论太阳能水质检测仪的便利性

邹煜　王紫葳　孙静　申向华　吴兆东

摘要：水污染已成为我国环境污染的主要问题。我国水污染的管理迫在眉睫，水质监测已成为一个热门话题。因而，开发具有使用便捷的水质监测仪具有重要的意义。选用太阳能和无线传输技术开发了一种依据GPRS的太阳能无线pH值监测仪。主要用于水环境中pH值的监测，完成对环境水质中的多点无线收集与监测。该仪器具有便携、无线传输、监测精度高、监测速度快、功耗低一级长处。本设计选用pH复合电极测定水样的pH值。经过对传感器测试数据的剖析，选用温度主动补偿算法完成pH值的软件补偿。经过GPRS无线传输数据和指令，实时收集pH值，记载收集时间。收集点、pH值、收集时间被记载并存储在控制终端。

关键词：太阳能;水质检测仪;便利性

一、太阳能水质监测仪的研发目的

目前的水质检测设备，在仪器主控器上，主要有PLC 、单片机、微电脑这几大类，其中，PLC具有较高的稳定性，但是它处理数据的能力较弱，并且成本较高：单片机虽然成本较低，但是它的功能有限，在智能化上有明显的局限性：微电脑相比于PLC和单片机而言，易于开发，具有较强的数据处理能力，可以满足当前水质检测仪器需求。

水质实时监测模块由本团队基于水质相关参数检测传感器，自主设计搭建单片机电路及软件平台，通过高效、便捷、低成本的解决方案，实现了实时采集监测区域内pH值、溶氧量等重要指标的数据及显示预警的功能，便于用户随时掌握水质信息，及时做出处理措施。

二、方法原理

本设计中将选取IAP15W4K58S4单片机作为主控制核心。

IAP15W4K58S4属于STC15 系列单片机，是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有4KB可编程FLASH存储器，可为众多嵌入式控制应用系统提供有效的解决方案。 IAP15W4K58S4内置8路10 bit的高速逐次比较型A/D转换器，转换速度高，功耗低，可为水质监测pH值、溶解氧量等模拟量数据的采集和处理提供便捷，减少电路的复杂程度，提高系统的可靠性。

针对太阳能便携式快速水质检测仪体积小、带着便利的特征，对试剂制作和操作办法进行了改善。所用试剂及辅佐玻璃仪器体积小，运用便利。因而，运用10ml比色管和载小试剂的试剂，便于现场操作。其特征如下：

（1）从所用的玻璃仪器来看，国标法选用的25毫升比色管较大，不适合现场使用。太阳能便携式快速水质探测器，10毫升比色管，带着便利。

（2）试剂的用量和运用的办法，由国家标准办法的试剂增加量大，运用的试剂便携式快速水质检测器小于1 / 2的试剂运用的国家标准办法，大大减少了操作的复杂性和节省查验时间。

（3）过滤办法方面，国家标准选用慢速定量滤纸进行过滤，时间长，不利于现场测量。便携式快速水质检测仪选用微孔膜过滤法，大大节省时间。

在原国家标准法盐酸萘乙二胺分光光度法（gbt7493-1987） 3.31的基础上，改善了便携式快速水质检测法。原理相同：亚硝酸盐与磺胺在酸性介质中反响，产品与盐酸萘乙二胺偶联，构成赤色偶氮染料，用分光光度法测定。测定过程中硫化氢量大，参加磺胺后可以用氮气去除。

三、软件与硬件部分

（一）硬件部分

整个体系依照模块化思想进行规划，主要分为电源模块、单片机最小体系、pH电极信号调度和pH值搜集部分、GPRS模块，电源模块：本着安全便于使用和携带的设计原则，选用低压锂电池进行供电，体系内部选用3.3v直流低压供电，选用先进的低压精细稳压芯片lm1117-3.3完结电源模块体系。该稳压芯片电源模块具有0.04%的电源线路调整率和0.2的超大负荷电源线路调整率。

该方案选用单片机的最小体系：stm8l152 .Stm8l152是一个8位超低功耗单片机。作业电压为1.65 ～ 3.6V低压。HA FO结构，三级管道。它有五种低功率方法，低功率作业方法，功耗值小于6UA，低功率等候方法，功耗值小于5UA，自动关机方法和关机方法等。它可以从间断方法切换到作业方法，仅运用4.7us。

LCD模块和模数转化模块：因为STM8L152单片机具有段LCD驱动程序，所以它可以驱动特定的8段LCD屏幕。为了前进转化精度和功率，挑选自校准16位模仿数字转化器ads100 .它选用差分输入、可编程增益放大器和可编程数据转化速率。它具有较高的转化精度和高功率的转化速度。作业电压3.3V，作业电流仅90UA，满足低功耗要求。

GPSR模块：选用SIM900A模块，体积小，供电电压3.2 ～ 4.8V，能满足体系需求。运用SIM卡进行信息传输，休眠方法功耗1MA。同时，它可以传输数据给客户端，发送指令给模块。完结了体系的无线传输功用。

PH信号调度和PH值收集电路：选用电位法测量PH值，测量电极电位和溶液温度。可是电极的内阻很大，需要匹配一个高阻抗的放大器。

PH复合电极选用杭州米斗公司所生产的。复合电极将PH与温度2和温度1结合，大大方便了PH测量的规划。复合电极的PH规划为0 ～ 14ph，温度规划为0 ～ 100℃，内阻小于等于250毫秒.规划了一个高阻抗放大器来匹配复合电极。经过数字模拟转化联接，将电位值转化成数字信号传输给单片机，然后对程序进行优化。

（二）软件部分

1、电位法PH计的原理

（1）PH值公式的推導

为了测量溶液的PH值，即测量溶液中H⁺的浓度，需求一个指示电极来反映溶液中H ⁺浓度的改动。该复合该电极由参看电极和丈量电极组成。参比电极由银丝在氯化银溶液中组成，丈量电极由能激活PH值的玻璃探针组成。在丈量过程中，两个电极在被测溶液中构成一个原电池。丈量电极的电位会跟着溶液中H ⁺浓度的改动而改动，而参比电极的电位则坚持不变，不受待测溶液的影响。这样，两个电极构成的电动势会随着溶液中离子浓度的改动而改动。通过测量电位能够得到待测溶液的离子浓度，然后通过算法计算出溶液的PH值。

2、程序设计

仪器的测控软件选用模块化结构设计，整体架构盘绕主要测试功用结束，主要分为四个部分

（1）硬件初始化担任MCU、LCD屏、GPRS模块的初始化;

（2）丈量模块作为复合电极的数据搜集模块，并将数据实时传输到单片机;

（3）闪现和无线传输，担任实时pH值的LCD闪现和实时丈量pH值的传输。

四、水质检测仪便利性

（一）便携

能否完成电池供电，及时监控，并上传至监控中心 。

（二）无线传输

选用GPRS的远程监控系统可以将监控作用及时传输到监控中心。

（三）监测精度高

传统的试纸检测办法的最高准确度为0.1，仪器的监测准确度在0.02范围内。

（四）快速监测

选用软件对过失算法进行优化，提高了监控速度。监控时间1分钟以内。

（五）功耗低

选用低功耗单片机规划，两分钟不作业时体系进入睡觉情况。作业电流控制在10mA以内。该体系由4节一般干电池（200毫安时）供电。假如每天运用一次，能够运用半年以上。该PH监测仪便利监测各种液体的PH值，可用于印染作业、电力设备作业、水产养殖业、水处理作业、水质监测等场合。

结语

太阳能水质自动监测系统具有体积小、投入少、功能强、维护量小，适用于各水域水体的长期连续在线监测，同时节省了征地、建站房等费用，可随时随地获得真实的监测数据，尤其是对水域中心区域监测，并能自动对水质数据进行分析评价。同时克服了野外的不利条件，使水质自动监测摆脱了对市电和站房的依赖，顺利地完成了对水质参数的连续监测，适合在全国推广使用。

参考文献

[1]陈博行，马俊，方卫强，刘承桥.基于MSP430F149的水质监测数据采集系统设计[J].自动化仪表，2019，40（12）：6-9+13.

[2]佟以轩. 多参数水质监测设备及多层监测站研究[D].大连理工大学，2019.