桶装水的水样采集检测系统设计

李奕新，张健伟，张志彬，李文龙，黄木金，徐 涛

(广东环凯生物科技有限公司，广东 肇庆 526000)

0 引言

生活饮用水卫生质量对人体健康有着重要影响，而桶装水属于生活饮用水中的一部分。桶装纯净水的卫生质量通常取决于纯净水厂，在生产过程中可能存在污染环节[1]，因此需要对桶装水进行水样采集，并根据国家标准GB 19298—2014《食品安全国家标准 包装饮用水》对水样的理化指标和微生物指标进行检测。为了使桶装水水样的采集及检测更加高效便捷，该文设计了一款桶装纯净水的水样采集检测自动化装置。

1 硬件系统设计

水样采集检测系统将SWM32SRET6单片机作为主控芯片，使用液晶触摸屏作为人机交互，通过气泵与空气过滤嘴的组合采集水样[2]，并使用重量传感器模块[3]实时获取水样体积，达到定量采集的目的。该系统还配备有pH传感器和余氯传感器[4]，可在采集现场对水样的部分理化指标进行检测，并通过液晶屏显示数值。

1.1 电源电路设计

电源电路如图1所示。水样采集检测系统的总电源由市电提供，经过220 VAC转24 VDC的适配器后，给电路板供电。24 VDC经过开关电源模块提供12 VDC和5 VDC，12 VDC给气泵供电，为采集水样提供动力[5],5 VDC则升压转换成LED恒流驱动电路驱动显示屏，并转换成3.3 VDC给主控及传感器供电。

图1 电源电路设计

1.2 气泵驱动电路设计

气泵驱动电路如图2所示。系统选择的气泵硬件参数为：电压10.8～13.2 VDC,负载电流最大为1000 mA,功率最大为10 W；根据要求,采用XL4015E1设计一款DC-DC降压电路,使24 VDC降至12 VDC给泵提供电源,然后采用NMOS管APM9926控制气泵。

图2 气泵驱动电路设计

1.3 重量传感器电路设计

重量传感器电路如图3所示。系统的重量传感器选择的是四线式电阻应变式压力传感器,该传感器的精度等级为C3,量程为0～3 kg,激励电压为5～12 VDC,输出灵敏度为(2.0±0.1)mV/V；为满足要求,系统选用5 V的激励电压,即重量传感器的输出电压为0～10 mV,并选用ADS1220作信号转换；ADS1220是一款带有可编程增益放大器的24位模数转换器,其提供1～128 V/V增益和最高20K SPS速率可选,该系统设置ADS1220的增益为128 V/V,速率为20 SPS,使模数转换器的无噪声分辨率为0.41 μVpp,故得到实际的重量分辨率为0.12 g(=3 kg/10 mV * 0.41 μVpp)。

图3 重量传感器电路设计

1.4 微控制器核心电路设计

微控制器电路如图4所示。微控制器采用SWM32SRET6作为主核心,为cortex-m4内核，通过PLL倍频得到频率为120 MHz，FLASH为512 KB，SRAM为128 KB；该控制器自带SDRAM和RGB接口，能够直接驱动液晶屏，足够大的内存资源支持搭载GUI，能实现较为美观的界面，并且带有ADC和各种数字接口，满足系统需求。

图4 微控制器电路设计

1.5 pH传感器电路设计

pH传感器电路如图5所示。系统采用E201型pH复合电极，该电极测量的pH为0.00～14.00，电压为0～1.999 V；根据要求，采用微控制器自带的ADC作信号转换。由于pH复合电极的输出阻抗较大，需采用低偏置电流的放大器作缓冲[6]，再接入微控制器处理。微控制器的ADC为12位，可计算得到电压分辨率为0.40 mVpp(=3.3 V/1.999 V/212)，继续换算得到pH值的分辨率为0.003 pH(=14 pH/ 1.999 V * 0.40 mVpp)，满足系统需求。

图5 pH传感器电路设计

2 软件系统设计

水样采集检测系统的软件流程如图6所示。软件采用的是一般的前后台系统，使用嵌入式GUI系统LVGL，并采用MVC架构对UI界面进行调度管理，能达到流畅的人机交互效果。水样定量采集流程如图7所示，通过触摸输入需要采集的水样量，微控制器自动对采样瓶的重量进行清零操作并开启气泵，然后实时读取重量传感器的数值；重量传感器的数值经过软件滤波后再换算成水样量与设定值进行比较[7]，若与设定值相等，则停止采集，达到定量水样采集的目的。通过GUI自带的软件定时器，对pH传感器进行接入判断及定时检测，实现水样pH值的检测

图6 系统软件流程图

图7 水样定量采集流程图

3 测试结果

表1 水样定量采集结果

表2 pH值检测结果

4 结论

测试结果表明，该水样采集检测系统的定量采集结果较为精确，在理论的误差范围内；得到的数值较为集中和稳定，无明显的干扰误差；pH检测的结果误差较小，表示采集的水样符合国家标准。该系统以SWM32SRET6作为主核心，实现了桶装纯净水的水样采集检测一体式自动化装置，能够帮助实验人员实现定量水样采集及部分理化指标检测，提高了检测效率，达到了预期的设计目标。