《電子技術(shù)應(yīng)用》
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河流水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
張秀再1,2,,陳彭鑫1,,張光宇1,吳華娟1,,趙益波1,2
1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,,江蘇 南京210044,; 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210044
摘要: 設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)和無(wú)線通信技術(shù)的新型高精度河流水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反映河流水質(zhì)的重要指標(biāo)——溫度和pH值,,并通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送給監(jiān)控部門。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電,,并提供雙極性傳感器同軸接口,,可按需求更換其他水質(zhì)傳感器,從而便于實(shí)現(xiàn)河流水質(zhì)全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。該系統(tǒng)還具有時(shí)間,、溫度顯示和報(bào)警等附加功能,也可以用于江湖,、水庫(kù)等其他水體水質(zhì)的監(jiān)測(cè),,具有一定的實(shí)用意義。
中圖分類號(hào): TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)02-0082-04
The real-time monitoring system of river water quality
Zhang Xiuzai1,,2,,Chen Pengxin1,Zhang Guangyu1,,Wu Huajuan1,,Zhao Yibo1,2
1.School of Electronic & Information Engineering,,Nanjing University of Information Science & Technology,,Nanjing 210044,China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET),,Nanjing 210044,,China
Abstract: The paper describes the design of a new river water quality real time detection system with high accuracy, which is based on MSP430F149 and wireless communication technology. The system can detect the temperature and pH value of a river in real time and send the value to monitoring department by wireless module. The system is powered by solar energy and a bipolar sensor coaxial interface is offered in order to replace pH sensor with another water quality sensor according to demand, so that the implementation of river water quality automatic monitoring is facilitated. The system can also be used for the quality monitoring of lakes, reservoirs and other water body with the additional functions of alarm, time-telling and temperature-telling, which all make the system have certain practical significance.
Key words : water quality monitoring;temperature sensor,;pH sensor,;temperature compensation;wireless communication

  

0 引言

  水資源是人類生產(chǎn)生活的重要資源,。目前,,生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,水體污染嚴(yán)重,,水資源的保護(hù)和水污染的治理成為現(xiàn)代社會(huì)最關(guān)注的問(wèn)題之一,。目前全國(guó)多數(shù)城市地表水受到一定程度的點(diǎn)狀或面狀污染,且有逐年加重的趨勢(shì),。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能,,進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾,還對(duì)我國(guó)正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來(lái)嚴(yán)重影響[1-3],。另外,,隨著河流水質(zhì)的不斷惡化,嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,,影響了糧食和其他農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[4],。因此,環(huán)保部門實(shí)時(shí),、有效和方便地對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得十分必要,。

  本文設(shè)計(jì)并制作了基于單片機(jī)和無(wú)線傳輸技術(shù)的河流水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430F149低功耗單片機(jī)[5-6]為核心,,通過(guò)24位模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793對(duì)雙極性pH傳感器溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行采集,,由單片機(jī)控制無(wú)線模塊發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所得并進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的pH值。所設(shè)計(jì)系統(tǒng),、裝置便于實(shí)現(xiàn)對(duì)河流水質(zhì)的監(jiān)測(cè),,并采用太陽(yáng)能電池供電。與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法相比,,本系統(tǒng)具有檢測(cè)數(shù)據(jù)精度高,、傳感器可靈活更換、節(jié)能,、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和無(wú)線通信等特點(diǎn),。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


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  河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,包括以下幾個(gè)部分:(1)傳感器模塊,。由pH傳感器和溫度傳感器將河水的pH值和水溫值轉(zhuǎn)換為電信號(hào),。(2)調(diào)理電路模塊,。調(diào)理電路將電信號(hào)處理為單片機(jī)所能接收的電壓信號(hào),并送至A/D轉(zhuǎn)換電路,。(3)A/D模塊,。A/D轉(zhuǎn)換電路利用24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)高精度地轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓量,并送至單片機(jī)處理,。(4)控制模塊,。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫度值對(duì)所測(cè)pH值進(jìn)行溫度補(bǔ)償和軟件校準(zhǔn),最終得到準(zhǔn)確的pH值,,并將此 pH值通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至上位機(jī),。(6)其他功能模塊。報(bào)警模塊根據(jù)按鍵輸入pH報(bào)警閾值,,判斷當(dāng)前pH值,,若超過(guò)此閾值,則啟動(dòng)報(bào)警模塊,;太陽(yáng)能供電模塊帶有電池監(jiān)測(cè)功能,,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池的剩余電量,若剩余電量過(guò)少,,則自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能工作模式,;顯示模塊由LCD顯示當(dāng)前溫度和pH值、報(bào)警閾值,、當(dāng)前日期和時(shí)間等信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  2.1 傳感器

  2.1.1 pH傳感器

  E-201-C型pH傳感器測(cè)液部分為玻璃復(fù)合電極,,在測(cè)量溶液的酸堿度時(shí),,當(dāng)被測(cè)溶液的氫離子濃度發(fā)生變化,玻璃電極與參比電極之間的電動(dòng)勢(shì)也隨之發(fā)生變化,。通過(guò)調(diào)配不同酸堿度的溶液,,室溫(25 ℃)條件下用某型pH計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)電極電壓與pH值近似成線性關(guān)系,并根據(jù)能斯特方程[7],,利用MATLAB將所測(cè)樣本點(diǎn)擬合成一次線性函數(shù),。

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  MATLAB將26個(gè)實(shí)測(cè)的樣本點(diǎn)與擬合的函數(shù)多項(xiàng)式關(guān)系圖如圖2所示。由圖2可知,,傳感器所輸出的電信號(hào)與所測(cè)溶液的pH值近似成線性關(guān)系,。由MATLAB將26個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行擬合得到的一次線性函數(shù)為:

  V=391.6-58.12×pH0  (mV)(1)

  后級(jí)調(diào)理電路將傳感器電量放大2倍并加上1.2 V的偏置后,得到V-pH關(guān)系式為:

  V=1.983 2-0.116 24×pH0  (V)(2)

  2.1.2 溫度傳感器

  兩線PT100鉑電阻溫度傳感器[8]是一種以白金(Pt)制作成的電阻式溫度傳感器,屬于正電阻系數(shù),其電阻和溫度變化的關(guān)系式R=Ro(1+αT),,理論上α=0.003 92,,Ro為100 Ω(在0 ℃的電阻值),T為攝氏溫度,。經(jīng)測(cè)量的電阻實(shí)測(cè)值與理論值存在略微偏移,,故根據(jù)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)修正的關(guān)系式為:

  R=100(1+0.003 92T-4.74×10-7)  (Ω)(3)

  2.2 pH調(diào)理電路


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  由于E-201-C型pH傳感器的輸出電量為-400 mV~400 mV范圍內(nèi)的雙極性電壓信號(hào),需要進(jìn)行放大和偏置調(diào)理。調(diào)理電路如圖3所示,,電路將pH傳感器的輸出電壓放大2倍,,并通過(guò)1.2 V基準(zhǔn)電壓芯片LM385加上1.2 V的偏置。由此可將-400 mV~400 mV的電壓范圍變換成0.4 V~2.0 V的電壓范圍,。

  2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

  本設(shè)計(jì)采用ADI公司的24位三通道Σ-Δ型模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793,,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器模擬信號(hào)的高精度A/D轉(zhuǎn)換。AD7793內(nèi)置可編程激勵(lì)電流源和儀表放大器,,將激勵(lì)電流源配置成1 mA輸出并與pt100串聯(lián),,取得的電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)片內(nèi)儀表放大器獲得16倍增益,最終獲得1.6 V附近的電壓值,。A/D轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示,,AD7793采用外部2.5 V基準(zhǔn)參考電壓,將調(diào)理電路送來(lái)的pH值模擬量和水溫值模擬量進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換,,并通過(guò)三線SPI接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至單片機(jī)進(jìn)行處理,。

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  2.4 無(wú)線通信模塊

  nRF905單片無(wú)線收發(fā)器[9]工作在433/868/915 MHz 的ISM頻段,由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器,、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器,、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成,。通過(guò)單片機(jī)IO口模擬SPI通信協(xié)議來(lái)配置nRF905的片內(nèi)寄存器,,實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線模塊的收發(fā)控制。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的pH值發(fā)生變化時(shí),,單片機(jī)調(diào)用nRF905發(fā)送最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),。

  2.5 按鍵、電池監(jiān)測(cè)和蜂鳴器電路

  系統(tǒng)的pH報(bào)警閾值和電池電壓報(bào)警閾值通過(guò)按鍵電路設(shè)置,,通過(guò)中斷方式與單片機(jī)連接,。當(dāng)監(jiān)測(cè)的pH值超過(guò)了閾值,系統(tǒng)即觸發(fā)中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序,,蜂鳴報(bào)警,。蜂鳴器電路如圖5所示。

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  電池電壓監(jiān)測(cè)電路如圖6所示,。VCC為電池電壓,,經(jīng)電阻分壓輸入電壓跟隨器再輸入單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)電池電量減少,,電壓VCC下降到設(shè)定的電壓閾值時(shí),,觸發(fā)單片機(jī)內(nèi)部中斷,工作模式自動(dòng)從實(shí)時(shí)工作模式切換至定時(shí)斷續(xù)測(cè)量的低功耗工作模式,。

  2.6 時(shí)鐘,、LCD,、EEPROM電路

  時(shí)鐘芯片為低功耗時(shí)鐘芯片DS1302,可以對(duì)年、月,、日,、周、時(shí),、分,、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),且具有閏年補(bǔ)償功能,。

  LCD為低功耗工業(yè)字符型液晶1602,,能同時(shí)顯示16列2行共32個(gè)字符。單片機(jī)控制LCD1602顯示當(dāng)前日期,、時(shí)間,、pH值、溫度值及pH報(bào)警閾值,。

  EEPROM為兩線串行芯片AT24C04,,用于存儲(chǔ)用戶設(shè)置的pH、電池電壓閾值,。此外,,當(dāng)監(jiān)測(cè)的pH值超過(guò)閾值時(shí),系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的日期,、時(shí)間和pH值記錄到EEPROM中,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片,配合ADC12和定時(shí)器等達(dá)到控制pH傳感器,、溫度傳感器,、24位外部ADC、時(shí)鐘芯片DS1302,、EEPROM、LCD,、無(wú)線模塊等外部器件協(xié)調(diào)工作的目的,。

  3.1 主程序流程圖

  主程序首先對(duì)時(shí)鐘初始化,選擇8 MHz的晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘源,。然后依次對(duì)各個(gè)片內(nèi),、片外模塊進(jìn)行初始化。最后使能中斷,,進(jìn)入低功耗模式,,等待中斷喚醒。主程序流程如圖7所示,。

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  3.2 定時(shí)器中斷流程圖

  3.2.1 定時(shí)器A中斷流程

  定時(shí)器A中斷每隔1 s將CPU從低功耗狀態(tài)喚醒,,故稱之為實(shí)時(shí)模式(Real Time,,RT)。系統(tǒng)復(fù)位時(shí),,自動(dòng)開(kāi)啟定時(shí)器A中斷,,禁止定時(shí)器B中斷,即默認(rèn)啟用實(shí)時(shí)模式,。在定時(shí)器A中斷中,,系統(tǒng)首先讀取pH值和溫度值,并判斷pH值是否超閾值,,若超過(guò)閾值則蜂鳴報(bào)警,,并將當(dāng)前時(shí)間和pH值記錄在EEPROM中;否則,,系統(tǒng)無(wú)附加動(dòng)作,。然后,系統(tǒng)刷新液晶上顯示的pH值和溫度值,,并通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送出去,。最后,系統(tǒng)通過(guò)MCU內(nèi)部12位ADC檢測(cè)太陽(yáng)能電池電壓值,,若低于設(shè)定閾值,,則自動(dòng)切換至低功耗模式;否則,,系統(tǒng)無(wú)附加動(dòng)作,。另外,此中斷服務(wù)最后包含“10 s檢測(cè)”功能,,即每隔10 s將當(dāng)前日期和時(shí)間顯示到液晶屏下方,,保持3 s后,恢復(fù)原先顯示界面,。定時(shí)器A中斷流程圖如圖8所示,。

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  3.2.2 定時(shí)器B中斷流程

  定時(shí)器B中斷每隔1小時(shí)將CPU從低功耗狀態(tài)喚醒,故稱之為低功耗模式(Low Power,,LP),。系統(tǒng)復(fù)位自動(dòng)禁用定時(shí)器B中斷。在定時(shí)器B中斷中,,除了不包含“電池電壓監(jiān)測(cè)”和“10 s檢測(cè)”功能外,,其他功能與定時(shí)器A中斷相同。定時(shí)器B中斷流程如圖9所示,。

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  3.3 數(shù)字濾波算法

  為提高系統(tǒng)測(cè)量精度,,AD7793將pH電量連續(xù)轉(zhuǎn)換10次存入數(shù)組中,單片機(jī)將10次轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行冒泡排序,。然后,,計(jì)算數(shù)組中間8個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為10次轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果,。該算法原理:去除樣本中的一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,再求平均值,。該算法可濾除因干擾導(dǎo)致的測(cè)量偏差,,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,避免錯(cuò)誤報(bào)警,。

  3.4 溫度補(bǔ)償

  為克服pH值在測(cè)量過(guò)程中受溫度的影響,,可通過(guò)溫度補(bǔ)償進(jìn)行修正。根據(jù)pH傳感器輸出的電壓值V和溫度感測(cè)器測(cè)量的攝氏溫度T,,代入溫度補(bǔ)償模型[8]:

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  將式(2)計(jì)算得到的pH0和式(4)計(jì)算得到的pH1進(jìn)行平均得到最終的pH值,。

4 系統(tǒng)裝置示意圖


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  系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需放在河流水面上工作,故設(shè)計(jì)了系統(tǒng)裝置,,系統(tǒng)裝置圖如圖10所示,。系統(tǒng)硬件放置在漂浮圈上,漂浮圈通過(guò)平衡鐵圈保持平衡,,防止河面浪涌造成裝置傾覆,。兩個(gè)傳感器從漂浮圈內(nèi)垂入河水中,太陽(yáng)能電池板放在裝置頂端為系統(tǒng)供電,。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  系統(tǒng)經(jīng)過(guò)硬件調(diào)試和軟件補(bǔ)償后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)對(duì)比,。實(shí)驗(yàn)分甲、乙兩組分別進(jìn)行,,甲組在室溫(25 ℃)條件下,、乙組在不同環(huán)境溫度下分別對(duì)調(diào)配的不同酸堿度的水進(jìn)行測(cè)試。兩組測(cè)量結(jié)果均與pH計(jì)和溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示,。由表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,在不同溫度的工作環(huán)境下,,系統(tǒng)測(cè)量的河水pH值準(zhǔn)確度較高,。

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6 結(jié)束語(yǔ)

  河流水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件采用PCB工藝,由傳感器,、顯示屏,、單片機(jī)和無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成,工作穩(wěn)定,,并通過(guò)溫度補(bǔ)償提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)的最新pH值通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,,以便于工作人員及時(shí),、全面地掌握水質(zhì)變化情況。測(cè)量裝置采用太陽(yáng)能供電方式,,很好地解決了系統(tǒng)供電的問(wèn)題,。該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保,,性能穩(wěn)定,可以節(jié)省大量的人力物力,,提高監(jiān)測(cè)效率,,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

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