一种城镇饮用水水质检测仪设计

淮阴工学院 顾宇 柯永斌

本文拟设计一款便携式多参数水质检测仪。它可以测量水的温度、PH值、浊度、电导率等，可以满足人们日常生活中对水质检测的需求，并可以有选择性地通过上位机实时监控水质参数数据、存储数据、查询数据。

饮用水；检测仪；水质；单片机

一种城镇饮用水水质检测仪设计

淮阴工学院 顾宇 柯永斌

1 检测仪基本原理

设计的检测仪主要测量饮用水三个最基本参数，即电导率、浊度和PH值。

2 硬件设计

2.1 温度补偿模块

电阻式温度传感器的温度值与电阻值呈线性关系，如果温度发生变化，那么它的电阻也会发生变化。PT100是正电阻系数温度传感器的一种，它采用基准铂电阻温度计作为标准器，其电阻和温度之间的关系如下：

式中R为实际电阻值，为0℃标准电阻值，α为正电阻系数，T为绝对温度。具体温度补偿模块见图1：

图1 温度补偿模块

2.2 PH值测量模块

根据能斯特方程，PH复合电极的输出电压和水体的氢离子浓度、温度满足以下关系：

上式中R为单原子分子(每个分动量的)理想气体摩尔热容，R=8.314J/（mol*K）；F为法拉第常数(氧化型物质或还原型物质的浓度)；n为电极反应中得到和失去的电子数（对于氢离子n=1）；T为被测水体的绝对温度T=273.15+t。将与被测水体接触的玻璃电极与精度很高的已知参比电极组成原电池，测量参比电极与玻璃电极的电位差，即测量复合电极的输出电动势，就可以依据能斯特方程计算出实际的PH值。

2.3 电导率测量模块

水体中电解质的属性和温度密切相关，因为当温度发生变化时，它的电离度、溶解度会发生变化，所以水体的电导率也会发生变化。将相互平行且距离为L的极板放在被测水体中，在电极板的两端加上一定的电，通过测量极板两端之间通过的电流即可算出极板两端的电阻，又已知电极的电极常数，所以水体的电导率就等于电导与电极常数的乘积，单位为us/cm，公式如（3）和（4）所示：

式中K为水体的电导率，J为电导率传感器的电极常数，G为水体的电导(电阻的倒数)。

图2 电导率测量原理图

3 软件设计

人机交互界面，其初始化流程如图3所示：

图3 人机交互界面初始化流程

3.1 主次菜单的设计流程

设计系统主菜单时，可以把任务按照主次关系排列，不仅能够轻易地让一般用户熟练掌握，对专业性用户也有很大的吸引力，因此，这种交互方式能大大减轻用户的搜索负担。系统初始化时，会在液晶上显示一级菜单(根目录)，并会为显示二级菜单做好随时显示的准备。

3.2 按键程序设计

本系统按键底层驱动流程图如图4所示。为了让使用者有良好的按键体验，不存在卡顿、延迟、反应不灵敏的现象，本系统解决了因为阻塞延迟连续占用CPU，其他任务不能及时地得到执行而导致系统卡顿的问题。

图4 按键底层驱动程序设计流程图

3.3 传感器软件设计

本系统初步设计有4个部分，分别为温度、浊度、PH、电导率。为确保STM32能够正常读取温度、浊度、PH以及电导率传感器的电信号，首先应配置系统时钟，待系统时钟稳定后，程序开始初始化ADC，I2C，等待读取传感器数据。传感器系统工作流程如图5所示。

图5 传感器工作流程图

本模块采用中位值滤波法，利用冒泡排序法将连续N个采样值进行排序，最后取中间值作为本次有效值。

3.4 系统通信软件设计

系统进入在线测量模式后，上位机会不断地请求下位机的数据包，下位机上传的数据包具有特殊的数据格式，上位机则依据此格式判断接收到的是否是期望接收的数据，每一帧数据都有其特有的校验和用来判断数据的完整性。下位机发送的数据包格式为：

帧头+数据长度+温度+PH+浊度+电导率+帧尾

假设当前温度为25℃，PH为7.0，浊度为1%，电导率为1000us/cm，那么这一帧数据就为：

‘#’+4+25+7.0+1+1000+“AA”

上位机运行时单击连接设备按钮，发送“#connectAA”到下位机，下位机收到连接请求后，回复“#OKAA”建立通信。如果上位机有很长一段时间内收不到回复的“#OKAA”，则弹出设备连接失败提示框，相反则弹出设备连接成功的提示框。

4 系统调试

系统中各个传感器模块都调试完成后，将各个传感器放入水中(不可完全放入)，连接下位机和上位机的RS232串口线，在上位机中填上测量地点，给整个系统上电，上位机连接到设备。选择在线测量，可以看到下位机一直显示“正在测量，请勿断开”的字样，上位机显示出水质测量参数的信息。

5 结论

本文详细介绍了软件设计，软件设计包括上位机系统和下位机系统设计两部分。最后介绍了系统调试过程。

[1]李莎.城镇饮用水水质现状分析及对策[J].山东工业技术,2015(13):256.

[2]林波.我国饮用水水质标准与国际主要水质标准对比分析[J].甘肃科技纵横,2011(02):68～70.

[3]焦金玲.饮用水水质检测若干问题分析[J].化工管理,2015(12):204.

顾宇，男，1993年出生，江苏省南京市人，本科，研究方向：电子信息工程。

项目名称：聚醚后处理中关键参数控制及工艺流程优化。

项目号：BY2016061-02。