水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

吳鵬 汪善盛

摘 ?要： 擬設(shè)計一款水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，用于對水體多個參數(shù)進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)采用STM32控制器為核處理器，通過控制ADS1256分別對水體溫度、電導率和pH值三個參量進行數(shù)據(jù)采集，并設(shè)有過壓量程自動轉(zhuǎn)化電路，提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性。水體參量測量數(shù)據(jù)可存儲于本地鐵電存儲器中，并同時通過串口實時傳輸?shù)缴衔粰C，通過LabVIEW進行串口數(shù)據(jù)接收和顯示，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可直觀實時顯示當前測量參數(shù)的曲線變化及實時數(shù)值大小，有較強的人機交互功能，能應用于水質(zhì)監(jiān)測等環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： STM32控制器; 電路設(shè)計; 軟件設(shè)計; 性能測試; LabVIEW; 水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號： TN98?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0122?05

Study on water quality monitoring system

WU Peng1， 2， 3， WANG Shansheng3

（1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy， Institute of Seismology， China Earthquake Administration， Wuhan 430071， China;

2. Hubei Subsurface Multi?scale Imaging Key Laboratory， Institute of Geophysics and Geomatics， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China;

3. Wuhan Institute of Seismologic Instrument Co.， Ltd.， Xianning 437000， China）

Abstract： A water quality monitoring system is designed to monitor several parameters in real time. The STM32 controller is used as the core processor of the system. The data of water temperature， conductivity and PH value is collected by controlling ADS1256， and the automatic conversion circuit of overvoltage range is set to improve the stability and reliability of data acquisition. The measured data of water body parameters can be stored in the local electric storage， transmitted to the upper computer through serial port in real time， and received and displayed through LabVIEW. The whole system works stably and reliably. The curve changes of current measurement parameters and real?time numerical value can be displayed directly and in real time. The system has strong man?machine interaction function， and can be used in the field of environmental monitoring such as water quality monitoring.

Keywords： STM32 controller; circuit design; software design; performance test; LabVIEW; water quality monitoring

0 ?引 ?言

隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人們生活水平的提高，對水質(zhì)量的要求也越來越高。但因水土流失、水源污染等因素的影響，地表水成分逐漸趨于復雜，有機成分增多，飲用水處理難度增大。由于水體受到污染，導致水體富營養(yǎng)化，對日常飲用水帶來了極大的危害，嚴重影響著人群健康水平。因此，水質(zhì)監(jiān)測顯得尤為重要。

水質(zhì)監(jiān)測可以監(jiān)視和測定水體中污染物的種類以及各類污染物的濃度和變化趨勢，其監(jiān)測范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水（江、河、湖、海和地下水）及各種各樣的工業(yè)排水等。目前，主要反映水質(zhì)狀況的綜合指標有溫度、pH值、懸浮物、溶解氧、電導率等。水質(zhì)監(jiān)測可以為環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)和分析資料，可以為評價江河和海洋水質(zhì)狀況提供依據(jù)[1]。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要分為信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集通信部分。

整個系統(tǒng)的工作原理為：STM32控制器通過I2C接口控制ADS1256進行電導率、溫度和pH值的測量，與此同時會通過自動量程轉(zhuǎn)換電路對電導率測量值進行自動量程判斷和切換，監(jiān)測數(shù)據(jù)會依次存儲于鐵電存儲器中[2]，STM32會通過網(wǎng)絡(luò)模塊將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端服務(wù)器，用戶可通過客戶端Web瀏覽器進行參數(shù)查詢及數(shù)值下載。

圖1 ?水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案框圖

2 ?硬件電路設(shè)計

2.1 ?電導率測量及自動量程轉(zhuǎn)化電路

一般來說，電阻的測量方法都可以采用電導率測量來實現(xiàn)。通過直接測量法能簡單直接進行電導率的測量[3]，其測量電路如圖2所示。

圖2 ?電導率測量電路

采用高精度電壓基準芯片ADR4533作為電導液池的激勵電壓，分別通過高精度運放OPA2211來實現(xiàn)電壓分壓，產(chǎn)生1 V的激勵電壓。

如圖3所示，測量電路的放大倍數(shù)[Av=-RfRx]，因此，為了滿足AD1256的測量范圍，將整個測量電路的測量電壓最大值控制在2 V以內(nèi)才能保證所測結(jié)果的有效性，由于設(shè)定激勵電壓為1 V，根據(jù)放大倍數(shù)[Av]選擇為1屬于合理值。

根據(jù)經(jīng)驗，從理論純水（0.548 ?S/cm）到電導率很大的海水（30 000 ?S/cm），對應的測量電極的電阻變化范圍從Ω級到MΩ級。因此，擬將整個電路放大倍數(shù)進行檔位劃分，分為四個檔位，電路如圖4所示。通過選用具有三組單刀雙擲的模擬開關(guān)來實現(xiàn)四個檔位[Rf]切換的功能。依據(jù)CD4052的增值表，當CTR0，CTR1分別為0，0時，[X]與[X0]導通，電阻[R1]接入回路;當CTR0，CTR1分別為1，0時，[X]與[X1]導通，電阻[R2]接入回路;當CTR0，CTR1分別為0，1時，[X]與[X2]導通，電阻[R3]接入回路;當CTR0，CTR1分別為1，1時，[X]與[X3]導通，電阻[R4]接入回路。其中，依次選擇[R1]，[R2]，[R3]，[R4]（其分別用于等效為[Rf]）分別為10，100，1 000，10 000的[110 000]精密電阻。分別用于對應所測溶液電阻檔位：第一檔（10～100），第二檔（100～1 000），第三檔（1 000～10 000），第四檔（大于10 000）。

圖3 ?激勵電壓產(chǎn)生電路

圖4 ?自動量程轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 ?溫度測量模塊

本文采用PT100鉑電阻進行溫度測量，通過四線測量法來實現(xiàn)[5]。具體測量電路如圖5所示，選擇MAX6126作為電壓基準源，提供[Vref=]2.5 V的基準電壓，其精度可達正負0.02%，溫度系數(shù)為3 ppm/℃，1.3 μVp?p的超低噪聲。

圖5 ?恒流源溫度測量模塊

2.3 ?pH值測量模塊

工業(yè)型pH計主要要求有較高的穩(wěn)定性、精度適中、專用性強，一般要求實現(xiàn)自動溫度補償，并且儀器應能輸出標準電壓或電流信號。pH值的測定采用電位測定法，輸出電壓[E]是pH的函數(shù)：

系統(tǒng)選用的BNT7120型pH傳感器，其測量范圍為0～14，溫度測量范圍為0～80 ℃，零電位pH=7.00，精度可達0.1。測量電路如圖6所示，采用儀表運放IN128來實現(xiàn)，設(shè)置放大倍數(shù)為[Av=1+50KR3=3]，通過滑動變阻器調(diào)整其基準零位和輸入負端零位。在上述計算公式中，溫度值[T]則通過系統(tǒng)溫度測量電路來提供。

圖6 ?pH值測量電路

2.4 ?數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)控制器選擇STM32F101RBT6來實現(xiàn)，分別用于數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)存儲電路。其中：采用24位A/D采集芯片ADS1256進行實時多路信號數(shù)據(jù)采集;選擇MAX6126作為基準電壓芯片，為A/D提供2.5 V的基準電壓;同時，選擇3.3 V供電的鐵電存儲器FM25L256作為數(shù)據(jù)存儲，最多可實現(xiàn)存儲256 KB的數(shù)據(jù)量，按照每分鐘可分別存儲一個溫度、pH值和電導率的數(shù)據(jù)來計算，每個數(shù)據(jù)占有8 B，則1 h數(shù)據(jù)量可達1 440 B，因此，該容量足夠?qū)崿F(xiàn)3天的數(shù)據(jù)備份應用[9]。

3 ?系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機軟件采用圖形化編程語言LabVIEW實現(xiàn)，其具有開發(fā)周期短、移植性強和穩(wěn)定性高等特點，根據(jù)需要可調(diào)取相應的功能VI子模塊進行編程，省去了底層開發(fā)周期和繁冗的編程過程。上位機軟件的核心部分是與下位機進行串口通信程序，通過調(diào)用VISA串口VI讀取下位機測量數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換[10]。

LabVIEW的串口程序采用狀態(tài)機來實現(xiàn)，狀態(tài)機的狀態(tài)共分為四種：Initialize（默認）狀態(tài)、receive狀態(tài)、sum狀態(tài)和stop狀態(tài)。

如圖7所示，在while循環(huán)結(jié)構(gòu)中設(shè)置2個移位寄存器，分別用于狀態(tài)機的不同狀態(tài)切換和進行接收數(shù)據(jù)緩存。在Initialize（默認）狀態(tài)，對數(shù)據(jù)緩存移位寄存器進行清零初始化操作，并通過讀取串口緩沖區(qū)的屬性節(jié)點判斷其是否為空。如果是空，則返回Initialize（默認）狀態(tài)繼續(xù)等待;如果不為空，則進入receive狀態(tài)進行數(shù)據(jù)接收。

圖7 ?Initialize（默認）狀態(tài)

如圖8所示，在receive狀態(tài)，通過調(diào)用VISA的子模塊VI對串口緩沖區(qū)的屬性節(jié)點進行字節(jié)讀取，每次讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，讀取的字節(jié)數(shù)據(jù)以字符串的數(shù)據(jù)格式存儲在移位寄存器中，結(jié)束符字節(jié)為十六進制AA。判斷寄存器的數(shù)據(jù)個數(shù)是否大于等于3個字節(jié)，是，則進入sum狀態(tài);否，則對當前所接收到的字節(jié)與AA進行比較，若當前接收的數(shù)據(jù)與AA相同，則跳轉(zhuǎn)到Initialize（默認）狀態(tài)，若不同，則繼續(xù)進行數(shù)據(jù)接收。

如圖9所示，在sum狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將字符串類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進制二維數(shù)組，并通過索引數(shù)組進行字節(jié)從低位到高位依次讀取操作。當該狀態(tài)完畢后，如圖10所示，狀態(tài)機進入stop狀態(tài)，至此，整個狀態(tài)機的一個循環(huán)動作執(zhí)行完畢。

圖8 ?receive狀態(tài)

圖9 ?sum狀態(tài)

圖10 ?stop狀態(tài)

4 ?系統(tǒng)整機性能測試

4.1 ?溫度測試

采用恒溫水槽、高精度FLUKE溫度計分別進行溫度準確控制和標定測試。溫度測量擬設(shè)置15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃，50 ℃等幾個點進行標定測試。調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度控制在25 ℃左右，分別設(shè)定恒溫水槽控制溫度，并利用標準溫度計進行比對，以標準溫度計為準，精確讀數(shù)到1%。采取當溫度穩(wěn)定到0.5 h，1 h和1.5 h分別進行讀數(shù)，如表1所示。

表1 ?溫度測試數(shù)據(jù)

4.2 ?pH值測試

采用HI223A高精度實驗室pH測定儀進行標定測試。采用醋酸和純堿配置溶液進行結(jié)果測試，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 ?pH值測試數(shù)據(jù)

4.3 ?電導率測試

電導率測試選擇含磷化肥作為實驗對象，采用型號為DDB?303A的便攜式電導率儀作為標定設(shè)備，通過每次截取定量的肥料溶解于準備好的裝有純凈水的200 mL玻璃杯中，每次標定比測完畢后，將再次增加之前設(shè)定量的肥料，一共測試4次，測試比對結(jié)果如表3所示。

表3 ?電導率測試數(shù)據(jù)

5 ?結(jié) ?論

本文儀器采用STM32控制器與ADS1256進行溫度、pH值和電導率的實時監(jiān)測，通過串口與上位機LabVIEW進行數(shù)據(jù)通信和顯示。經(jīng)過對比實驗，系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定可靠，可應用于水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域。

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