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河流水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)

水是人類生產(chǎn)生活的重要資源。目前，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，水體污染嚴重，水資源的保護和水污染的治理成為現(xiàn)代社會較為關注的問題之一。目前全國多數(shù)城市地表水受到一定程度的點狀或面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，還對我國正在實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來嚴重影響。另外，隨著河流水質(zhì)的不斷惡化，嚴重制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，影響了糧食和其他農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，環(huán)保部門實時、有效和方便地對河流水質(zhì)進行監(jiān)測就顯得十分必要。

本文設計并制作了基于單片機和無線傳輸技術的河流水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430F149低功耗單片機為核心，通過24位模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793對雙極性pH傳感器和溫度傳感器信號進行采集，由單片機控制無線模塊發(fā)送實時監(jiān)測所得并進行溫度補償后的pH值。所設計系統(tǒng)、裝置便于實現(xiàn)對河流水質(zhì)的監(jiān)測，并采用太陽能電池供電。與傳統(tǒng)的人工檢測方法相比，本系統(tǒng)具有檢測數(shù)據(jù)精度高、傳感器可靈活更換、節(jié)能、實時監(jiān)測和無線通信等特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分：

(1) 傳感器模塊。由pH傳感器和溫度傳感器將河水的pH值和水溫值轉(zhuǎn)換為電信號。

(2) 調(diào)理電路模塊。調(diào)理電路將電信號處理為單片機所能接收的電壓信號，并送至A/D轉(zhuǎn)換電路。

(3) A/D模塊。A/D轉(zhuǎn)換電路利用24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號高精度地轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓量，并送至單片機處理。

(4) 控制模塊。單片機根據(jù)當前溫度值對所測pH值進行溫度補償和軟件校準，最終得到準確的pH值，并將此 pH值通過無線模塊發(fā)送至上位機。

(5) 其他功能模塊。報警模塊根據(jù)按鍵輸入pH報警閾值，判斷當前pH值，若超過此閾值，則啟動報警模塊；太陽能供電模塊帶有電池監(jiān)測功能，可以實時監(jiān)測太陽能電池的剩余電量，若剩余電量過少，則自動進入節(jié)能工作模式；顯示模塊由LCD顯示當前溫度和pH值、報警閾值、當前日期和時間等信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器

2.1.1 pH傳感器

E-201-C型pH傳感器測液部分為玻璃復合電極，在測量溶液的酸堿度時，當被測溶液的氫離子濃度發(fā)生變化，玻璃電極與參比電極之間的電動勢也隨之發(fā)生變化。通過調(diào)配不同酸堿度的溶液，室溫（25 ℃）條件下用某型pH計通過實驗測量發(fā)現(xiàn)電極電壓與pH值近似成線性關系，并根據(jù)能斯特方程，利用MATLAB將所測樣本點擬合成一次線性函數(shù)。

2.1.2 溫度傳感器

兩線PT100鉑電阻溫度傳感器[8]是一種以白金(Pt)制作成的電阻式溫度傳感器,屬于正電阻系數(shù),其電阻和溫度變化的關系式R=Ro(1+αT)，理論上α=0.003 92，Ro為100 Ω(在0 ℃的電阻值)，T為攝氏溫度。經(jīng)測量的電阻實測值與理論值存在略微偏移，故根據(jù)實驗校準修正的關系式為：

R=100(1+0.003 92T-4.74×10-7)  (Ω)(3)

2.2 pH調(diào)理電路

由于E-201-C型pH傳感器的輸出電量為-400 mV~400 mV范圍內(nèi)的雙極性電壓信號，需要進行放大和偏置調(diào)理。電路將pH傳感器的輸出電壓放大2倍，并通過1.2 V基準電壓芯片LM385加上1.2 V的偏置。由此可將-400 mV~400 mV的電壓范圍變換成0.4 V~2.0 V的電壓范圍。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本設計采用ADI公司的24位三通道Σ-Δ型模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7793，實現(xiàn)對傳感器模擬信號的高精度A/D轉(zhuǎn)換。AD7793內(nèi)置可編程激勵電流源和儀表放大器，將激勵電流源配置成1 mA輸出并與pt100串聯(lián)，取得的電壓信號再經(jīng)過片內(nèi)儀表放大器獲得16倍增益，最終獲得1.6 V附近的電壓值。A/D轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示，AD7793采用外部2.5 V基準參考電壓，將調(diào)理電路送來的pH值模擬量和水溫值模擬量進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，并通過三線SPI接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至單片機進行處理。

2.4 無線通信模塊

nRF905單片無線收發(fā)器工作在433/868/915 MHz 的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。通過單片機IO口模擬SPI通信協(xié)議來配置nRF905的片內(nèi)寄存器，實現(xiàn)對無線模塊的收發(fā)控制。當系統(tǒng)監(jiān)測到的pH值發(fā)生變化時，單片機調(diào)用nRF905發(fā)送最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.5 按鍵、電池監(jiān)測和蜂鳴器電路

系統(tǒng)的pH報警閾值和電池電壓報警閾值通過按鍵電路設置，通過中斷方式與單片機連接。當監(jiān)測的pH值超過了閾值，系統(tǒng)即觸發(fā)中斷進入中斷服務程序，蜂鳴報警。

VCC為電池電壓，經(jīng)電阻分壓輸入電壓跟隨器再輸入單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。當電池電量減少，電壓VCC下降到設定的電壓閾值時，觸發(fā)單片機內(nèi)部中斷，工作模式自動從實時工作模式切換至定時斷續(xù)測量的低功耗工作模式。

2.6 時鐘、LCD、EEPROM電路

時鐘芯片為低功耗時鐘芯片DS1302,可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能。

LCD為低功耗工業(yè)字符型液晶1602，能同時顯示16列2行共32個字符。單片機控制LCD1602顯示當前日期、時間、pH值、溫度值及pH報警閾值。

EEPROM為兩線串行芯片AT24C04，用于存儲用戶設置的pH、電池電壓閾值。此外，當監(jiān)測的pH值超過閾值時，系統(tǒng)將對應的日期、時間和pH值記錄到EEPROM中。

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