基于多路传感器的水情检测系统设计

余云飞

芜湖职业技术学院电气工程学院,芜湖,241006

1 问题的提出

饮水安全关系人们的身体健康和生命安全，工业化社会中水情安全检测管理尤显重要，因此提高水情检测水平具有重要的意义。目前,我国水情检测系统与发达国家相比，技术依然落后，检测仪器功能单一，价格昂贵，分析成本高，推广受限。

2007年7月，《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[1]国家标准正式颁布，标准中规定饮用水的pH值不小于6.5,而且不大于8.5。水温的变化会影响水体的理化性质，水温升高会促使水体的生化反应，影响水环境的质量。当然水情检测还涉及色度、浑浊度等感官性状和菌落总数等微生物指标。为了方便农村饮用水安全工程及游泳池等水情快速检测要求，本文围绕关键的化学pH值指标及水温、液面高度等重要参数设计了可进行多参数检测的水情监测系统。

2 系统设计方案

基于多路传感器的水情检测系统中采用的单片机型号是STC125A60S2,系统包括单片机控制模块、pH信号采集电路、红外测距电路、水温测量电路、液晶显示电路、声光报警电路、供电系统。系统总体结构图如图1所示。系统仅由电压不大于6V的电池组供电，功耗低。红外测距传感器水平固定于液面上方，以便于向下垂直测距；pH复合电极的球泡浸于待测液体中，传感器与BCN接口相连。采用DS18B20温度传感器芯片进行水温测量。水情检测结果可用液晶屏进行分行显示。

图1 系统总体结构图

3 系统硬件设计

3.1 系统供电部分设计

图2 XL6009升压电路

系统电源部分,使用4节并联3.7V的18650电芯电池组进行供电，正极输出端子一路接至单片机P1.1引脚、一路经以XL6009为核心的DC-DC升压模块进行升压，DC-DC升压模块电路图如图2所示。其中的XL6009芯片采用TO-263封装，第3引脚SW为开关信号输出端，引脚3与输出VOUT之间接有二极管，作为反向极性电压保护。引脚1与引脚4之间连接的105独石电容起到消除噪声作用，引脚5的FB作为反馈端，通过调节3362型10k欧姆的电位器RP2旋钮可调节输入与输出之间的电压关系[2]。

输出电压计算公式为：

(1)

DC-DC升压模块的输入端为3.7V的直流电压，输出约为7.2V的直流电压，再输出给7805稳压电路进行稳压，电路图如图3所示。7805稳压电路的+5V直流电压分别提供输出给红外传感器、pH复合电极采集模块、AD转换芯片XPT2046进行工作。

图3 7805稳压电路

3.2 pH值检测电路设计

图4 pH值传感器模块电路原理图

图4为pH值传感器模块电路原理图。pH传感器采用的是可测量水溶液(氢离子)活度的复合电极。使用前，应选用标准缓冲液对电极进行校正。图4中的TCOM2为温度补偿输出口，为得到准确的测量结果，须通过仪器的温度补偿装置调节至溶液实际温度值。图4中的CA3140为高阻运算放大器，电路采用低通滤波器，滤除高频分量。引脚1、5之间接3362型10k电位器，通过调节电位器旋钮来进行失调电压调零，TCOM1为其电平信号输出口。PH_O为pH值输出口，输出信号为毫伏级信号，由方程2可知玻璃电极的电位变化与被测溶液中的pH值呈线性关系[3]。

(2)

式中，E为指定浓度下的电极电势，E0为等电势点电极电位。因此，通过同时测量原电池电动势及溶液的温度，即可计算出被测溶液[3]pH值。记录对应的输出电压，可绘制出电压与pH值对应关系的标准曲线。

单片机STC125A60S2的P1口带8路10位A/D转换功能，模拟通道的选择控制由ADC控制寄存器ADC CONTR中的CHS2～CHS0确定[4]。pH传感器模块具有BNC接口，模块的PH_O与单片机P1.0通道相连。供电电池组的直流输出电压与单片机的P1.1通道相连接。单片机采集两路的电压输入信号，经内部A/D转换成数字量，经单片机处理并显示在LCD12864上。

3.3 红外测距模块电路设计

选用夏普公司GP2YOA21型红外测距传感器，它由PSD(位置敏感检测装置)、IR LED(红外发光二极管)、信号处理电路以及输出接口电路等组成[5]。它采用非接触测量技术，运用激光三角测距原理,测距范围为20～150cm，适用于展开的设计实验。

PSD光电器件可检测红外光点落在它上面的微小位移，具有较高分辨率，利用三角几何测量法可推算出测量距离[6]。传感器的输出电压值与测量出的距离有一定的非线性函数关系，图5所示为夏普GP2YOA21型红外测距传感器的测量距离L与输出电压u的特性曲线图。

图5 测量距离L与电压u的特性曲线

图6 水情检测系统总体原理图

在数据处理中，有两个关键问题：(1)信号的线性化。可在编程中使用线性化公式将数值量转换成具体的距离值。因为这关系最后结果的精确程度。在实际测距中，每隔一段有效距离采样数据，获得较为准确的线性化公式。(2)由于GP2Y0A21的模拟输出存在噪声，为了减小噪声，在编程时运用多次采样，中位值滤波法，经过计算N-2个数据的算术平均值，可获得对被测参数液位高度的良好滤波效果。减小噪声干扰及系统的偶然误差。

3.4 水温测量及显示电路

水温测量采用DS18B20温度传感器芯片，为防止短路，每个引脚均套有热缩管，内部封胶，外部接有引线。DQ端通过5.1K的上拉电阻接至VCC，实现外部+5V电源供电方式，通过软件进行设置分辨率以及相应的温度限值。DS18B20与单片机的连接图如图6所示。系统显示，采用LCD12864液晶显示模块，第3脚接的电位器可用来调节对比度。

4 系统软件设计

开机启动后，系统初始化，LCD12864显示水情检测系统工作界面，启动容器液位、pH值、水温、电压值信号采集，进行AD转换，对采集的数据进行中位值滤波法处理。编程时可对水温、pH值等敏感参数进行设定，当有检测值超过预设值范围时自动报警。同时检测结果实时显示在液晶屏上。系统程序在Keil uVision4软件下编译调试，包括了主程序、LCD12864显示、AD数据处理、XPT2046、测温等应用程序。系统主程序的流程图如图7所示。

图7 程序的流程图

5 系统测试及数据分析

水情检测系统设计制作完成后，先用UT61E 数字万用表进行检查，确认无短路等故障后，上电检测。水情监测系统实验平台如图8(a)所示,图8(b)为带液晶显示的系统PCB电路板。

图8 水情检测系统实验平台

按要求进行如下测试：(1)多次向塑料容器注入纯净水，测量每次的水位值。(2)保持(1)的水位不变,多次向塑料容器注入若干白醋，测量每次的pH值。(3)完成供电电池的电压测量并显示，测量误差不大于0.01V。测试数据见表1，表2，表3。

表1 液位深度测量数据

表2 pH值测量数据

表3 电压测量数据

为了提高系统的检测效率与可靠性，可增加进水泵、加酸泵、搅拌器等辅助设备。

由实际测量的现场数据可以看出，测量误差在系统要求的容许范围之内。液位深度测量误差小于2 mm，pH值测量误差小于0.08，电压测量误差小于0.01 V。系统测试精度较高，满足设计要求。

6 结 语

本文从模拟集中式生活饮用水水质部分指标的水情检测系统要求出发，设计出具有多参数显示的基于多路传感器的水情检测系统。尤其在液面深度采集中，不同于大多数设计采用的超声波检测方法，本文采用红外测距传感器进行测距。系统数据处理中运用多次采样，中位值滤波法，提高了采样数据的精度，使pH值等检测参数能快速稳定地显示在液晶屏上。系统稳定性好、功耗低，多参数检测结果的误差均在容许范围之内,达到了设计要求。系统可广泛应用于农村饮用水安全、游泳池等水情的监测中,还可进一步扩展功能应用于更复杂的智能化水文检测管理的自动控制中。