基于單片機的智能水質檢測系統(tǒng)設計

劉 碩

（江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引 言

隨著世界現(xiàn)代化經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題逐漸惡化，其中水資源的處理更是成為了環(huán)境問題中的重要一項。水資源在人類生存發(fā)展過程中起著至關重要的作用，不論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是人們的日常生活都離不開水資源，尤其水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對水質有著更為苛刻的要求。但目前水質檢測大多仍依靠傳統(tǒng)的化學滴定方法完成，而該方法精度較低且操作復雜，因此設計一套智能自動化水質檢測系統(tǒng)尤為重要[1]。

水質檢測需結合控制技術、通信技術、傳感器技術等，采用多種傳感器才能獲取pH值、氨氮值、重金屬含量等重要的水質數(shù)據(jù)。文中基于便捷性、準確性等因素，借助單片機嵌入式微處理器與通信技術設計了一款智能水質檢測系統(tǒng)，通過上位機進行實時水質檢測，從而提高水質檢測的自動化水平與檢測效率[2]。

1 智能水質檢測系統(tǒng)整體設計

智能水質檢測系統(tǒng)主要以STM32單片機為系統(tǒng)的主控核心，通過與通信模塊、水質傳感器等的有效結合，組成了一套智能化水質檢測系統(tǒng)。STM32單片機作為主控單元，需要不斷對各類傳感器進行A/D采樣，并將采集的數(shù)據(jù)進行濾波、轉換等處理，之后再通過無線通信模塊將采集的水質數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，便于工作人員實時掌握當前水域的水質情況[3]。若當前水質變化情況較大或者某一指標超標，可通過上位機及時傳遞報警信息。智能水質檢測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智能水質檢測系統(tǒng)框架

智能水質檢測系統(tǒng)主要分為兩部分。第一部分主要通過A/D模塊采集多個水質傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機進行相應的數(shù)據(jù)處理，之后將輸出結果傳輸給顯示屏進行顯示；第二部分主要采用無線通信方式將檢測結果上傳給上位機，經(jīng)處理后將數(shù)據(jù)顯示在上位機界面，同時判斷水質質量，并繪制水質變化圖。若水質某項指標超過閾值則會通過上位機顯示。

2 智能水質檢測系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片

STM32F407系列芯片的工作頻率為168 MHz，通信接口為15個（包括USART、SPI、I2C、CAN、SDIO），含有2個12位DAC和3個12位ADC，以及17個定時器，是一款極具性價比的高性能微處理器。

水質檢測需要檢測多項水質內容，因此水質檢測對單片機運行速度要求較高。為保證數(shù)據(jù)采集的效率，文中選擇STM32F407ZET6作為智能水質檢測系統(tǒng)的主控芯片，實物如圖2所示。

圖2 STM32F407ZET6芯片

2.2 水濁度傳感器

通常，水中含有懸浮物和膠體物，例如無機物、土壤、浮游生物等，這些物質會使水變得渾濁，影響溶質分子對光的吸收以及懸浮物對光的散射[4]。散射光和透射光之比與濁度呈線性關系。當光通過時，對于一定量的水，水污染越嚴重，則透射的光越少。光接收端將光強度轉換成相應的電流，透射的光越多，電流就越大，反之電流越小。通過在接收端測量電流即可計算出水域的污染程度。濁度傳感器由IR958和PT958封裝的紅外對管組成，實物如圖3所示。

圖3 濁度傳感器

2.3 pH傳感器

溶液中氫離子的總數(shù)同總物質的量的比值即為pH值。為了能夠對pH值進行較為精準、快速的測定[5]，本文選取了如圖4所示的具有效率高、無污染、數(shù)字化等特點的pH傳感器。

圖4 pH傳感器

pH傳感器的測量原理可理解為原電池系統(tǒng)，使化學能轉換為電能，電池的端電壓被稱為電極電位；電位由2個半電池構成，其中一個稱為測量電極，測量時被測溶液與緩沖溶液中的氫離子相互交換產(chǎn)生電勢差，從而得到pH值。

2.4 溶解氧傳感器

溶解氧的含量與水的溫度和空氣中氧的分壓密切相關。作為衡量水體自凈能力的指標，溶解氧的含量也是影響水生物生存的重要因素。消耗水中的溶解氧，若水體花費較短時間便恢復至初始狀態(tài)，表明水體具有很強的自凈能力，或者水體污染不嚴重，否則，意味著水體被嚴重污染，自凈能力較弱，甚至喪失了自凈能力[6]。

溶解氧傳感器基于水中氧氣的氧化還原反應將化學變化轉化為電能變化，以此測量水中的含氧量。含氧量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機采集后，通過無線通信模塊上傳至上位機并顯示[7]。

2.5 氨氮傳感器

氨氮作為水中的營養(yǎng)元素，如果含量過高會致使水體富營養(yǎng)化，對魚類及某些水生生物有毒害，因此及時測量出水體中的氨氮含量尤為重要。氨氮傳感器可將氨氮含量轉化為電信號，并可將電信號放大后通過串口發(fā)送到單片機進行處理[8]。

2.6 其他水質傳感器

除常規(guī)的pH值、水濁度、化學需氧量等參數(shù)外，綜合水質檢測還包括總磷、硫化物、重金屬等內容。為提高設備的便捷性，本系統(tǒng)只將常規(guī)的傳感器設計在系統(tǒng)中，如若需要測量某一特殊物質的含量，可通過單片機的預留接口增加測量種類，使用方便。

3 水質檢測軟件設計

通過傳感器采集水體中的pH值、水濁度、含氧值等主要水質信息后，借助無線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳到基于LabVIEW開發(fā)的上位機（通過電腦串口接收數(shù)據(jù)）[9]。在智能水質檢測系統(tǒng)中，上位機可以顯示水體當前pH值、水濁度、含氧值等信息，也可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進行相關處理，并判斷水質情況，如是否超出測量范圍等。上位機還可以將一段時間內測量的數(shù)據(jù)繪制成以時間為橫坐標的相關水質參數(shù)變化曲線圖，為工作人員提供實時的水質信息參考，提高工作人員的測量效率。水質檢測系統(tǒng)上位機界面如圖5所示。

圖5 水質檢測系統(tǒng)上位機界面

4 結 語

隨著水質資源形勢的不斷惡化，人們對水資源的保護意識逐漸增強。文中利用單片機微控制處理器設計的智能水質檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種水質參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理，以及數(shù)據(jù)顯示、繪圖、報警等功能，不僅提高了水質檢測的自動化程度，還提高了水質檢測的效率與準確性。