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)注的問題之一。目前全國多數(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)我國正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來嚴(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24位模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793對(duì)雙極性pH傳感器和溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，由單片機(jī)控制無線模塊發(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)和無線通信等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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值通過無線模塊發(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，若超過此閾值，則啟動(dòng)報(bào)警模塊；太陽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)太陽能電池的剩余電量，若剩余電量過少，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)。

　　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

　　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。

　　2.4 無線通信模塊

　　nRF905單片無線收發(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。通過單片機(jī)IO口模擬SPI通信協(xié)議來配置nRF905的片內(nèi)寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線模塊的收發(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)警閾值通過按鍵電路設(shè)置，通過中斷方式與單片機(jī)連接。當(dāng)監(jiān)測(cè)的pH值超過了閾值，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。

　　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。

　　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，并通過無線模塊發(fā)送出去。最后，系統(tǒng)通過MCU內(nèi)部12位ADC檢測(cè)太陽能電池電壓值，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。

　　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。

　　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)量過程中受溫度的影響，可通過溫度補(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]：

　　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

　　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。

6 結(jié)束語

　　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)和無線傳輸模塊構(gòu)成，工作穩(wěn)定，并通過溫度補(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值通過無線發(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)量裝置采用太陽能供電方式，很好地解決了系統(tǒng)供電的問題。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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