基于机智云的一种智能水质检测仪设计

摘要: 针对传统的水质检测仪器存在因体积过大使用不便，检测参数单一以及不能对水质进行实时监控显示的问题，设计了一款便携式水质在线检测仪。设计以STC8A8K64S4A12单片机为控制器，由温度采集模块、pH测量模块、TDS检测模块等完成水质的温度、pH及TDS参数的检测；通过esp8266无线模块、手机App模块的设计与应用，实现手持式监测功能，结合C语言程序设计，最终实现了一种智能型便携式的水质检测仪。测试结果表明，该系统操作简单方便，准确度较好，具有广泛的应用前景。

 

引言

在日常生活中，对日常普通人来说，这样的工作是不现实的。中国在多参数水质检测仪技术开发和产品生产方面成果较好，可自动检测pH、溶解氧、水温、浊度和导电率等5种参数，但是价格较高，不适宜在民用生活中使用。[6-7]。为了保证饮用水的水质安全，不仅需要在水源处对水质检测进行把关，还需要将水质检测工作落实到千家万户中去，这样才能真正的保证饮用水的安全。作为民用产品，便携式及低廉的产品价格是基本要求，满足这一要求的水质测试仪应具有小型、低成本、便捷和实用性特点，因此，本设计以单片机技术为基础，采用内嵌式AD转换模块实现模数的转换，从而实现小型便携式的智能水质检测器。

 

 

1，系统硬件电路设计

 

系统主要以STC8A8K64S4A12单片机为主控芯片，围绕单片机设计了电源模块、温度采集模块、pH值采集模块、TDS采集模块、WiFi通信模块、OLED显示模块等，其系统结构框图如图1所示。

 

 

图1系统结构框图

 

 

1.1主控制器的选型

 

 

拟采用STC8系列的单片机。由于STC8系列MCU使用了比现有的8051快12倍的超高速8051核心[8-9]。不需要外部晶振和外部复位电路，减小体积的同时，也极大地方便了设计。内置15通道的12bits高精度ADC，速度最快可达800K，对于水质检测仪中模拟量输出的传感器具有良好的采集能力[10]。所有的GPIO均支持4种模式，分别为高阻输入、开漏输出、强推挽输出和准双向口。在数字信号采集和处理中有速度和稳定性的双重优势。故本设计选择型号为STC8A8K64S4A12的单片机作为主控芯片。

 

1.2pH检测电路设计

 

 

pH检测模块电路设计如图2所示，pH电极测量后产生的mV信号通过BNC接口输出，输出到pH模块通过电路来实现信号的滤波放大，将极小的mV电压信号放大为0～5V电压信号，放大后的信号由J2端口输出到单片机[11]。

 

 

图2 PH 检测电路

 

 

其中LM2 660M为开关电容转换器[12]，可将输出电压稳定在1.5～5.5V范围内，这是电压信号的最佳状态。CA3104AMZ运算放大器可以将微弱的mV电压信号放大，它是结合了高压PMOS晶体管和高压双极晶体管在单片芯片上优点的产品，可以给电路提供一个特别高的输入阻抗以及特别低的输入电流，同时它还有特别高的效率。

 

 

输出信号的比值关系为59.16 mV/pH，在25℃时0V单片机接收到的pH为7。pH探头输出的信号大小与温度成比例关系，液体温度越高影响越大，R6电阻的作用是温度补偿。从pH=7开始，集成放大器CA3104AMZ将接收到的探头信号放大，输出电压为正负100 mV/pH的信号。然后第2级反相和偏置运放TL081BCDG4的作用是调整探头输出信号，使信号在一个有效的区间内，使输出信号能一直与pH成比例关系。D1是静电保护二极管也是通电指示灯，R5的作用是在温度补偿不足时根据标准液手动调节输出大小。pH值检测电路由J2端口输出电压Vout为：

 

 

式中：Vin为pH电极的输出信号即BNC端口电压信号，VD1为D1的稳定电压均值。

 

 

 

1.3TDS检测电路设计

 

 

本文设计采用数字TDS水质传感器，其电路原理图3所示，内部集成高精密放大电路、温度测量校准电路和低压差线性稳压电路。温度一直是影响pH值测量的重要因素，pH的精度和测量长期稳定性大部分是由温度决定的，因此本设计在AD采集电路中设计了预处理电路，具有低温漂、高稳定性和高精度的特点。

 

采用的是低偏置电流、低失调漂移信号放大器LMV324,LMV324四路低电压轨至轨输出运算放大器是专门为低压操作而设计的，它有4个频道数，典型偏移量5μV，输入偏置电流最大值250 000pA，共模抑制比65dB。TPS60400DBVR电荷泵为放大电路提供负输入电压，它可以将1.6～5.5V的输入电压直接转置为固定的负输出电压[13]。

 

 

由于它可以接受输入电压范围较大，一般只要有5或3.3V的预置整理电源供电，本文设计直接由模块上的VCC供电。ME6206A30M3G是一种低压差线性稳压芯片，它具有高精度、低功耗的特点，它能提供具有显著小电压降的电流，它将输入的5V电压降为3V后线性稳定输出给放大电路。探针的信号由J1端口流入，信号放大整理后J2端口输出到单片机。

 

 

2，系统软件程序设计

 

主程序部分采用顺序结构，程序启动后进行初始化，然后通过串口迅速进行温度采集，温度返回后数字型数据采集模块pH模块、TDS模块开始检测，随后进行AD采样变换为模拟输入量，并进行标度变换对数据做进一步处理。数据采集处理结束后将数据显示到OLED屏幕，然后将数据暂存到数据发送寄存器中，通过ESP8266模块WiFi信号发送至手机App。主程序流程如图4所示。

 

 

图3 TDS检测电路

 

图4系统主流程

 

 

2.1延时子程序设计

 

 

由于TDS和pH采样需要温度补偿，之后还要进行ADC采样及标度变换，所以在系统采集到温度之后需要一定的延时来等待TDS和pH的显示，因此设计了延时子程序来缓冲等待这一过程。24 MHz主频下在示波器上看一个语句的时间大概是0.8μs，本设计首先设了0.8μs的倍数4μs，再用函数将其增加至1ms，最终延时1s。在系统供电之后直接读取温度，延时1s后读取ADC采样数据。

 

 

2.2OLED显示程序设计

 

 

本文设计使用的是OLED显示器，与单片机的接口采用了I2C连接方式，在设计程序时需要根据连接方式进行。在程序开始执行之后首先初始化屏幕，然后开始写入数据或命令，数据标志表示为0，命令的标志表示为1。而后开始读取数据，数据读取之后还要设置以下显示参数：页地址、显示位置列低和列高地址、起点坐标、显示模式等。显示完成后关闭OLED进入清屏函数，清屏完成后屏幕是黑色的，和未通电点亮时一样。

 

 

2.3无线通信设计

 

为了实现最终的智能化水质检测，使人们在手机上能对日常用水的水质实时了解，采用无线通信的方式完成手机App在线监测。本设计采用专用的ESP8266模块实现联网与云端进行数据传输[14-15]，由机智云平台可以提供手机端App的设计。

 

 

 

首先要在机智云开发者中心注册一个机智云的开发者账号，注册完成后选择个人项目创建一个新产品，填写一些基本的信息，产品的名称是“智能水质检测仪”，技术方案为WiFi/移动网络方案，保存之后就会产生项目的基本信息；其次，创建数据节点，考虑到主要检测水质的3个参数，本设计创建了3个数据点，设置3个节点名称分别是温度、pH和TDS；

 

 

再次，在手机上安装机智云通用版本的App，安装完成后登陆个人账号，在机智云官网下载ESP8266模块专用固件，专用固件在数据节点创建创建完成后即可下载使用，固件下载完成后，使用串口调试器将WiFi模块连接到电脑上，使用固件自带的下载程序刷新固件，并对机智云固件进行装载，装载完成后，WiFi成为基于机智云手册的无线透传模块；最后，设备与App通信时，需要先连接到机智云服务器，等待服务器传输回来的数据，当产品配置完成后，发送生成的PK代码和密钥，服务器对产品进行检测后，系统可以传输温度、pH、TDS等信息来实现数据上传，上传完成后接入网络的手机App即可读取数据。

 

3，硬件调试结果

 

 

为了验证上述设计的正确性和可行性，搭建硬件调试平台。为了防止硬件损害和测试的方便性，系统上电调试时将DS18B20、pH电极和TDS探针都插入了自来水溶液中，如图5(a）所示，水质温度、TDS及pH参数值分别为22.3、99和6.85，从中可知，生活中的自来水温度、TDS及pH值参数在人们健康范围内，是达标的；当改变水质pH值，再次测量，结果如图5(b）所示，水质参数分别为22.2、102及8.95，由于无预热及制冷，水温基本没有发生变化，但是水质的pH值明显发生了改变，从而引起了水质TDS的变化。

 

 

由显示结果可知，该系统测试结果准确；最后，为了实现可手持监测，通过WiFi模块联网与手机端App同步显示，即在手机接入系统WiFi之后打开手机App，通信结果如图6所示。经过实际的操作验证，本设计实现了硬件系统与手机App同步显示测量结果，与市场现有水质测试仪相比，该测试仪体积小、操作简单、成本低，且迎合当前用户潮流需求，将测试结果由手机APP进行实时查看，实现了线下线上同时监测，满足用户对智能型水质检测仪的需求。

 

 

图5 系统测试

 

图6手机app

 

4，结论

本文阐述了一种便携式智能水质检测仪的设计。介绍了pH检测电路、TDS检测电路等主要硬件的结构、工作原理，及软件程序设计中的核心子程序，最后通过硬件平台的测试，验证了该检测仪具有体积小、成本低、可携带、实时显示等多种功能，从实时应用角度出发，方便了人们对水质状况的实时在线检测需求，具有广泛的市场应用前景。