太陽(yáng)能凈水檢測(cè)裝置

韓劉遠(yuǎn)志　傅旭東　王標(biāo)　羅廣林

摘? 要：針對(duì)我國(guó)對(duì)野外低成本便攜凈水檢測(cè)裝置擁有較少研究的情況下，文章設(shè)計(jì)出一種基于太陽(yáng)能供電的凈水檢測(cè)裝置。該裝置利用雙陶瓷濾芯進(jìn)行物理過(guò)濾，紫外線殺菌消毒，可實(shí)現(xiàn)人類在野外環(huán)境下獲得純凈飲用水，檢測(cè)PH值、重金屬含量等多項(xiàng)指標(biāo)的功能。該裝置適用野外作業(yè)、災(zāi)害救援等多種環(huán)境，并且可利用太陽(yáng)能供電，符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保需求，擁有良好的經(jīng)濟(jì)效益與發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6單片機(jī);凈水檢測(cè);太陽(yáng)能;紫外線殺菌

中圖分類號(hào)：TM615? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0036-02

Abstract： In view of the situation that little research has been conducted on field low-cost portable water purification detecting device in China， this paper designed a solarpower water purification detection device using double ceramic filter for physical filtration， ultraviolet radiation sterilization， which can realize the function of obtaining pure drinking water in the field environment and detecting PH value， heavy metal content and so on. The device is suitable for field operation， disaster rescue and other environments， and can be powered by solar energy， which meets the current needs of energy saving and environmental protection， and has good economic benefits and development prospects.

Keywords： STM32F103ZET6 single chip microcomputer; water purification detection; solar energy; ultraviolet sterilization

假設(shè)災(zāi)害發(fā)生，供水系統(tǒng)面臨癱瘓，自然水資源無(wú)法及時(shí)凈化，此時(shí)一臺(tái)可凈水、過(guò)濾、檢測(cè)的水源處理設(shè)備就顯得十分重要。本裝置具有利用太陽(yáng)能循環(huán)供電，對(duì)自然界淡水過(guò)濾消毒殺菌，并實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示水質(zhì)質(zhì)量等功能，在災(zāi)害救援、單兵作戰(zhàn)、探險(xiǎn)等具有十分重大的意義。

1 研究?jī)?nèi)容

（1）實(shí)現(xiàn)檢測(cè)水源相關(guān)的數(shù)據(jù)功能，包括PH、渾濁度、有毒害物質(zhì)等參數(shù)。（2）實(shí)現(xiàn)紫外線照射殺菌功能，達(dá)到國(guó)家飲用標(biāo)準(zhǔn)。（3）實(shí)現(xiàn)采用太陽(yáng)能低功耗供電。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的總體方案劃分為凈水部分、水質(zhì)檢測(cè)部分和太陽(yáng)能供電部分三個(gè)部分，并由多個(gè)具體模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)方案框圖中各個(gè)模塊的功能大致如下：（1）單片機(jī)控制模塊：采集信息、數(shù)據(jù)處理協(xié)調(diào)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）蓄電池與太陽(yáng)能板：充當(dāng)裝置電源供電設(shè)備。（3）液晶顯示屏：直觀顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。（4）陶瓷濾芯過(guò)濾器：采用米格達(dá)思凈水過(guò)濾器[4]過(guò)濾水體。（5）紫外線消毒模塊：進(jìn)行水體滅菌處理。（6）PH值檢測(cè)電路：檢測(cè)水體酸堿度。（7）渾濁度檢測(cè)：檢測(cè)水體渾濁度。（8）重金屬檢測(cè)：確定水源重金屬是否超過(guò)飲用標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 紫外線消毒和檢測(cè)裝置模型設(shè)計(jì)

采用消毒和檢測(cè)一體化設(shè)計(jì)與漫涌沉浸式殺菌消毒，安全性較高。

2.2.2 裝置外殼模型設(shè)計(jì)

使用亞克力板制作而成，箱體底部增加了腳墊與內(nèi)隔板，增強(qiáng)裝置的穩(wěn)固性能和實(shí)用性。

2.2.3 太陽(yáng)能電池板安裝設(shè)計(jì)

供電來(lái)源[3]主要來(lái)自太陽(yáng)能電池板[2]和蓄電池，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高裝置續(xù)航能力。

2.3 電路設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。使用STM32F103ZET6單片機(jī)[1]。（2）采用4.0寸TFT液晶彩屏接口與J-LINK接口電路設(shè)計(jì)，采用J-LINK下載調(diào)試方式，設(shè)置上拉電阻，確?？刂菩盘?hào)的穩(wěn)定。（3）系統(tǒng)電源供電電路設(shè)計(jì)。采用DC插座，在電源接入端設(shè)置自熔斷保險(xiǎn)絲，防止因外部原因造成的電路毀壞。在LM7805輸入、輸出端加保護(hù)二極管，防止電路中返向回流的電流擊壞穩(wěn)壓管。增加濾波電容，保證電源穩(wěn)定高效供電。（4）PH值檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)。PH檢測(cè)電路搭配北京雷磁PH檢測(cè)探頭。模塊中增加了溫度補(bǔ)償電路，校準(zhǔn)溫度帶來(lái)的誤差。電路圖如圖1所示。（5）電池板充電控制電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能電池板的充電由系統(tǒng)閉環(huán)控制，二極管這時(shí)起導(dǎo)流的作用，從而保護(hù)三極管。在電源接入端增加一個(gè)傾倒掉電開(kāi)關(guān)，防止電源與充電系統(tǒng)受外部破壞?？刂齐娐啡鐖D2所示。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

（1）各模塊監(jiān)測(cè)程序的設(shè)計(jì)。先對(duì)ADC進(jìn)行初始化，包括對(duì)ADC引腳配置和ADC模式配置，配置完成后啟動(dòng)測(cè)量。（2）紫外線控制模式程序的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中紫外線燈管占據(jù)主要的功率消耗，因此需合理把控紫外線燈管的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果驗(yàn)證

3.1 硬件調(diào)試

將電路劃分模塊，分步檢查。

（1）電源板輸出檢查。用萬(wàn)用表對(duì)各焊點(diǎn)檢測(cè)，確認(rèn)沒(méi)有線路短路、虛焊情況。（2）主控板的調(diào)試。短路測(cè)試，穩(wěn)壓芯片輸出測(cè)試，連接PC進(jìn)行程序下載測(cè)試。

3.2 軟件調(diào)試

對(duì)系統(tǒng)各部分功能的編程測(cè)試，以及PH值、渾濁度的標(biāo)定。

酸度影響模塊電壓。三種標(biāo)準(zhǔn)PH質(zhì)溶液，與模塊對(duì)應(yīng)輸出電壓及計(jì)算結(jié)果如下表1。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是對(duì)太陽(yáng)能戶外凈水檢測(cè)裝置的一個(gè)探索。利用太陽(yáng)能電池板結(jié)合蓄電池供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾后的水進(jìn)行紫外線殺菌消毒，PH值、渾濁度的檢測(cè)。檢測(cè)部分自動(dòng)實(shí)現(xiàn)消毒、檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果。裝置的凈水過(guò)濾器和檢測(cè)裝置可以單獨(dú)使用的，實(shí)用性較強(qiáng)。太陽(yáng)能電池板設(shè)置在裝置箱體頂面，既可有效接收太陽(yáng)光照射，又能節(jié)省裝置空間。本裝置成本較低，可滿足廣大群體;便攜易帶，滿足野外、戶外等需求。希望本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有利于國(guó)內(nèi)便攜式太能凈水檢測(cè)裝置的探索與研發(fā)。

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