智能監(jiān)測船的pH檢測的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇祖全，徐紹育，胡　　斌，黎遠(yuǎn)枝，蔡林海

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005）

智能監(jiān)測船的pH檢測的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇祖全，徐紹育，胡斌，黎遠(yuǎn)枝，蔡林海

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005）

摘要：為了提高水域水質(zhì)檢測的實(shí)時(shí)性和減少成本,實(shí)現(xiàn)檢測的自動化和智能化.介紹一款基于stm32的智能監(jiān)測船的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)以STM32F103Z為系統(tǒng)控制核心，通過pH復(fù)合電極和DS18B20，對pH值和水溫進(jìn)行檢測.系統(tǒng)同時(shí)還集成了GPS模塊、通信模塊等，用于記錄船所在位置的經(jīng)緯度，實(shí)現(xiàn)對智能船低成本的智能化控制.

關(guān)鍵詞：STM32F103Z；GPS；經(jīng)緯度；水溫；pH值

由于現(xiàn)存的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)大多采用手工操作的方法，檢測數(shù)據(jù)的代表性比較差，無法真實(shí)的反應(yīng)出水污染的情況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位污染源.因此需要設(shè)計(jì)一艘水質(zhì)和水溫監(jiān)測并能自動導(dǎo)航和定位的智能監(jiān)測船，以下重點(diǎn)介紹pH值檢測部分.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由于系統(tǒng)算法的復(fù)雜性和運(yùn)算的快速性的要求，選用STM32F103Z作為核心控制芯片，既能滿足系統(tǒng)的性能要求又能夠降低成本.通過它可以控制各模塊的正常工作，以及對采集回來數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理.并在上位機(jī)觀察由攝像頭采集的圖像，對水面的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示.

圖1　　系統(tǒng)總體方案框圖

2　系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)主要分成5部分：電源模塊，通信模塊，導(dǎo)航模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，pH值檢測模塊.

2.1電源模塊

系統(tǒng)的輸入電源電壓采用直流7.2 V的充電電池.由于各個(gè)模塊對輸入電壓的不同，需要+3.3 V、+5.0 V 和7.2 V供電，因此設(shè)計(jì)用德州儀器公司出產(chǎn)的TPS7333將7.2 V轉(zhuǎn)換為3.3 V和TPS7350將+7.2 V轉(zhuǎn)換出+5.0 V.電源電路如圖2所示.

圖2　　電源模塊

2.2通信模塊

通信部分使用了Think-WiFi M06，中心頻率為2.4 GHz.工作電壓為3.3 V，最大電流為170 mA.在空曠的地方，傳輸距離可達(dá)360 m.其接口類型有UART/SPI.傳輸速度可達(dá)54 mbps，且可以通過無線路由器與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)互通.

2.3 GPS模塊

GPS模塊由GPS接收機(jī)天線、接收主機(jī)和電源組成.GPS接收機(jī)的工作是追蹤所有的衛(wèi)星，接收GPS信號，并進(jìn)行變換、放大和處理，在收到3顆以上衛(wèi)星的信息時(shí)，便可便測量出計(jì)算出所在位置的經(jīng)緯度，追蹤到衛(wèi)星的顆數(shù)越多，得到的信息精確度越高.

2.4電機(jī)驅(qū)動

電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)出于功率和成本等方面的考慮，用4個(gè)功率管IRF3205s構(gòu)成H橋電路驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動.電路具有高效率、低電壓、大電流的特點(diǎn)，符合系統(tǒng)要求.電機(jī)驅(qū)動模塊原理如圖3所示.

圖3　　電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖

2.5 pH檢測模塊的原理及電路設(shè)計(jì)

2.5.1 pH檢測的原理

溶液的pH值由溶液中氫離子的濃度決定，通過測量被測溶液與電極系統(tǒng)構(gòu)成的電動勢，經(jīng)公式可得到被測溶液氫離子濃度.根據(jù)Nernst方程［1］（如式1所示）可以算出不同pH值條件下的電極電位數(shù)值.

其中R為氣體常數(shù)8.314 3 J/K·mol，T為絕對溫度K，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，n是電極反應(yīng)中得失的電子數(shù)，E為等電勢點(diǎn)的電位，E0是傳感器電極在被測溶液作用下的輸出電位.

因?yàn)镹ernst方程與溫度有關(guān)，在不同的溫度下，式（2）中斜率S，截距E均不同.故由上式算出的pH值與溫度是密不可分的.我們通常所說的某種溶液的pH值實(shí)在特定的溫度下的，故溫度補(bǔ)償是不可或缺的一部分.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償模塊，采用自動溫度補(bǔ)償［2］,即程序補(bǔ)償?shù)姆椒?，對硬件電路的設(shè)計(jì)減少難度且降低成本.將檢測到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)t采集到控制芯片中，通過計(jì)算求出S后代入式（2）中，經(jīng)算法的處理，得出相應(yīng)的pH值.

2.5.2 pH模塊的電路設(shè)計(jì)

由E-201-C pH復(fù)合電極的信號電極和參比電極之間的電動勢，可求出溶液的pH值.pH值的測量實(shí)際上就是電壓信號的測量，信號的采集電路是該系統(tǒng)的重點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得在25℃時(shí)，復(fù)合pH電極電阻值高達(dá)1 011 Ω［3］，故高阻抗輸入的問題是電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在.

要解決高阻抗輸入的問題，則要求運(yùn)算放大器要具有很高的輸入阻抗，E-201-C pH復(fù)合電極的內(nèi)阻可高達(dá)1 011 Ω，即傳感器內(nèi)阻低于運(yùn)算放大器的輸入阻抗時(shí)，才能使得到的電壓信號準(zhǔn)確，TLC4502是一款高性能高阻的運(yùn)算放大器［4］，其在常溫25℃時(shí)，輸入阻抗為1 012 Ω.這款運(yùn)放芯片的供電是單電源供電，對電源部分的要求大大降低了.pH信號處理電路如圖4所示.

圖4　pH信號處理電路原理圖

3　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)控制分為三大部分，無線數(shù)據(jù)傳輸部分、導(dǎo)航部分和水質(zhì)檢測部分.系統(tǒng)流程圖如圖5所示.

無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用WiFi模塊，上位機(jī)發(fā)送指令到下位機(jī)，下位機(jī)把檢測到的數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度，pH值和實(shí)時(shí)的圖像信息發(fā)送到上位機(jī).

水質(zhì)檢測部分是當(dāng)上位機(jī)發(fā)出水質(zhì)檢測指令時(shí)，下位機(jī)通過E-201-C pH復(fù)合電極和pH值采集傳感器模塊檢測出水質(zhì)的溫度和pH值.

pH傳感器電極輸出的信號為兩個(gè)電極（即信號電極和參考電壓）之間的相對電壓，系統(tǒng)選用中性溶液對應(yīng)的電壓作為傳感器參考電壓，即pH值為7的溶液，其對應(yīng)的輸出電壓為0，其與情況根據(jù)酸堿度不同，輸出的電壓也隨之變化.

室溫16℃下，在已知溶液的pH值情況下，測得對應(yīng)的輸出模擬電壓，得到了溶液pH值與模擬輸出電壓線性關(guān)系，如圖6所示．

圖5　　系統(tǒng)程序流程圖

圖6　　模擬輸出電壓與pH值曲線圖

4　　結(jié)語

本系統(tǒng)已經(jīng)將各個(gè)部分進(jìn)行整合，其中水質(zhì)pH值檢測為系統(tǒng)的重點(diǎn).目前系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測模塊已經(jīng)完成了測試并已投入使用，對不同pH值的溶液都能很好的監(jiān)測出其pH值，誤差在±1 pH，可以滿足系統(tǒng)的要求.

參考文獻(xiàn)：

［1］楊素英，尹景鵬，崇仲全，等.pH智能測量技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)［J］.儀器與儀表學(xué)報(bào)，2003（10）:7-9，35.

［2］楊華庭.具有自動溫度補(bǔ)償?shù)膒H測量裝置［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1997，18（4）:425-426，429.

［3］周湄生.pH測量中的電極問題［J］.中國計(jì)量，2000（2）:46-47.

［4］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模電部分［M］.北京:高等教育出版社，2006.

（責(zé)任編輯：李婉）

中圖分類號：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）08-0027-04

［收稿日期］2015-05-18

［基金項(xiàng)目］廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（201410576041）.

［作者簡介］蘇祖全（1979－），男，廣東韶關(guān)人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，碩士；研究方向：電機(jī)控制、智能儀器設(shè)計(jì).

The Design and Implementation of Intelligent Detection of the pH Value of the Surveillance Ship

SU Zu-quan，XU Shao-yu，HU Bing，LI Yuan-zhi，CAI Lin-hai
(Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China)

Abstract:In order to improve the real-time property of water quality detection and reduce the cost,the detection realizs the automatic and intelligent control.This paper introduces the design and implementation of the intelligent surveillance ship based on stm32.STM32F103Z as the system control core of the design,combined with pH composite electrode module and DS18B20 which tests pH value and water temperature.At the same time, the GPS module and communication module are integrated for recording the latitude and longitude of the position of the ship,and the intelligent control of low cost for intelligent ship is realized.

Key words:STM32F103Z;GPS;the latitude and longitude;water temperature;pH value