引言

隨著科技和工業(yè)的迅猛發(fā)展，水污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，保護(hù)水資源、防止水污染是人們?cè)絹?lái)越重視的環(huán)境問題。保證人們?nèi)粘Ｉ钣盟馁|(zhì)量是尤為重要的，關(guān)系到人們?nèi)粘Ｓ盟陌踩珕栴}，這就需要水質(zhì)檢測(cè)工作，這項(xiàng)工作既需要檢測(cè)人員對(duì)工作重視而且認(rèn)真，還需要人們對(duì)水質(zhì)安全問題的極大關(guān)注，只有認(rèn)真地對(duì)水質(zhì)檢測(cè)工作進(jìn)行把關(guān)，人們?nèi)粘Ｓ盟馁|(zhì)量才能得到保障。

一般水質(zhì)測(cè)試由使用專門裝備的專業(yè)部門的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行，但這些技術(shù)一般只適用于自來(lái)水公司或政府專業(yè)測(cè)試機(jī)構(gòu)。在日常生活中，對(duì)日常普通人來(lái)說(shuō)，這樣的工作是不現(xiàn)實(shí)的。中國(guó)在多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)方面成果較好，可自動(dòng)檢測(cè)pH、溶解氧、水溫、濁度和導(dǎo)電率等5種參數(shù)，但是價(jià)格較高，不適宜在民用生活中使用。為了保證飲用水的水質(zhì)安全，不僅需要在水源處對(duì)水質(zhì)檢測(cè)進(jìn)行把關(guān)，還需要將水質(zhì)檢測(cè)工作落實(shí)到千家萬(wàn)戶中去，這樣才能真正的保證飲用水的安全。作為民用產(chǎn)品，便攜式及低廉的產(chǎn)品價(jià)格是基本要求，滿足這一要求的水質(zhì)測(cè)試儀應(yīng)具有小型、低成本、便捷和實(shí)用性特點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用內(nèi)嵌式AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)小型便攜式的智能水質(zhì)檢測(cè)器。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以STC8A8K64S4A12單片機(jī)為主控芯片，圍繞單片機(jī)設(shè)計(jì)了電源模塊、溫度采集模塊、pH值采集模塊、TDS采集模塊、WiFi通信模塊、OLED顯示模塊等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 主控制器的選型

擬采用STC8系列的單片機(jī)。由于STC8系列MCU使用了比現(xiàn)有的8051快12倍的超高速8051核心。不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，減小體積的同時(shí)，也極大地方便了設(shè)計(jì)。內(nèi)置15通道的12bits高精度ADC，速度最快可達(dá)800K，對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)儀中模擬量輸出的傳感器具有良好的采集能力。所有的GPIO均支持4種模式，分別為高阻輸入、開漏輸出、強(qiáng)推挽輸出和準(zhǔn)雙向口。在數(shù)字信號(hào)采集和處理中有速度和穩(wěn)定性的雙重優(yōu)勢(shì)。故本設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為STC8A8K64S4A12的單片機(jī)作為主控芯片。

1.2 pH檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

pH檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示，pH電極測(cè)量后產(chǎn)生的mV信號(hào)通過BNC接口輸出，輸出到pH模塊通過電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波放大，將極小的mV電壓信號(hào)放大為0～5V電壓信號(hào)，放大后的信號(hào)由J2端口輸出到單片機(jī)。

其中LM2 660M為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器，可將輸出電壓穩(wěn)定在1.5～5.5V范圍內(nèi)，這是電壓信號(hào)的最佳狀態(tài)。CA3104AMZ運(yùn)算放大器可以將微弱的mV電壓信號(hào)放大，它是結(jié)合了高壓PMOS晶體管和高壓雙極晶體管在單片芯片上優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品，可以給電路提供一個(gè)特別高的輸入阻抗以及特別低的輸入電流，同時(shí)它還有特別高的效率。輸出信號(hào)的比值關(guān)系為59.16 mV/pH，在25℃時(shí)0V單片機(jī)接收到的pH為7。pH探頭輸出的信號(hào)大小與溫度成比例關(guān)系，液體溫度越高影響越大，R6電阻的作用是溫度補(bǔ)償。從pH=7開始，集成放大器CA3104AMZ將接收到的探頭信號(hào)放大，輸出電壓為正負(fù)100 mV/pH的信號(hào)。然后第2級(jí)反相和偏置運(yùn)放TL081BCDG4的作用是調(diào)整探頭輸出信號(hào)，使信號(hào)在一個(gè)有效的區(qū)間內(nèi)，使輸出信號(hào)能一直與pH成比例關(guān)系。D1是靜電保護(hù)二極管也是通電指示燈，R5的作用是在溫度補(bǔ)償不足時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出大小。pH值檢測(cè)電路由J2端口輸出電壓Vout為：

1.3 TDS檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用數(shù)字TDS水質(zhì)傳感器，其電路原理圖3所示，內(nèi)部集成高精密放大電路、溫度測(cè)量校準(zhǔn)電路和低壓差線性穩(wěn)壓電路。溫度一直是影響pH值測(cè)量的重要因素，pH的精度和測(cè)量長(zhǎng)期穩(wěn)定性大部分是由溫度決定的，因此本設(shè)計(jì)在AD采集電路中設(shè)計(jì)了預(yù)處理電路，具有低溫漂、高穩(wěn)定性和高精度的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)采用的是低偏置電流、低失調(diào)漂移信號(hào)放大器LMV324,LMV324四路低電壓軌至軌輸出運(yùn)算放大器是專門為低壓操作而設(shè)計(jì)的，它有4個(gè)頻道數(shù)，典型偏移量5μV，輸入偏置電流最大值250 000pA，共模抑制比65dB。

TPS60400DBVR電荷泵為放大電路提供負(fù)輸入電壓，它可以將1.6～5.5V的輸入電壓直接轉(zhuǎn)置為固定的負(fù)輸出電壓。由于它可以接受輸入電壓范圍較大，一般只要有5或3.3V的預(yù)置整理電源供電，本文設(shè)計(jì)直接由模塊上的VCC供電。ME6206A30M3G是一種低壓差線性穩(wěn)壓芯片，它具有高精度、低功耗的特點(diǎn)，它能提供具有顯著小電壓降的電流，它將輸入的5V電壓降為3V后線性穩(wěn)定輸出給放大電路。探針的信號(hào)由J1端口流入，信號(hào)放大整理后J2端口輸出到單片機(jī)。

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