基于水質(zhì)監(jiān)測的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

◇成都大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 李躍鵬 劉一達(dá) 雷 霖

本文闡述一種水質(zhì)監(jiān)測的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐過程。該實(shí)踐過程分階段完成課程設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)，各階段分別對方案論證、軟硬件設(shè)計(jì)、目標(biāo)測試等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。實(shí)踐表明，該課程設(shè)計(jì)的裝置能夠?qū)λ|(zhì)有效監(jiān)測同時培養(yǎng)學(xué)生硬件與軟件設(shè)計(jì)綜合思考和工程實(shí)踐能力。

設(shè)計(jì)一個水質(zhì)測量軟硬件綜合的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生應(yīng)用動手能力的同時，也培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用中軟硬件綜合設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌思考的能力。本課程設(shè)計(jì)利用單片機(jī)系統(tǒng)的課程原理，結(jié)合傳感器技術(shù)、電子電路技術(shù)、C語言、通信原理等課程知識，綜合設(shè)計(jì)一種能夠?qū)λh(huán)境溫度、TDS值、pH值進(jìn)行檢測的課程實(shí)驗(yàn)裝置。該課程設(shè)計(jì)課堂24學(xué)時（1.5學(xué)分）完成整個課程課堂實(shí)踐討論，2周的課后實(shí)踐完成整體實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物制作和檢測。

1 課程設(shè)計(jì)方案

方案論證是本課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練的第1階段，要求學(xué)生4學(xué)時完成功能需求分析以及方案的設(shè)計(jì)與論證。方案采用ATmega328單片機(jī)作為控制器。溫度是影響水溶解性的重要指標(biāo)，應(yīng)用S18B20數(shù)字傳感器D，能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確輸出信號溫度數(shù)字信號[1]；TDS（Total dissolved solids，總?cè)芙舛裙腆w）是衡量水所含雜質(zhì)重要指標(biāo)，選擇DFrobot的SKU：SEN0244 TDS傳感器，直接和Arduino主控器連通后，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的TDS值進(jìn)行檢測；采用（SKU:SEN0161）pH meter pH計(jì)設(shè)計(jì)信號處理電路，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的pH值監(jiān)測[2]。設(shè)計(jì)WiFi模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果實(shí)時上傳到云服務(wù)器，并在手機(jī)APP中進(jìn)行顯示。圖1為課程設(shè)計(jì)方案框圖。

圖1 課程設(shè)計(jì)方案框圖

從圖1可以看出，該系統(tǒng)需包含WiFi通信模塊，用于檢測參數(shù)的接收和發(fā)送。配合WiFi模塊同時需要開發(fā)手機(jī)APP供用戶實(shí)時查看檢測結(jié)果。電源模塊提供外接5V電源，水質(zhì)檢測模塊主要包括溫度檢測模塊、TDS檢測模塊、pH檢測模塊[3]。電源模塊同時為WiFi模塊和其他檢測模塊提供多電壓電源，APP采用機(jī)智云-IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行開發(fā)，WiFi模塊可通過串口與MCU進(jìn)行連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通過對方案設(shè)計(jì)分析，需要學(xué)生在課后完成相關(guān)傳感器、信號處理、無線通信技術(shù)等知識的查閱學(xué)習(xí)，該過程可以訓(xùn)練學(xué)生資料收集、知識歸納整理的能力。

2 課程電路設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)的第2階段為硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)踐階段，要求學(xué)生8學(xué)時完成設(shè)計(jì)與制作。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中需多種電路電壓源，其中以ATmega328為核心的控制器電源電壓為+5V，TDS信號檢測電路供電電壓±3.0V，PH值信號檢測供電電壓為±5V，WIFI通信模塊電路的供電電壓為3.3V。本系統(tǒng)采用USB供電和常規(guī)的直流電源電池供電，USB供電與常規(guī)直流電源供電采用二極管限流隔離，采用DC/DC變換為控制系統(tǒng)電路提供所需要的電壓值；外接電壓BAT范圍為6V至20V，為了保證更加精準(zhǔn)的5V電壓，防止電壓過高穿透芯片，本設(shè)計(jì)選用的是 NCP117ST50T3G 系列電源穩(wěn)壓芯片，該類型芯片可以將電壓輸出在1.5～12V之間。選用LP2985-33DBVR進(jìn)行3.3V直流電壓輸出，選用ME6206A30M3G穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)+3V的直流電壓輸出設(shè)計(jì)，同時采用TPS60400DBVR芯片作為電壓變換器，將+5V/+3V變換輸出-5V/-3V的信號處理電路電壓[4]。詳細(xì)設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。

圖2 電源電路

2.2 課程傳感器電路設(shè)計(jì)

在水質(zhì)監(jiān)測過程中，TDS值和PH值是最重要的衡量指標(biāo)。TDS檢測儀器主要是TDS筆，其原理是TDS筆的兩個電極引腳放入到水中，在兩端加上固定的電壓，然后測電極之間的電流I，電導(dǎo)率檢測是與水體的溫度緊密相連，故在程序設(shè)計(jì)中設(shè)置溫度傳感器DS18B20對溫度進(jìn)行采集[5]。根據(jù)式1可以計(jì)算出水質(zhì)的電導(dǎo)率數(shù)值。

其中：Gt為 固定水體溫度下的電導(dǎo)率，Gt0為正常溫度（一般認(rèn)定為25℃）下的電導(dǎo)率，β為溫度系數(shù)。設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 TDS信號采集電路

由于TDS信號檢測電路中，為了能夠讓TDS電極信號能夠被有效采集，需要設(shè)計(jì)激勵源電路產(chǎn)生激勵信號，同時也需要信號處理電路對采集信號放大和濾波。本設(shè)計(jì)采用以CD4060B數(shù)字計(jì)數(shù)器為核心的電路產(chǎn)生激勵源信號，同時應(yīng)用LM324設(shè)計(jì)兩級放大電路，對TDS信號進(jìn)行放大，應(yīng)用RC電路對信號進(jìn)行濾波，并通過AD接口ADC1_TDS接口保證控制器能夠?qū)π盘栠M(jìn)行準(zhǔn)確采集[6]。設(shè)計(jì)的實(shí)際電路如圖3所示。

在本次設(shè)計(jì)中，采用了（SKU：SEN0161）pH meter pH計(jì)，Arduino主控器搭配這款模擬pH計(jì)可以很便捷的進(jìn)行使用。應(yīng)用P3接口連接pH探頭，再通過TL081BCDG4和CA3140AMZ兩級運(yùn)放，將信號放大后將所測得的信號通過AD接口ADC2_PH輸入到微控制器中，電路中R14電位器用于對實(shí)際PH值測試時與標(biāo)準(zhǔn)溶劑校準(zhǔn)使用，完成信號的分析處理。設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 pH值采集電路

2.3 課程處理器與通信單元電路設(shè)計(jì)

控制處理器采用ATMega328，其核心處理器采用AVR處理器，ADC接口PC2接入PH值，PC1接入TDS值，IO接口PD4接入溫度值。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 控制通信單元電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中采用WIFi通信，將采集的數(shù)據(jù)接入到數(shù)據(jù)云端，同時應(yīng)用手機(jī)APP對云端數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和通信的接入設(shè)置，使用ESP8266 WIFI模塊搭配機(jī)智云-IoT物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺及智能硬件自助開發(fā)平臺進(jìn)行應(yīng)用的搭建[7]，將機(jī)智云GAgent for ESP8266固件燒錄到的ESP8266 WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP、云服務(wù)器和MCU三者之間的傳輸設(shè)計(jì)。該階段是課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段，需要學(xué)生有獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)、實(shí)踐動手能力。該階段的順利完成才能為第3階段的軟件硬件綜合實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

3 課程軟件設(shè)計(jì)

課程的第3階段主要為軟件實(shí)現(xiàn)階段，需要學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計(jì)方案和實(shí)物硬件，完成軟件程序的設(shè)計(jì)，課堂實(shí)踐環(huán)節(jié)10學(xué)時。

本課程設(shè)計(jì)中，首先對WiFi電路模塊刷入固件，利用ATmega328對pH、TDS、溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時對pH/TDS水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，其中應(yīng)用溫度對TDS進(jìn)行補(bǔ)償，微控制器利用WiFi通信將分析完成的數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)智云平臺，同時利用手機(jī)APP對機(jī)智云平臺所共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并查看與國家標(biāo)準(zhǔn)的對比情況，采集軟件設(shè)計(jì)的總體流程如圖6所示。

圖6 終端軟件設(shè)計(jì)流程

在數(shù)據(jù)處理中，針對選型的TDS傳感器特性，采集的電壓值信號與TDS值得對應(yīng)關(guān)系如式（2）：

其中TDS為最終溶解度固體值，單位為ppm(百萬分比濃度)，V值為TDS傳感器采集的電壓值。

本系統(tǒng)中選擇的pH計(jì)采集的電壓值與實(shí)際的pH值的對應(yīng)關(guān)系如式（3）：

其中pH為顯示pH值，范圍為（0-14.0），V為pH計(jì)采集的電壓值，Δ為與標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)值，用于對pH計(jì)測量的偏差校正。

本次系統(tǒng)前期調(diào)試測試中，選擇pH值分別為6.86、4.0以及9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液對pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)[8]。在酸度校準(zhǔn)中，將pH電極插入pH值為4.00的校準(zhǔn)液中，等待一分鐘后，調(diào)整增益電位器（硬件電路R14），使pH值盡量穩(wěn)定在4.00左右。堿性段校準(zhǔn)采用pH值為9.18的標(biāo)準(zhǔn)液，同樣是調(diào)節(jié)增益電位器，使之穩(wěn)定在9.18左右。該階段要求學(xué)生有單片機(jī)C語言編程設(shè)計(jì)能力，能夠應(yīng)用軟件語言完成數(shù)學(xué)模型的建立與運(yùn)算。

4 課程設(shè)計(jì)測試

完成裝置軟硬件設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，這是整個課程設(shè)計(jì)的第4階段。對系統(tǒng)的基本功能測試，包括溫度檢測、TDS檢測、pH檢測、數(shù)據(jù)通信和手機(jī)APP接收等，確認(rèn)功能已經(jīng)達(dá)到。首先，將溫度檢測、TDS檢測、pH檢測三個探頭放入準(zhǔn)備好的水質(zhì)待測樣品中，從左到右依次為溫度探頭、pH探頭和TDS探頭，如圖7所示。

圖7 終端裝置測試

打開手機(jī)APP，關(guān)聯(lián)本地?zé)o線局域網(wǎng)，連接成功后可在設(shè)備列表里看到水質(zhì)檢測設(shè)備已連接。點(diǎn)擊已綁定的設(shè)備，即可看到水質(zhì)檢測的結(jié)果。本次檢測為了對比，采用了兩個樣本，即第十教學(xué)樓的自來水和燒開后放置到常溫的飲用水。明顯可以看到自來水的TDS值高于飲用水。

在測試過程中，本次設(shè)計(jì)對學(xué)校的幾處水質(zhì)進(jìn)行了抽樣檢測，檢測結(jié)果如表1，參考國家標(biāo)準(zhǔn)，理想的飲用水TDS值應(yīng)在0～200之間，TDS值在200～400之間為可以接受的自來水，而TDS值超過500的水屬于較差水質(zhì)[9]。根據(jù)檢測結(jié)果，如表1所示，本系統(tǒng)對某高校部分水質(zhì)抽樣調(diào)查的結(jié)果可以得出結(jié)論，該校大部分自來水水質(zhì)符合國家要求，十教5樓自來水檢測時由于水龍頭生銹或者其他原因造成TDS值偏高。檢測結(jié)果中，某寶純凈水的TDS值為0，符合國家對純凈水的要求標(biāo)準(zhǔn)。

表1 學(xué)校部分水質(zhì)檢測結(jié)果

5 結(jié)語

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)及電子信息領(lǐng)域重要內(nèi)容。從本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測試過程中，系統(tǒng)利用機(jī)智云平臺，實(shí)現(xiàn)了采集終端、機(jī)智云端、手機(jī)APP三者互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對水質(zhì)情況的實(shí)時采集和遠(yuǎn)程查詢。水質(zhì)監(jiān)測的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐，即使學(xué)生加強(qiáng)了工程系統(tǒng)的實(shí)踐動手能力也使得學(xué)生學(xué)會了硬件電路和軟件平臺設(shè)計(jì)相結(jié)合的理念和統(tǒng)籌思考的能力，同時提高學(xué)生分析和解決問題的能力。