一種小型污水水情測控裝置設計與實現

蘇宏鋒

摘要：工業水箱中的污水在排放前進行液位與PH值檢測對生態環境保護具有重要意義。本文設計一種以STC12C5A60S2單片機為控制器的小型污水水情測控裝置。采用HS-SR04傳感器檢測污水水箱液位，E-201-C傳感器檢測污水PH值，測得的電壓信號經由AD7705完成信號轉換，將水箱液位、PH值和供電電壓送至單片機處理，由LCD12864顯示。在Visual Basic 6.0平臺開發上位機管理系統，通過AS13-TTL無線串口通信將下位機采集的水情信息傳輸到管理系統進行實時監控。試驗結果表明，系統具有響應速度快，測量精確的優點。

關鍵詞：STC12C5A60S2；E-201-C傳感器；液位；PH值；AS13-TTL無線串口

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0161-03

十九大報告明確指出要著力解決突出環境問題[1]，加快水污染防治，壯大節能環保產業，建立市場導向的綠色技術創新體系，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念。工業污水排放前要對水箱中污水的PH值、固體懸浮物、油脂等參數進行處理，經環保部門認定達標才可排放。文章設計一種小型污水水情測控裝置，實現污水水箱液位、污水PH值的檢測與參數實時監控，具有低功耗、低成本、響應速度快與測量精度高的特點。

1 系統總體設計

小型污水水情測控裝置的系統架構如圖1所示，下位機選用STC12單片機作為核心處理器，由PH傳感器電路、液位檢測電路、信號跟隨與放大處理電路、LCD12864液晶顯示電路和+5V電池組等部分組成，通過無線串口AS13-TTL模塊與上位機通信，上位機對污水水情實時監控。采用HS-SR04超聲波傳感器進行液位精密檢測，型號為E-201-C的PH傳感器檢測溶液PH值，將PH信號由AD7705轉換成數字信號，并送至單片機處理，AS13-TTL無線通信模塊實現測量數據的無線傳輸，以獨立按鍵作為系統啟停與測量模式選擇開關，實現水情系統的各項功能檢測。

2 系統硬件設計

2.1 液位測量模塊

系統采用宏晶科技的STC12C5A60S2處理器為主控平臺。STC12C5A60S2單片機[2]是一款STC增強型51單片機，有1280字節SRAM，62K字節片內Flash存儲器，內部集成8通道10位AD轉換器，雙串行口，STC12C5A60S2單片機具有豐富的I/O端口、定時器和PWM通道資源，非常適合測控系統。采用HS-SR04超聲波測距[3]完成液位的高度測量，該模塊測量距離范圍是0.02m～4m之間，測量精度高達3mm。HS-SR04模塊采用IO觸發測距，通過IO輸出一高電平，高電平持續時間就是超聲波從發射到返回的時間T，測量液位高度S的計算公式：S=340*T/2 （1）

2.2 溶液PH值檢測電路

采用型號為E-201-C 的PH復合電極檢測溶液PH值，由PH玻璃電極與參比電極組合而成的PH傳感器。在玻璃膜與被測溶液中氫離子進行離子交換過程中，通過測量電極之間的電位差檢測溶液中的氫離子濃度，測得液體的PH值。該傳感器模塊的PH值測量范圍是0～14，溫度范圍是5℃～60℃，工作電壓VCC為+5V，具有抗干擾能力強、使用方法簡單的優點。PH傳感器檢測電路如圖2所示，PH+、DO與TO分別與AD7705的AN1+、AN2+、AN2-引腳連接。

2.3 A/D轉換與信號處理

AD7705是一款16位精度串行AD轉換器[4]，具有分辨率高、自校準、抗噪聲性能。PH傳感器采集的信號通過AD7705轉換成數字信號送入單片機，如圖3所示的信號處理電路。由TL431B穩壓管、電阻和電容器件設計了+2.536V基準參考電壓源，為AD7705轉換器通道1測量電源電壓提供基準電壓，基準電壓的AD轉換值D1，+5V電壓通過電容濾波進入精密電位器分壓，電壓衰減一半得到+2.5V電壓，將其送入OP07組成的電壓跟隨器，輸出端送入AD轉換器得到電壓轉換值D2，實際測量電壓U為：U=2.536*D2/D1 （2）

2.4 無線串行通信模塊

無線串行通信模塊是將水情測控裝置測得的數據無線傳送到上位機管理系統，實現水情測試系統數據遠程實時監控。AS13-TTL是一款中心頻率為433Mhz的無線串口通信[5]模塊，支持1200～115200bps多種波特率，實測距離達2.1km，具有TTL電平的串口通信接口，工作電壓為+5V，最大功率為100mW。

3 系統軟件設計

將容積不小于1L的容器裝水后放置于測試臺上，啟動測試裝置，位于容器上方的超聲波傳感器以及PH傳感器產生信號，系統主程序初始化LCD12864，檢測功能按鍵選擇不同的測試項目，包括PH值測試與液位高度測試，圖4為主程序流程。

4 系統測試與誤差分析

4.1 系統測試

將水情測控裝置的各模塊電路正確連接后，啟動測試，按如下步驟進行測試。

（1）將塑料容器清空，多次向塑料容器注入若干自來水，超聲波液位傳感器檢測液位的高度，用表格記錄下數據，再用標準鋼尺測量，測試結果如表1所示。

（2）保持容器里的液位不變，多次向塑料容器注入若干白醋，記錄水情檢測系統每次測量的PH值，與標準的PH測試筆測試結果對比，測試數據如表2所示。

4.2 測試誤差分析

從表1和表2數據表明：①液位的檢測在38秒內完成，測量偏差在±4mm內，PH測試能夠在63秒內穩定測量并且測得的數據偏差不大于±0.1。②液位測試誤差主要集中在短距離測試過程，主要原因是水面抖動不平整及周圍環境擾動超聲波反射原因。③溶液PH值測試結果相對穩定，偏差主要來自實驗過程添加的白醋沒有及時擴散，溶液混合不均勻引起。

5 上位機管理系統設計

在Visual Basic 6.0平臺下開發污水水情上位機管理系統如圖5所示，通過無線串口AS13-TTL將下位機采集的水箱液位高度、污水PH值和電源供電壓等數據信息傳輸到上位機，此外上位機系統還具有遠程控制水情測控裝置的啟停與測試模式選擇的功能。

6 結語

工業污水倘若不經過處理直接超標排放，將會嚴重破壞生態環境。文章設計的小型污水水情測控裝置實現液位與PH檢測，該裝置最大液位測量高度約4m，測量誤差在±4mm范圍內，PH測試誤差在±0.1范圍內，上位機管理系統實現水情測控裝置的遠程啟停控制、測試功能選擇與數據實時監控。系統低成本、測量精度高，上位機系統人機界面友好。

參考文獻

[1] 魏巍，王斌.解讀：“十九大”報告中的生態文明篇章[EB/OL].[2017-10-20]. https：//www.sohu.com/a/199201031_611316.

[2] 楊通，張富春，等.一種基于STC12C5A60S2的路燈節能系統設計[J].電腦知識與技術，2018（9）：273-275.

[3] 朱志強，張瀟宇，等.基于Arduino+LabVIEW的高精度超聲波測距系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2016（9）：49-52.

[4] 賈云峰，付成偉.一種無線傳輸的溫度采集系統的設計[J].現代電子技術，2015（24）：136-138.

[5] 江陽，何青.基于無線串口及GSM 通信技術的氧化鋅避雷器在線監測儀[J].自動化技術與應用，2018（6）：65-67.

Abstract：The detection of liquid level and pH value of sewage in industrial water tanks before discharge is of great significance to ecological environment protection. This paper designs a small sewage water condition measurement and control device based on STC12C5A60S2 microcontroller. The HS-SR04 sensor is used to detect the liquid level of the sewage tank. The E-201-C sensor detects the PH value of the sewage. The measured voltage signal is converted by the AD7705. The liquid level， PH value and power supply voltage are sent to the MCU for processing，displaying by LCD12864.In the Visual Basic 6.0 platform， the upper computer management system was developed. The water information collected by sensor is transmitted to the management system for real-time monitoring through AS13-TTL wireless serial communication. The test results show that the system has the advantages of fast response and accurate measurement.

Key words：STC12C5A60S2；E-201-C sensor；Tank level；PH value； AS13-TTL wireless serial