小型水質(zhì)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

謝靜

摘要：隨著生活質(zhì)量的持續(xù)上升，人們越來越關(guān)注飲用水的安全。小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由水上平臺(tái)模塊和手持終端模塊構(gòu)成，兩部分協(xié)調(diào)運(yùn)作，手持終端控制水上平臺(tái)的取樣以及移動(dòng)，最終由無線通信模塊將水上平臺(tái)測得數(shù)據(jù)發(fā)送給手持終端，手持終端接收來自水上平臺(tái)的多股參數(shù)并且通過LCD顯示模塊顯示出來。在實(shí)現(xiàn)水源合理運(yùn)用中，水質(zhì)安全管理起著至關(guān)重要作用。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測 無線通信 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract：With the sustained increase of quality of life， and concerns over the safety of drinking water is more and more attention.Small water quality monitoring system consists of water platform module and hand-held terminal module.Handheld terminal control water sampling and mobile platform， in the end by the wireless communication module will be floating platform measured data sent to the handset， handheld terminal receiving more shares from the floating platform parameter and displayed by LCD display module. In a reasonable use of water， water quality safety management plays an important role.

Keywords：water quality monitoring；wireless communications；microcontroller

1 緒論

水資源是人類賴以生存的資源，飲用水質(zhì)量的好壞直接關(guān)系人類的生命安全。通過對(duì)國內(nèi)外移動(dòng)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的了解以及研究，本課題致力于設(shè)計(jì)針對(duì)小范圍水域進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)測量的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。希望通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小型水質(zhì)監(jiān)測設(shè)計(jì)思路的可行性，為以后的發(fā)展提供理論依據(jù)和參考實(shí)例。

2 小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包含水上移動(dòng)平臺(tái)模塊和手持終端模塊。用戶根據(jù)遙控器發(fā)射運(yùn)動(dòng)命令，使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定目的。到達(dá)后，水上移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)采樣模塊和取水模塊。手持終端顯示由水上平臺(tái)發(fā)送而來的水質(zhì)參數(shù)，并且在LCD顯示屏上。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

3 水上移動(dòng)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 水質(zhì)傳感器

要實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測，水質(zhì)傳感器不可或缺的。水質(zhì)指標(biāo)種類比較多，常規(guī)的五項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)包括溫度值、pH值、溶解氧含量、電導(dǎo)率以及渾濁度。

設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器是DS18B20溫度傳感器，輸出數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)線連接單片機(jī)I/O口就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。傳感器采取不銹鋼管包裝，可以防水、防潮、

防生銹。

PH值可以反映水的酸度、凈化程度、有機(jī)和金屬穩(wěn)定性等。系統(tǒng)選用270-WQ201PH傳感器，是一種相對(duì)耐用精度高的PH值檢測器件。傳感器可以輸出4-20mA電流信號(hào)，測量0到14PH范圍酸堿度的滿量程精度可達(dá)2%，同時(shí)傳感器封裝在不銹鋼和環(huán)氧材料內(nèi)部，外部護(hù)罩可替換，易于維護(hù)。

濁度主要是指水中懸浮物阻塞的透光度，是否受污染一目了然，直觀的體現(xiàn)水質(zhì)的渾濁度。系統(tǒng)選用270-WQ710濁度傳感器，該傳感器在測量時(shí)，在被測水中聚焦射出一束光束。水中的顆粒物等可以反射傳感器聚焦的光束，通過測量90度內(nèi)的反射光強(qiáng)，光電探測器可以分辨水質(zhì)的濁度。濁度傳感器的工作電壓在10V到36V范圍內(nèi)，輸出量為4mA到20mA的電流信號(hào)，傳感器滿量程精度值可以達(dá)到±5%。

電導(dǎo)率傳感器主要用于體現(xiàn)水中無機(jī)物污染指標(biāo)。系統(tǒng)選用270-WQ301型電導(dǎo)率傳感器，工作電壓為12V，輸出為4-20mA電流的3線制傳感器，線路連接簡單。

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖2所示為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)需要4個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)船體移動(dòng)控制和1個(gè)水泵實(shí)現(xiàn)水質(zhì)抽樣。輸入端ina與in1、in2同時(shí)控制輸出口out1和out2，控制器賦ina和in1高電平時(shí)，水泵正傳實(shí)現(xiàn)取水操作；ina和in2高電平，水泵反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)放水操作。輸入端inb與in3、in4同時(shí)控制輸出口out3和out4，當(dāng)單片機(jī)給與inb和in3高電平時(shí)，電機(jī)1正傳船體右轉(zhuǎn)，當(dāng)inb和in4高電平時(shí)，電機(jī)2正轉(zhuǎn)船體左轉(zhuǎn)。電機(jī)3、4控制船體前進(jìn)后退。

3.3電源電路

水上移動(dòng)平臺(tái)需要用到3種不同的電壓，分別為7.6V、5V、3.3V。考慮到水上移動(dòng)平臺(tái)是以模型船為載體的，而模型船本身帶有7.6V可充電電源，所以只要在給移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)7.6V轉(zhuǎn)5V電源電路和5V轉(zhuǎn)3.3V電源電路就可以實(shí)現(xiàn)水上移動(dòng)平臺(tái)的供電要求了。

4 手持終端的設(shè)計(jì)

手持終端以STC89C52RC單片機(jī)為核心控制器，與NRF2401無線收發(fā)模塊相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收控制，P2口作為液晶顯示的數(shù)據(jù)端口。

4.1 LCD顯示模塊

液晶顯示器選用LCD12864點(diǎn)陣漢字圖形型藍(lán)屏液晶顯示模塊，顯示由水上平臺(tái)傳送過來的溫度值、PH值、渾濁度以及水質(zhì)電導(dǎo)率。LCD12864顯示模塊與控制器連接如圖3所示，單片機(jī)p1口分別與LCD數(shù)據(jù)端口DB相連，VO、VDD、VSS分別為亮度調(diào)節(jié)端口、電源正以及電源地接口，當(dāng)三者通過可變電阻鏈接時(shí)可以用于調(diào)節(jié)LCD顯示模塊的屏幕亮度。

4.2 NRF2401模塊

NRF2401芯片是一款通用的ISM頻段的單片機(jī)通訊芯片。NRF2401芯片可以通過SPI接口設(shè)置數(shù)據(jù)信號(hào)的輸出功率、頻道以及協(xié)議的設(shè)置，也可以進(jìn)行I/O口數(shù)據(jù)的普通傳送，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的通訊方式是I/O口普通通訊。單片機(jī)與NRF2401無線收發(fā)模塊電路連接圖如圖4所示。

5 結(jié)語

對(duì)于數(shù)據(jù)的無限發(fā)送與接收，NRF2401無線模塊的距離還是存在很大的局限性的，要是設(shè)計(jì)可以運(yùn)用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸以及控制方法比如運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)的PRS通信，GSM通訊等，那么水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將突破距離的限制。電腦已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的工具，當(dāng)小型監(jiān)測系統(tǒng)可以直接通過電腦控制，數(shù)據(jù)可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)，那么小型監(jiān)測系統(tǒng)的的硬件需求就會(huì)變得更簡潔，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)將更便捷，數(shù)據(jù)處理也將更多元化。處理好的數(shù)據(jù)也可以在互聯(lián)網(wǎng)中公布，從而讓更多人關(guān)注水質(zhì)問題，保護(hù)資源。

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