河流水质实时监测系统*

2015-08-13张秀再陈彭鑫张光宇吴华娟赵益波

电子技术应用 2015年2期

张秀再，陈彭鑫，张光宇，吴华娟，赵益波

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京210044；2.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏南京210044）

0 引言

水资源是人类生产生活的重要资源。目前，生态环境破坏严重，水体污染严重，水资源的保护和水污染的治理成为现代社会最关注的问题之一。目前全国多数城市地表水受到一定程度的点状或面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，还对我国正在实施的可持续发展战略带来严重影响[1-3]。另外，随着河流水质的不断恶化，严重制约了农业经济的发展，影响了粮食和其他农作物的产量和质量[4]。因此，环保部门实时、有效和方便地对河流水质进行监测就显得十分必要。

本文设计并制作了基于单片机和无线传输技术的河流水质实时监测系统。该系统以MSP430F149低功耗单片机[5-6]为核心，通过24位模-数转换芯片AD7793对双极性pH传感器和温度传感器信号进行采集，由单片机控制无线模块发送实时监测所得并进行温度补偿后的pH值。所设计系统、装置便于实现对河流水质的监测，并采用太阳能电池供电。与传统的人工检测方法相比，本系统具有检测数据精度高、传感器可灵活更换、节能、实时监测和无线通信等特点。

1 系统结构

河流水质监测系统的结构框图如图1所示，包括以下几个部分：(1)传感器模块。由pH传感器和温度传感器将河水的pH值和水温值转换为电信号。(2)调理电路模块。调理电路将电信号处理为单片机所能接收的电压信号，并送至A/D转换电路。(3)A/D模块。A/D转换电路利用24位Σ-Δ模数转换器将模拟电压信号高精度地转换为数字电压量，并送至单片机处理。(4)控制模块。单片机根据当前温度值对所测pH值进行温度补偿和软件校准，最终得到准确的pH值，并将此 pH值通过无线模块发送至上位机。(6)其他功能模块。报警模块根据按键输入pH报警阈值，判断当前pH值，若超过此阈值，则启动报警模块；太阳能供电模块带有电池监测功能，可以实时监测太阳能电池的剩余电量，若剩余电量过少，则自动进入节能工作模式；显示模块由LCD显示当前温度和pH值、报警阈值、当前日期和时间等信息。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 传感器

2.1.1 pH传感器

E-201-C型pH传感器测液部分为玻璃复合电极，在测量溶液的酸碱度时，当被测溶液的氢离子浓度发生变化，玻璃电极与参比电极之间的电动势也随之发生变化。通过调配不同酸碱度的溶液，室温（25℃）条件下用某型pH计通过实验测量发现电极电压与pH值近似成线性关系，并根据能斯特方程[7]，利用 MATLAB将所测样本点拟合成一次线性函数。

MATLAB将26个实测的样本点与拟合的函数多项式关系图如图2所示。由图2可知，传感器所输出的电信号与所测溶液的pH值近似成线性关系。由MATLAB将26个样本点进行拟合得到的一次线性函数为：

后级调理电路将传感器电量放大2倍并加上1.2 V的偏置后，得到V-pH关系式为：

2.1.2 温度传感器

两线PT100铂电阻温度传感器[8]是一种以白金(Pt)制作成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式 R=Ro(1+αT)，理论上 α=0.003 92，Ro为 100 Ω(在 0℃的电阻值)，T为摄氏温度。经测量的电阻实测值与理论值存在略微偏移，故根据实验校准修正的关系式为：

图2 V-pH关系图(室温)

2.2 pH调理电路

由于E-201-C型pH传感器的输出电量为-400 mV～400 mV范围内的双极性电压信号，需要进行放大和偏置调理。调理电路如图3所示，电路将pH传感器的输出电压放大2倍，并通过1.2 V基准电压芯片LM385加上1.2 V的偏置。由此可将-400 mV～400 mV的电压范围变换成0.4 V～2.0 V的电压范围。

图3 pH调理电路

2.3 模数转换器

本设计采用 ADI公司的 24位三通道 Σ-Δ型模-数转换芯片AD7793，实现对传感器模拟信号的高精度A/D转换。AD7793内置可编程激励电流源和仪表放大器，将激励电流源配置成1 mA输出并与pt100串联，取得的电压信号再经过片内仪表放大器获得16倍增益，最终获得1.6 V附近的电压值。A/D转换模块如图4所示，AD7793采用外部2.5 V基准参考电压，将调理电路送来的pH值模拟量和水温值模拟量进行数字转换，并通过三线SPI接口将转换后的数字量送至单片机进行处理。

图4 A/D转换模块

2.4 无线通信模块

nRF905单片无线收发器[9]工作在 433/868/915 MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。通过单片机IO口模拟SPI通信协议来配置nRF905的片内寄存器，实现对无线模块的收发控制。当系统监测到的pH值发生变化时，单片机调用nRF905发送最新的监测数据。

2.5 按键、电池监测和蜂鸣器电路

系统的pH报警阈值和电池电压报警阈值通过按键电路设置，通过中断方式与单片机连接。当监测的pH值超过了阈值，系统即触发中断进入中断服务程序，蜂鸣报警。蜂鸣器电路如图5所示。

电池电压监测电路如图6所示。VCC为电池电压，经电阻分压输入电压跟随器再输入单片机内部A/D转换器。当电池电量减少，电压VCC下降到设定的电压阈值时，触发单片机内部中断，工作模式自动从实时工作模式切换至定时断续测量的低功耗工作模式。

图5 蜂鸣器电路

图6 太阳能电池电压监测电路

2.6 时钟、LCD、EEPROM 电路

时钟芯片为低功耗时钟芯片 DS1302,可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能。

LCD为低功耗工业字符型液晶1602，能同时显示16列2行共32个字符。单片机控制LCD1602显示当前日期、时间、pH值、温度值及pH报警阈值。

EEPROM为两线串行芯片AT24C04，用于存储用户设置的pH、电池电压阈值。此外，当监测的pH值超过阈值时，系统将对应的日期、时间和pH值记录到EEPROM中。

3 系统软件设计

系统以MSP430F149单片机为主控芯片，配合ADC12和定时器等达到控制pH传感器、温度传感器、24位外部 ADC、时钟芯片 DS1302、EEPROM、LCD、无线模块等外部器件协调工作的目的。

3.1 主程序流程图

主程序首先对时钟初始化，选择8 MHz的晶振作为系统时钟源。然后依次对各个片内、片外模块进行初始化。最后使能中断，进入低功耗模式，等待中断唤醒。主程序流程如图7所示。

图7 主程序流程图

3.2 定时器中断流程图

3.2.1 定时器A中断流程

定时器A中断每隔1 s将CPU从低功耗状态唤醒，故称之为实时模式(Real Time，RT)。系统复位时，自动开启定时器A中断，禁止定时器B中断，即默认启用实时模式。在定时器A中断中，系统首先读取pH值和温度值，并判断pH值是否超阈值，若超过阈值则蜂鸣报警，并将当前时间和pH值记录在EEPROM中；否则，系统无附加动作。然后，系统刷新液晶上显示的pH值和温度值，并通过无线模块发送出去。最后，系统通过MCU内部12位ADC检测太阳能电池电压值，若低于设定阈值，则自动切换至低功耗模式；否则，系统无附加动作。另外，此中断服务最后包含“10 s检测”功能，即每隔10 s将当前日期和时间显示到液晶屏下方，保持3 s后，恢复原先显示界面。定时器A中断流程图如图8所示。

图8 定时器A中断流程图(RT)

3.2.2 定时器B中断流程

定时器B中断每隔1小时将CPU从低功耗状态唤醒，故称之为低功耗模式(Low Power，LP)。系统复位自动禁用定时器B中断。在定时器B中断中，除了不包含“电池电压监测”和“10 s检测”功能外，其他功能与定时器A中断相同。定时器B中断流程如图9所示。

图9 定时器B中断流程图(LP)

3.3 数字滤波算法

为提高系统测量精度，AD7793将pH电量连续转换10次存入数组中，单片机将10次转换结果进行冒泡排序。然后，计算数组中间8个数据的平均值作为10次转换的最终结果。该算法原理：去除样本中的一个最大值和一个最小值，再求平均值。该算法可滤除因干扰导致的测量偏差，提高了系统的稳定性，避免错误报警。

3.4 温度补偿

为克服pH值在测量过程中受温度的影响，可通过温度补偿进行修正。根据pH传感器输出的电压值V和温度感测器测量的摄氏温度T，代入温度补偿模型[8]：

将式（2）计算得到的 pH0和式（4）计算得到的 pH1进行平均得到最终的pH值。

4 系统装置示意图

系统在应用时需放在河流水面上工作，故设计了系统装置，系统装置图如图10所示。系统硬件放置在漂浮圈上，漂浮圈通过平衡铁圈保持平衡，防止河面浪涌造成装置倾覆。两个传感器从漂浮圈内垂入河水中，太阳能电池板放在装置顶端为系统供电。

图10 系统装置示意图

5 实验结果

系统经过硬件调试和软件补偿后进行实验和数据对比。实验分甲、乙两组分别进行，甲组在室温（25℃）条件下、乙组在不同环境温度下分别对调配的不同酸碱度的水进行测试。两组测量结果均与pH计和温度计测量结果进行对比，实验测试结果如表1所示。由表1实测数据可知，在不同温度的工作环境下，系统测量的河水pH值准确度较高。

6 结束语

河流水质实时监测系统硬件采用PCB工艺，由传感器、显示屏、单片机和无线传输模块构成，工作稳定，并通过温度补偿提高系统测量的准确度。系统能够将监测的最新pH值通过无线发射模块传输到监控中心，以便于工作人员及时、全面地掌握水质变化情况。测量装置采用太阳能供电方式，很好地解决了系统供电的问题。该系统节能环保，性能稳定，可以节省大量的人力物力，提高监测效率，具有一定的现实意义和实用价值。