小型水质监测硬件系统的研究与设计

谢静

摘要：随着生活质量的持续上升，人们越来越关注饮用水的安全。小型水质监测系统由水上平台模块和手持终端模块构成，两部分协调运作，手持终端控制水上平台的取样以及移动，最终由无线通信模块将水上平台测得数据发送给手持终端，手持终端接收来自水上平台的多股参数并且通过LCD显示模块显示出来。在实现水源合理运用中，水质安全管理起着至关重要作用。

关键词：水质监测 无线通信 单片机

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract：With the sustained increase of quality of life， and concerns over the safety of drinking water is more and more attention.Small water quality monitoring system consists of water platform module and hand-held terminal module.Handheld terminal control water sampling and mobile platform， in the end by the wireless communication module will be floating platform measured data sent to the handset， handheld terminal receiving more shares from the floating platform parameter and displayed by LCD display module. In a reasonable use of water， water quality safety management plays an important role.

Keywords：water quality monitoring；wireless communications；microcontroller

1 绪论

水资源是人类赖以生存的资源，饮用水质量的好坏直接关系人类的生命安全。通过对国内外移动在线水质监测系统的了解以及研究，本课题致力于设计针对小范围水域进行水质参数测量的水质监测系统。希望通过实验验证小型水质监测设计思路的可行性，为以后的发展提供理论依据和参考实例。

2 小型水质监测系统方案设计

水质监测系统包含水上移动平台模块和手持终端模块。用户根据遥控器发射运动命令，使平台运动到指定目的。到达后，水上移动平台启动采样模块和取水模块。手持终端显示由水上平台发送而来的水质参数，并且在LCD显示屏上。系统工作框图如图1所示。

3 水上移动平台的硬件设计

3.1 水质传感器

要实现对水质的监测，水质传感器不可或缺的。水质指标种类比较多，常规的五项水质参数指标包括温度值、pH值、溶解氧含量、电导率以及浑浊度。

设计选用的温度传感器是DS18B20温度传感器，输出数字信号，数据线连接单片机I/O口就可实现数据通讯。传感器采取不锈钢管包装，可以防水、防潮、

防生锈。

PH值可以反映水的酸度、净化程度、有机和金属稳定性等。系统选用270-WQ201PH传感器，是一种相对耐用精度高的PH值检测器件。传感器可以输出4-20mA电流信号，测量0到14PH范围酸碱度的满量程精度可达2%，同时传感器封装在不锈钢和环氧材料内部，外部护罩可替换，易于维护。

浊度主要是指水中悬浮物阻塞的透光度，是否受污染一目了然，直观的体现水质的浑浊度。系统选用270-WQ710浊度传感器，该传感器在测量时，在被测水中聚焦射出一束光束。水中的颗粒物等可以反射传感器聚焦的光束，通过测量90度内的反射光强，光电探测器可以分辨水质的浊度。浊度传感器的工作电压在10V到36V范围内，输出量为4mA到20mA的电流信号，传感器满量程精度值可以达到±5%。

电导率传感器主要用于体现水中无机物污染指标。系统选用270-WQ301型电导率传感器，工作电压为12V，输出为4-20mA电流的3线制传感器，线路连接简单。

3.2电机驱动电路

图2所示为直流电机驱动电路，本设计需要4个直流电机实现船体移动控制和1个水泵实现水质抽样。输入端ina与in1、in2同时控制输出口out1和out2，控制器赋ina和in1高电平时，水泵正传实现取水操作；ina和in2高电平，水泵反转实现放水操作。输入端inb与in3、in4同时控制输出口out3和out4，当单片机给与inb和in3高电平时，电机1正传船体右转，当inb和in4高电平时，电机2正转船体左转。电机3、4控制船体前进后退。

3.3电源电路

水上移动平台需要用到3种不同的电压，分别为7.6V、5V、3.3V。考虑到水上移动平台是以模型船为载体的，而模型船本身带有7.6V可充电电源，所以只要在给移动平台设计7.6V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路就可以实现水上移动平台的供电要求了。

4 手持终端的设计

手持终端以STC89C52RC单片机为核心控制器，与NRF2401无线收发模块相连实现数据的接收控制，P2口作为液晶显示的数据端口。

4.1 LCD显示模块

液晶显示器选用LCD12864点阵汉字图形型蓝屏液晶显示模块，显示由水上平台传送过来的温度值、PH值、浑浊度以及水质电导率。LCD12864显示模块与控制器连接如图3所示，单片机p1口分别与LCD数据端口DB相连，VO、VDD、VSS分别为亮度调节端口、电源正以及电源地接口，当三者通过可变电阻链接时可以用于调节LCD显示模块的屏幕亮度。

4.2 NRF2401模块

NRF2401芯片是一款通用的ISM频段的单片机通讯芯片。NRF2401芯片可以通过SPI接口设置数据信号的输出功率、频道以及协议的设置，也可以进行I/O口数据的普通传送，本次设计运用的通讯方式是I/O口普通通讯。单片机与NRF2401无线收发模块电路连接图如图4所示。

5 结语

对于数据的无限发送与接收，NRF2401无线模块的距离还是存在很大的局限性的，要是设计可以运用更先进的数据传输以及控制方法比如运用互联网的PRS通信，GSM通讯等，那么水质监测系统将突破距离的限制。电脑已经成为当今社会不可或缺的工具，当小型监测系统可以直接通过电脑控制，数据可以直接通过互联网传输时，那么小型监测系统的的硬件需求就会变得更简洁，数据的存储将更便捷，数据处理也将更多元化。处理好的数据也可以在互联网中公布，从而让更多人关注水质问题，保护资源。

参考文献

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