基于多路傳感器的水情檢測系統設計

余云飛

蕪湖職業技術學院電氣工程學院,蕪湖,241006

1 問題的提出

飲水安全關系人們的身體健康和生命安全，工業化社會中水情安全檢測管理尤顯重要，因此提高水情檢測水平具有重要的意義。目前,我國水情檢測系統與發達國家相比，技術依然落后，檢測儀器功能單一，價格昂貴，分析成本高，推廣受限。

2007年7月，《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)[1]國家標準正式頒布，標準中規定飲用水的pH值不小于6.5,而且不大于8.5。水溫的變化會影響水體的理化性質，水溫升高會促使水體的生化反應，影響水環境的質量。當然水情檢測還涉及色度、渾濁度等感官性狀和菌落總數等微生物指標。為了方便農村飲用水安全工程及游泳池等水情快速檢測要求，本文圍繞關鍵的化學pH值指標及水溫、液面高度等重要參數設計了可進行多參數檢測的水情監測系統。

2 系統設計方案

基于多路傳感器的水情檢測系統中采用的單片機型號是STC125A60S2,系統包括單片機控制模塊、pH信號采集電路、紅外測距電路、水溫測量電路、液晶顯示電路、聲光報警電路、供電系統。系統總體結構圖如圖1所示。系統僅由電壓不大于6V的電池組供電，功耗低。紅外測距傳感器水平固定于液面上方，以便于向下垂直測距；pH復合電極的球泡浸于待測液體中，傳感器與BCN接口相連。采用DS18B20溫度傳感器芯片進行水溫測量。水情檢測結果可用液晶屏進行分行顯示。

圖1 系統總體結構圖

3 系統硬件設計

3.1 系統供電部分設計

圖2 XL6009升壓電路

系統電源部分,使用4節并聯3.7V的18650電芯電池組進行供電，正極輸出端子一路接至單片機P1.1引腳、一路經以XL6009為核心的DC-DC升壓模塊進行升壓，DC-DC升壓模塊電路圖如圖2所示。其中的XL6009芯片采用TO-263封裝，第3引腳SW為開關信號輸出端，引腳3與輸出VOUT之間接有二極管，作為反向極性電壓保護。引腳1與引腳4之間連接的105獨石電容起到消除噪聲作用，引腳5的FB作為反饋端，通過調節3362型10k歐姆的電位器RP2旋鈕可調節輸入與輸出之間的電壓關系[2]。

輸出電壓計算公式為：

(1)

DC-DC升壓模塊的輸入端為3.7V的直流電壓，輸出約為7.2V的直流電壓，再輸出給7805穩壓電路進行穩壓，電路圖如圖3所示。7805穩壓電路的+5V直流電壓分別提供輸出給紅外傳感器、pH復合電極采集模塊、AD轉換芯片XPT2046進行工作。

圖3 7805穩壓電路

3.2 pH值檢測電路設計

圖4 pH值傳感器模塊電路原理圖

圖4為pH值傳感器模塊電路原理圖。pH傳感器采用的是可測量水溶液(氫離子)活度的復合電極。使用前，應選用標準緩沖液對電極進行校正。圖4中的TCOM2為溫度補償輸出口，為得到準確的測量結果，須通過儀器的溫度補償裝置調節至溶液實際溫度值。圖4中的CA3140為高阻運算放大器，電路采用低通濾波器，濾除高頻分量。引腳1、5之間接3362型10k電位器，通過調節電位器旋鈕來進行失調電壓調零，TCOM1為其電平信號輸出口。PH_O為pH值輸出口，輸出信號為毫伏級信號，由方程2可知玻璃電極的電位變化與被測溶液中的pH值呈線性關系[3]。

(2)

式中，E為指定濃度下的電極電勢，E0為等電勢點電極電位。因此，通過同時測量原電池電動勢及溶液的溫度，即可計算出被測溶液[3]pH值。記錄對應的輸出電壓，可繪制出電壓與pH值對應關系的標準曲線。

單片機STC125A60S2的P1口帶8路10位A/D轉換功能，模擬通道的選擇控制由ADC控制寄存器ADC CONTR中的CHS2～CHS0確定[4]。pH傳感器模塊具有BNC接口，模塊的PH_O與單片機P1.0通道相連。供電電池組的直流輸出電壓與單片機的P1.1通道相連接。單片機采集兩路的電壓輸入信號，經內部A/D轉換成數字量，經單片機處理并顯示在LCD12864上。

3.3 紅外測距模塊電路設計

選用夏普公司GP2YOA21型紅外測距傳感器，它由PSD(位置敏感檢測裝置)、IR LED(紅外發光二極管)、信號處理電路以及輸出接口電路等組成[5]。它采用非接觸測量技術，運用激光三角測距原理,測距范圍為20～150cm，適用于展開的設計實驗。

PSD光電器件可檢測紅外光點落在它上面的微小位移，具有較高分辨率，利用三角幾何測量法可推算出測量距離[6]。傳感器的輸出電壓值與測量出的距離有一定的非線性函數關系，圖5所示為夏普GP2YOA21型紅外測距傳感器的測量距離L與輸出電壓u的特性曲線圖。

圖5 測量距離L與電壓u的特性曲線

圖6 水情檢測系統總體原理圖

在數據處理中，有兩個關鍵問題：(1)信號的線性化。可在編程中使用線性化公式將數值量轉換成具體的距離值。因為這關系最后結果的精確程度。在實際測距中，每隔一段有效距離采樣數據，獲得較為準確的線性化公式。(2)由于GP2Y0A21的模擬輸出存在噪聲，為了減小噪聲，在編程時運用多次采樣，中位值濾波法，經過計算N-2個數據的算術平均值，可獲得對被測參數液位高度的良好濾波效果。減小噪聲干擾及系統的偶然誤差。

3.4 水溫測量及顯示電路

水溫測量采用DS18B20溫度傳感器芯片，為防止短路，每個引腳均套有熱縮管，內部封膠，外部接有引線。DQ端通過5.1K的上拉電阻接至VCC，實現外部+5V電源供電方式，通過軟件進行設置分辨率以及相應的溫度限值。DS18B20與單片機的連接圖如圖6所示。系統顯示，采用LCD12864液晶顯示模塊，第3腳接的電位器可用來調節對比度。

4 系統軟件設計

開機啟動后，系統初始化，LCD12864顯示水情檢測系統工作界面，啟動容器液位、pH值、水溫、電壓值信號采集，進行AD轉換，對采集的數據進行中位值濾波法處理。編程時可對水溫、pH值等敏感參數進行設定，當有檢測值超過預設值范圍時自動報警。同時檢測結果實時顯示在液晶屏上。系統程序在Keil uVision4軟件下編譯調試，包括了主程序、LCD12864顯示、AD數據處理、XPT2046、測溫等應用程序。系統主程序的流程圖如圖7所示。

圖7 程序的流程圖

5 系統測試及數據分析

水情檢測系統設計制作完成后，先用UT61E 數字萬用表進行檢查，確認無短路等故障后，上電檢測。水情監測系統實驗平臺如圖8(a)所示,圖8(b)為帶液晶顯示的系統PCB電路板。

圖8 水情檢測系統實驗平臺

按要求進行如下測試：(1)多次向塑料容器注入純凈水，測量每次的水位值。(2)保持(1)的水位不變,多次向塑料容器注入若干白醋，測量每次的pH值。(3)完成供電電池的電壓測量并顯示，測量誤差不大于0.01V。測試數據見表1，表2，表3。

表1 液位深度測量數據

表2 pH值測量數據

表3 電壓測量數據

為了提高系統的檢測效率與可靠性，可增加進水泵、加酸泵、攪拌器等輔助設備。

由實際測量的現場數據可以看出，測量誤差在系統要求的容許范圍之內。液位深度測量誤差小于2 mm，pH值測量誤差小于0.08，電壓測量誤差小于0.01 V。系統測試精度較高，滿足設計要求。

6 結 語

本文從模擬集中式生活飲用水水質部分指標的水情檢測系統要求出發，設計出具有多參數顯示的基于多路傳感器的水情檢測系統。尤其在液面深度采集中，不同于大多數設計采用的超聲波檢測方法，本文采用紅外測距傳感器進行測距。系統數據處理中運用多次采樣，中位值濾波法，提高了采樣數據的精度，使pH值等檢測參數能快速穩定地顯示在液晶屏上。系統穩定性好、功耗低，多參數檢測結果的誤差均在容許范圍之內,達到了設計要求。系統可廣泛應用于農村飲用水安全、游泳池等水情的監測中,還可進一步擴展功能應用于更復雜的智能化水文檢測管理的自動控制中。