一種城鎮(zhèn)飲用水水質(zhì)檢測儀設(shè)計

淮陰工學(xué)院 顧宇 柯永斌

本文擬設(shè)計一款便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀。它可以測量水的溫度、PH值、濁度、電導(dǎo)率等，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑λ|(zhì)檢測的需求，并可以有選擇性地通過上位機實時監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)。

飲用水；檢測儀；水質(zhì)；單片機

一種城鎮(zhèn)飲用水水質(zhì)檢測儀設(shè)計

淮陰工學(xué)院 顧宇 柯永斌

1 檢測儀基本原理

設(shè)計的檢測儀主要測量飲用水三個最基本參數(shù)，即電導(dǎo)率、濁度和PH值。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度補償模塊

電阻式溫度傳感器的溫度值與電阻值呈線性關(guān)系，如果溫度發(fā)生變化，那么它的電阻也會發(fā)生變化。PT100是正電阻系數(shù)溫度傳感器的一種，它采用基準鉑電阻溫度計作為標準器，其電阻和溫度之間的關(guān)系如下：

式中R為實際電阻值，為0℃標準電阻值，α為正電阻系數(shù)，T為絕對溫度。具體溫度補償模塊見圖1：

圖1 溫度補償模塊

2.2 PH值測量模塊

根據(jù)能斯特方程，PH復(fù)合電極的輸出電壓和水體的氫離子濃度、溫度滿足以下關(guān)系：

上式中R為單原子分子(每個分動量的)理想氣體摩爾熱容，R=8.314J/（mol*K）；F為法拉第常數(shù)(氧化型物質(zhì)或還原型物質(zhì)的濃度)；n為電極反應(yīng)中得到和失去的電子數(shù)（對于氫離子n=1）；T為被測水體的絕對溫度T=273.15+t。將與被測水體接觸的玻璃電極與精度很高的已知參比電極組成原電池，測量參比電極與玻璃電極的電位差，即測量復(fù)合電極的輸出電動勢，就可以依據(jù)能斯特方程計算出實際的PH值。

2.3 電導(dǎo)率測量模塊

水體中電解質(zhì)的屬性和溫度密切相關(guān)，因為當溫度發(fā)生變化時，它的電離度、溶解度會發(fā)生變化，所以水體的電導(dǎo)率也會發(fā)生變化。將相互平行且距離為L的極板放在被測水體中，在電極板的兩端加上一定的電，通過測量極板兩端之間通過的電流即可算出極板兩端的電阻，又已知電極的電極常數(shù)，所以水體的電導(dǎo)率就等于電導(dǎo)與電極常數(shù)的乘積，單位為us/cm，公式如（3）和（4）所示：

式中K為水體的電導(dǎo)率，J為電導(dǎo)率傳感器的電極常數(shù)，G為水體的電導(dǎo)(電阻的倒數(shù))。

圖2 電導(dǎo)率測量原理圖

3 軟件設(shè)計

人機交互界面，其初始化流程如圖3所示：

圖3 人機交互界面初始化流程

3.1 主次菜單的設(shè)計流程

設(shè)計系統(tǒng)主菜單時，可以把任務(wù)按照主次關(guān)系排列，不僅能夠輕易地讓一般用戶熟練掌握，對專業(yè)性用戶也有很大的吸引力，因此，這種交互方式能大大減輕用戶的搜索負擔。系統(tǒng)初始化時，會在液晶上顯示一級菜單(根目錄)，并會為顯示二級菜單做好隨時顯示的準備。

3.2 按鍵程序設(shè)計

本系統(tǒng)按鍵底層驅(qū)動流程圖如圖4所示。為了讓使用者有良好的按鍵體驗，不存在卡頓、延遲、反應(yīng)不靈敏的現(xiàn)象，本系統(tǒng)解決了因為阻塞延遲連續(xù)占用CPU，其他任務(wù)不能及時地得到執(zhí)行而導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓的問題。

圖4 按鍵底層驅(qū)動程序設(shè)計流程圖

3.3 傳感器軟件設(shè)計

本系統(tǒng)初步設(shè)計有4個部分，分別為溫度、濁度、PH、電導(dǎo)率。為確保STM32能夠正常讀取溫度、濁度、PH以及電導(dǎo)率傳感器的電信號，首先應(yīng)配置系統(tǒng)時鐘，待系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定后，程序開始初始化ADC，I2C，等待讀取傳感器數(shù)據(jù)。傳感器系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 傳感器工作流程圖

本模塊采用中位值濾波法，利用冒泡排序法將連續(xù)N個采樣值進行排序，最后取中間值作為本次有效值。

3.4 系統(tǒng)通信軟件設(shè)計

系統(tǒng)進入在線測量模式后，上位機會不斷地請求下位機的數(shù)據(jù)包，下位機上傳的數(shù)據(jù)包具有特殊的數(shù)據(jù)格式，上位機則依據(jù)此格式判斷接收到的是否是期望接收的數(shù)據(jù)，每一幀數(shù)據(jù)都有其特有的校驗和用來判斷數(shù)據(jù)的完整性。下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式為：

幀頭+數(shù)據(jù)長度+溫度+PH+濁度+電導(dǎo)率+幀尾

假設(shè)當前溫度為25℃，PH為7.0，濁度為1%，電導(dǎo)率為1000us/cm，那么這一幀數(shù)據(jù)就為：

‘#’+4+25+7.0+1+1000+“AA”

上位機運行時單擊連接設(shè)備按鈕，發(fā)送“#connectAA”到下位機，下位機收到連接請求后，回復(fù)“#OKAA”建立通信。如果上位機有很長一段時間內(nèi)收不到回復(fù)的“#OKAA”，則彈出設(shè)備連接失敗提示框，相反則彈出設(shè)備連接成功的提示框。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)中各個傳感器模塊都調(diào)試完成后，將各個傳感器放入水中(不可完全放入)，連接下位機和上位機的RS232串口線，在上位機中填上測量地點，給整個系統(tǒng)上電，上位機連接到設(shè)備。選擇在線測量，可以看到下位機一直顯示“正在測量，請勿斷開”的字樣，上位機顯示出水質(zhì)測量參數(shù)的信息。

5 結(jié)論

本文詳細介紹了軟件設(shè)計，軟件設(shè)計包括上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)設(shè)計兩部分。最后介紹了系統(tǒng)調(diào)試過程。

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顧宇，男，1993年出生，江蘇省南京市人，本科，研究方向：電子信息工程。

項目名稱：聚醚后處理中關(guān)鍵參數(shù)控制及工藝流程優(yōu)化。

項目號：BY2016061-02。