng)H監(jiān)測(cè)儀便利監(jiān)測(cè)各種液體的PH值，可用于印染作業(yè)、電力設(shè)備作業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、水處理作業(yè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合。

結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、投入少、功能強(qiáng)、維護(hù)量小，適用于各水域水體的長(zhǎng)期連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)節(jié)省了征地、建站房等費(fèi)用，可隨時(shí)隨地獲得真實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)水域中心區(qū)域監(jiān)測(cè)，并能自動(dòng)對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。同時(shí)克服了野外的不利條件，使水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)擺脫了對(duì)市電和站房的依賴，順利地完成了對(duì)水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，適合在全國(guó)推廣使用。

參考文獻(xiàn)

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