基于单片机的智能水质检测系统设计

2021-10-27刘硕

物联网技术 2021年10期

刘硕

（江苏科技大学，江苏镇江 212100）

0 引言

随着世界现代化经济的快速发展，环境问题逐渐恶化，其中水资源的处理更是成为了环境问题中的重要一项。水资源在人类生存发展过程中起着至关重要的作用，不论是工农业生产还是人们的日常生活都离不开水资源，尤其水产养殖业对水质有着更为苛刻的要求。但目前水质检测大多仍依靠传统的化学滴定方法完成，而该方法精度较低且操作复杂，因此设计一套智能自动化水质检测系统尤为重要[1]。

水质检测需结合控制技术、通信技术、传感器技术等，采用多种传感器才能获取pH值、氨氮值、重金属含量等重要的水质数据。文中基于便捷性、准确性等因素，借助单片机嵌入式微处理器与通信技术设计了一款智能水质检测系统，通过上位机进行实时水质检测，从而提高水质检测的自动化水平与检测效率[2]。

1 智能水质检测系统整体设计

智能水质检测系统主要以STM32单片机为系统的主控核心，通过与通信模块、水质传感器等的有效结合，组成了一套智能化水质检测系统。STM32单片机作为主控单元，需要不断对各类传感器进行A/D采样，并将采集的数据进行滤波、转换等处理，之后再通过无线通信模块将采集的水质数据发送到上位机，便于工作人员实时掌握当前水域的水质情况[3]。若当前水质变化情况较大或者某一指标超标，可通过上位机及时传递报警信息。智能水质检测系统框架如图1所示。

图1 智能水质检测系统框架

智能水质检测系统主要分为两部分。第一部分主要通过A/D模块采集多个水质传感器的数据，并将数据发送给单片机进行相应的数据处理，之后将输出结果传输给显示屏进行显示；第二部分主要采用无线通信方式将检测结果上传给上位机，经处理后将数据显示在上位机界面，同时判断水质质量，并绘制水质变化图。若水质某项指标超过阈值则会通过上位机显示。

2 智能水质检测系统硬件设计

2.1 主控芯片

STM32F407系列芯片的工作频率为168 MHz，通信接口为15个（包括USART、SPI、I2C、CAN、SDIO），含有2个12位DAC和3个12位ADC，以及17个定时器，是一款极具性价比的高性能微处理器。

水质检测需要检测多项水质内容，因此水质检测对单片机运行速度要求较高。为保证数据采集的效率，文中选择STM32F407ZET6作为智能水质检测系统的主控芯片，实物如图2所示。

图2 STM32F407ZET6芯片

2.2 水浊度传感器

通常，水中含有悬浮物和胶体物，例如无机物、土壤、浮游生物等，这些物质会使水变得浑浊，影响溶质分子对光的吸收以及悬浮物对光的散射[4]。散射光和透射光之比与浊度呈线性关系。当光通过时，对于一定量的水，水污染越严重，则透射的光越少。光接收端将光强度转换成相应的电流，透射的光越多，电流就越大，反之电流越小。通过在接收端测量电流即可计算出水域的污染程度。浊度传感器由IR958和PT958封装的红外对管组成，实物如图3所示。

图3 浊度传感器

2.3 pH传感器

溶液中氢离子的总数同总物质的量的比值即为pH值。为了能够对pH值进行较为精准、快速的测定[5]，本文选取了如图4所示的具有效率高、无污染、数字化等特点的pH传感器。

图4 pH传感器

pH传感器的测量原理可理解为原电池系统，使化学能转换为电能，电池的端电压被称为电极电位；电位由2个半电池构成，其中一个称为测量电极，测量时被测溶液与缓冲溶液中的氢离子相互交换产生电势差，从而得到pH值。

2.4 溶解氧传感器

溶解氧的含量与水的温度和空气中氧的分压密切相关。作为衡量水体自净能力的指标，溶解氧的含量也是影响水生物生存的重要因素。消耗水中的溶解氧，若水体花费较短时间便恢复至初始状态，表明水体具有很强的自净能力，或者水体污染不严重，否则，意味着水体被严重污染，自净能力较弱，甚至丧失了自净能力[6]。

溶解氧传感器基于水中氧气的氧化还原反应将化学变化转化为电能变化，以此测量水中的含氧量。含氧量数据经单片机采集后，通过无线通信模块上传至上位机并显示[7]。

2.5 氨氮传感器

氨氮作为水中的营养元素，如果含量过高会致使水体富营养化，对鱼类及某些水生生物有毒害，因此及时测量出水体中的氨氮含量尤为重要。氨氮传感器可将氨氮含量转化为电信号，并可将电信号放大后通过串口发送到单片机进行处理[8]。

2.6 其他水质传感器

除常规的pH值、水浊度、化学需氧量等参数外，综合水质检测还包括总磷、硫化物、重金属等内容。为提高设备的便捷性，本系统只将常规的传感器设计在系统中，如若需要测量某一特殊物质的含量，可通过单片机的预留接口增加测量种类，使用方便。

3 水质检测软件设计

通过传感器采集水体中的pH值、水浊度、含氧值等主要水质信息后，借助无线通信模块将采集的数据上传到基于LabVIEW开发的上位机（通过电脑串口接收数据）[9]。在智能水质检测系统中，上位机可以显示水体当前pH值、水浊度、含氧值等信息，也可以根据接收的数据进行相关处理，并判断水质情况，如是否超出测量范围等。上位机还可以将一段时间内测量的数据绘制成以时间为横坐标的相关水质参数变化曲线图，为工作人员提供实时的水质信息参考，提高工作人员的测量效率。水质检测系统上位机界面如图5所示。