便攜式水質(zhì)H值檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方燕++黃恒英++廖慧芬

摘 要水環(huán)境污染已經(jīng)成為中國環(huán)境污染面臨的首要問題。治理中國水環(huán)境污染成為當(dāng)務(wù)之急，水質(zhì)監(jiān)測(cè)也已經(jīng)成為治理水環(huán)境污染的熱門話題。所以，研制一款帶靈活數(shù)據(jù)傳輸接口的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，具有十分重要的意義。“基于GPRS的便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀”采用單片機(jī)技術(shù)，無線傳輸技術(shù)研制的一款基于GPRS的無線PH值監(jiān)測(cè)儀，主要用于環(huán)境PH值等在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)環(huán)境水質(zhì)無線采集和監(jiān)測(cè)。不同于市場(chǎng)上的PH值測(cè)試儀，該儀器主要有便攜，無線傳輸，監(jiān)測(cè)精度比傳統(tǒng)方法高，監(jiān)測(cè)速度快，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用pH復(fù)合電極測(cè)量水樣的pH值。分析傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)溫度補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)PH數(shù)值軟件補(bǔ)償。通過GPRS無線收發(fā)數(shù)據(jù)與命令，實(shí)時(shí)采集PH值，記錄采集時(shí)間。采集點(diǎn)，PH數(shù)值，采集時(shí)間記錄并儲(chǔ)存在控制終端。

【關(guān)鍵詞】PH GPRS無線傳輸 檢測(cè)儀

“五水共治”是浙江省委、省政府貫徹落實(shí)黨的十八大、十八屆三中全會(huì)精神，推進(jìn)新一輪改革發(fā)展，再創(chuàng)浙江發(fā)展新優(yōu)勢(shì)，為建設(shè)美麗浙江，浙江省委、省政府將“排澇水、治污水、保供水、防洪水、抓節(jié)水”作為全面深化改革的重要內(nèi)容和需重點(diǎn)突破的改革項(xiàng)目。黨的十八大明確指出，要可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從地下水到飲水水庫，再到江河湖泊等，對(duì)水質(zhì)污染源頭進(jìn)行系統(tǒng)記錄、追蹤、識(shí)別和監(jiān)測(cè)，使水質(zhì)污染的每一個(gè)環(huán)節(jié)均可查詢、可溯源、可追責(zé)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該裝置為采用單片機(jī)技術(shù)，無線傳輸技術(shù)研制的一款基于GPRS的無線PH值監(jiān)測(cè)器。主要用于環(huán)境PH值等在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)環(huán)境水質(zhì)PH值無線采集和監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)將在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示裝置和PH值檢測(cè)裝置結(jié)合在一起，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)嵌入段式液晶顯示終端，進(jìn)行PH值檢測(cè)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)。通過主控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PH數(shù)據(jù)信息。

本裝置的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1.1 便攜

能夠做到電池供電，及時(shí)監(jiān)測(cè)，并上傳到監(jiān)控中心。

1.2 無線傳輸

系統(tǒng)帶有GPRS無線傳輸模塊，可以將監(jiān)測(cè)的結(jié)果及時(shí)發(fā)送給遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，大大方便了監(jiān)測(cè)員統(tǒng)計(jì)和記錄。

1.3 監(jiān)測(cè)精度比傳統(tǒng)方法高

傳統(tǒng)試紙監(jiān)測(cè)方法精度最多在0.1， 本儀器監(jiān)測(cè)精度在0.02個(gè)PH之內(nèi)。

1.4 監(jiān)測(cè)速度快

利用軟件優(yōu)化誤差算法，提高監(jiān)測(cè)速度。監(jiān)測(cè)時(shí)間在1分鐘之內(nèi)。

1.5 低功耗

采用低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)，兩分鐘內(nèi)不工作時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。工作電流控制在10mA之內(nèi)。系統(tǒng)采用4節(jié)普通干電池供電（電量200毫安時(shí)），如果每天使用一次，可以保證用半年以上。該P(yáng)H監(jiān)測(cè)器，方便監(jiān)測(cè)各種液體的PH值，可以應(yīng)用在印染行業(yè)、電力設(shè)備行業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、水處理行業(yè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等多種場(chǎng)合。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件部分

整個(gè)系統(tǒng)按照模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要分為電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、PH電極信號(hào)調(diào)理及PH值采集部分、GPRS模塊，如圖2所示。

電源模塊：本著便于攜帶的原則，采用電池供電，系統(tǒng)采用3.3V低電壓供電，采用低壓精密穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3實(shí)現(xiàn)。該芯片具有0.04%的線路調(diào)整率和0.2的負(fù)載調(diào)準(zhǔn)率，保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定及精確，提高了整個(gè)系統(tǒng)的精度，同時(shí)1A的最大電流輸出也滿足了系統(tǒng)的功率要求。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)：設(shè)計(jì)采用STM8L152單片機(jī)。STM8L152是一款8位超低耗的單片機(jī)，其工作電壓在1.65～3.6V低電壓，具有哈佛結(jié)構(gòu)和三級(jí)流水線，擁有5個(gè)低功耗模式，低功耗運(yùn)行模式，功耗值小于6uA，低功耗等待模式，功耗值小于5uA，活躍停機(jī)模式和停機(jī)模式等，從停止模式轉(zhuǎn)換到工作模式，僅用4.7uS。

LCD模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：由于STM8L152單片機(jī)自帶了段式液晶屏驅(qū)動(dòng)部件，可以驅(qū)動(dòng)特定的8段液晶屏。為了提高轉(zhuǎn)換精度和效率，選用了自校準(zhǔn)的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS100。它采用差分輸入，可編程增益放大器和可編程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)具有高精度轉(zhuǎn)換位數(shù)和高效率的轉(zhuǎn)換速度。工作電壓為3.3V，工作電流只有90uA，符合系統(tǒng)低功耗要求。

GPSR模塊：采用SIM900A模塊，體積小巧，供電電壓3.2～4.8V，滿足了系統(tǒng)的需求，并且利用SIM卡來傳遞信息，在SLEEP模式下耗電為1mA。同時(shí)可以向客戶端傳遞數(shù)據(jù)和客戶端想模塊發(fā)送指令。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

PH信號(hào)調(diào)理和PH值采集電路：采用的是電位法測(cè)量PH值，通過測(cè)量電極的電勢(shì)以及溶液的溫度，但是電極的內(nèi)阻很大，需要一個(gè)高阻抗的的放大器與之匹配。

采用杭州米科公司的PH復(fù)合電極，該復(fù)合電極把PH和溫度2和1組合在一起，大大的便利了便捷式的測(cè)量PH值的設(shè)計(jì)，該復(fù)合電極測(cè)量的PH值范圍是0～14PH，溫度范圍是0～100℃，內(nèi)阻小于等于250MΩ。設(shè)計(jì)了一個(gè)高阻抗的放大器與該復(fù)合電極匹配，通過連接數(shù)模轉(zhuǎn)換，把電勢(shì)值轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，之后再經(jīng)過程序優(yōu)化。

3 軟件部分

3.1 電位法PH計(jì)的原理

3.1.1 PH值公式的推導(dǎo)

測(cè)量溶液的PH值，也就是測(cè)量溶液中H+的濃度，那么就需要一個(gè)能夠反映溶液中的H+濃度的變化的指示電極。設(shè)計(jì)采用復(fù)合電極由兩部分組成，參比電極和測(cè)量電極，參比電極由AgCl溶液中的Ag絲組成，測(cè)量電極由對(duì)PH值反應(yīng)靈敏的玻璃探頭組成。測(cè)量時(shí)兩根電極在待測(cè)溶液內(nèi)部形成原電池，其中測(cè)量電極的電位會(huì)隨著溶液中H+濃度的變化而變化，參比電極的電位保持不變，不受待測(cè)溶液的影響。這樣兩電極形成的電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著溶液中離子濃度的變化而發(fā)生變化，測(cè)量該電勢(shì)，即可得到待測(cè)溶液的離子濃度，再通過算法可推算出該溶液的PH值。

復(fù)合電極電位與水中H+濃度滿足能斯特公式，即endprint

（1）

式中：

E——測(cè)量電極電位

E0——參比電極電位

R——?dú)怏w常數(shù)8.314J/（mol·K）

T——熱力學(xué)溫度（K）

F——法拉第常數(shù)96485.3383C/mol

為了簡便計(jì)算PH值，令為PH待測(cè)，為PH標(biāo)準(zhǔn)得出以下公式

（2）

由公式（2）可以看出來，在溫度T不變的情況下，溶液中PH值與測(cè)量電極電勢(shì)成線性關(guān)系。在標(biāo)準(zhǔn)PH值為7時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為0mV，可以根據(jù)公式2算出待測(cè)溶液的PH值。

3.1.2 溫度的補(bǔ)償及誤差補(bǔ)償

將PH值傳感器輸出電壓作為因變量所測(cè)溶液溫度和PH值作為自變量，采用控制變量法，根據(jù)實(shí)際情況，選取0～100℃相間隔10℃，然后分別測(cè)量不同溫度下不同PH值對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓，此電壓為經(jīng)過濾波后得到的值。根據(jù)得到的值，采用MATLAB并且根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)擬合得出經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的PH值計(jì)算公式為：

（3）

3.2 程序設(shè)計(jì)

儀器的測(cè)量控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)圍繞主要測(cè)試功能來實(shí)現(xiàn)，主要分成四個(gè)部分：

（1）硬件的初始化，負(fù)責(zé)控制單片機(jī)、LCD顯示屏和GPRS模塊的初始化；

（2）測(cè)量模塊，負(fù)責(zé)復(fù)合電極的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)的把數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)；

（3）顯示和無線傳輸，負(fù)責(zé)LCD顯示屏顯示實(shí)時(shí)的PH值和傳輸實(shí)時(shí)的測(cè)量PH值。其主要程序流程圖如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在常溫下對(duì)設(shè)計(jì)的便攜式PH計(jì)進(jìn)行對(duì)比，分別從LCD顯示屏和PC端讀取PH值，與上海儀電生產(chǎn)的分別率為0.01PH的PHS—3C型PH計(jì)測(cè)量的PH值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的便攜式無線傳輸?shù)腜H計(jì)從便攜式、低功耗、高精度、檢測(cè)速度快、具有無線傳輸?shù)墓δ艹霭l(fā)，在采用復(fù)合電極的電位法測(cè)量PH值，設(shè)計(jì)了可行的方案，在程序里面加入了對(duì)溫度的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器的工作性能穩(wěn)定，檢測(cè)速度快，精確度達(dá)到了±0.02，并且具有了無線傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)了最初設(shè)計(jì)該儀器的初衷。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

浙江水利水電學(xué)院 浙江省杭州市 310018endprint