基于STM32和无线通信的水质在线监测系统设计

第一章调研1.1调研背景水是生命之源，也是我们生活中必不可少的一部分。虽然我国水资源丰富，但人均占有率小。而且我国一直面临着水资源的短缺与浪费并存、水环境污染严重与水管理机制不完善并存的矛盾。长久以来，湖泊不仅是人们直接利用的自然资源，更是人类赖以生存的地方。湖泊对社会、经济的发展起到无法估量的作用，是人类生产生活不可或缺的重要资源。然而，随着人口大幅度增长造成的生活废水以及工农业的大规模发展造成的工业废水流入河流，加剧了水质污染问题。但江河湖泊等流动水域的分布面积较广，很多地方不利于人工测量。传统的水质监测项目主要以人为主，需工作人员到实际水源地采取水质样本，后经实验室监测设备处理分析并得出结论。虽然实验室的检测设备齐全、分析方法完善，但整个过程周期长、误差大，且不能实时反映和处理水污染事件，很难满足当下解决环境问题的要求。所以建立一个水质在线检测系统就尤为重要，这样就可以实时了解水的状况，也可以及时治理，省时省力，且能早发现早解决。1.2国内外的研究现状及分析1.2.1国内现状及分析㈠PH大多数天然水为中性到弱碱性，PH为6.0-9.0，淡水多在6.5-8.5，部分苏打型湖泊水可达9.0-9.5，海水PH一般在8.0-8.4。PH测量的现今最常用方法是玻璃电极法，在此之前，PH的测量方法曾先后采用催化法、酸碱滴定分析法、比色测定法等。催化法与酸碱滴定法的测量进度低，操作麻烦，适应性不广，已基本被淘汰了。比色法虽被广泛使用，但测量精度还是较低，在有色和浑浊液中很难应用，在浓盐溶液和离子较低的溶液中会产生极大地误差，且不能做自动连续和远距离测量。玻璃电极法事宜玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极位参比电极组成电池，在许多以此为原理的PH计上有温度补偿功能，便校正温度差异，常规水样监测可准确和再现至0.1PH单位，较精密的仪器可达到0.01PH单位，为提高仪器的准确度，选用的标准缓冲液的PH值应与水样的PH值相近。㈡溶氧天然湖泊水中的溶解氧量一般为7-14mg/L，水中溶氧量的测定方法主要有碘量法、电化学探头法和荧光法。碘量法是最早用于测量水中的氧容量的方法，是基准方法，但是当水中含有一些还原性物质时，会对碘量法滴定数据造成较大的干扰，且碘量法为现场取量固定，再带回实验室进行分析。电化学探头法较碘量法，在水中含还原性物质时，不受影响，其优点还有便携式设计，维护少、准确度高和重复性好，不仅在实验室内被大量使用，也更多的在现场便携测定和水质自动在线监测站中广泛使用，但是若需要其每次的测量值都很准确的话，少的不了对仪器的正确使用和定期的维护保养[1]。荧光法技术由于其操作便捷，被广泛应用于水质检测中，尤其是在有机物和无机物分析中有着很广泛的应用[2]，更适用于野外现场测试。创新的新型荧光技术，没有膜和电解液，几乎不用维护，性能优异，使用方便。㈢导电率水的导电率与其所含的无机酸、盐、碱的量有一定的关系。该指标常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。不同类型的水有不同的电导率。常用单位是μS/cm（微西门子/厘米）。一般天然水的电导率为50~1500μS/cm之间[3]。电导率值随杂质的浓度增加而增大，使用该指标能够更直观的监测水质[4]。电导率的测量常采用电极电导率测量法与电磁电导率测量法。电磁电导率测量法由于不使用电极，故不会存在极化现象，不存在电极表面涂镀耐腐蚀材料和堵塞问题，可在强酸强碱高温高压的情况下使用，但其测量机理决定了只能测量高电导率的溶液，不适用于高纯水测量，且测量范围窄，造价较高。电极电导率测量法较其而言，采用的电极结构简单，造价低廉，测量范围广，尤其适用于测量高纯水。㈣浊度湖泊水的浊度一般在：1500NTU左右散射浊度单位NTU，即1升水中含有1mg的福尔马肼聚合物悬浮物只时，成为一个散射浊度单位。浊度测量常见的有光电式浊度仪，主要有散射式、透射式、散射+透射式。散射式的仪器简单易用具有较高的精度和灵敏度，可满足对常规液体浊度的测量。透射式原理简单，仪器设计方面液较为简单采用透射式测量可获得较大的浊度测量范围，但当在测量较低浊度水体时，大部分的光会直接透射此时对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就会极高，在低浊度时极难满足，因此透射式更适用于高浊度的水体[5]。散射+透射式可检测散射光与透射光，具有较高的灵敏度，但仪器却很复杂且价格昂贵。1.2.2国外现状及分析国外对于水质污染在线监测研究较早，技术也较为成熟[6]。在国外早期的河流水质监测办法是选取河流断面定点定时采集水样，带至实验室分析。但这样的人工抽查方法不能及时准确的掌握不断变化中的水质数据。20世纪60年代末，卫星通讯技术出现，并且被普遍应用到一些海洋和公共海域的水质各参数监测中，卫星有定位范围的功能，可以用来定位水质监测所覆盖的范围，最初其主要是用于监测海水中的叶绿素ａ和海洋表面的温度。在过去的20年中，这种技术也被用在沿海和内陆水域的水质监测中。此技术已经比较成熟，卫星通讯技术虽然监测范围较广，但是传输时延大，技术复杂，有一定的商业风险且成本较高。威尼斯WATERS监测系统使用15条带有特殊监控和数据传输设备的浮船，浮船每日都在水域中航行以获取大量的水质监测数据，再通过无线远程的方式将数据传输到信息处理中心，以实现实时监测和水污染警告，该系统基于LUNIX操作系统，然后并采用专用程控交换机进行通讯。虽然可以进行实时监测并能通过无线技术将数据传输给数据中心，但是15条浮船进行每日航行，费时费力，浪费资源，且投入较高。在70年代初期美国和日本等发达国家就对江河湖泊等开展了自动监测，测定项目有水温、浊度、电导率等，同时也对工厂所排放的工业废水也进行监测。随着工厂的大规模发展导致水污染的加剧，所以有关部分加强了对于是污染的执法力度，在70年代末又增加了化学需氧量、总磷、总氮等自动化监测项目，并通过远程传输系统把得到的监测数据自动传至各级环保部门。目前美国、日本等发达国家已经生产出了比较成熟的水质在线监测设备，但售价一般在4-6万美元之间，价格过于昂贵[7]。20世纪90年代末期[8]，随着现代传感器技术、计算机技术和电子工业的不断发展，AlkandariA、AlnasheetM、AlabduljaderY等把无线传感器网络技术应用到水质监测当中，它采用无线通讯技术形成一个网络系统，不仅可以对网络范围内的水质进行感知，还具备数据传输和处理的功能。无线传感网络监测系统中分布在各监测点的传感器节点有制造成本低、体积小、耗能低等优点。随着对水污染的高度重视，各个国家都在水质监测方面做出了较大努力且取得了一定成效。较常规参数且技术相对成熟的自动监测水质的仪器仪表有：水温、PH、流速、溶解氧、水位、水压等[9]。可监测的水质污染程度的水质参数主要有：电导率、PH、浊度、硝酸根(NO)、溶解氧(DO)、总有机碳(TOC)、总氯、氨氮、高锰酸盐、六价铬等。不同水环境的检测参数不尽相同。总结来说，早期国外也只是通过现场采集带回实验室监测，但随着技术发展国外在水质监测方面发展较快且处于领先地位，可以运用卫星通讯技术、无线传感器技术的、远程通讯自动监测等检测技术，这些技术先进且能检测出的参数比较广泛但是普遍价格昂贵，且难以实现。1.3调研分析及结论综合国内外的水质监测技术的发展过程，可以将水质监测工作的发展概括为以下几个阶段：⑴人工水质分析阶段：在早期，水质分析人员只能通过到要研究的水域去采集水样带回实验室进行研究，且早期研究水质的仪器也较为落后。以至于这种研究方法就存在极大的缺陷，不仅采样范围较小、代表性不强，而且无法对水质进行实时的监测。⑵水质测试仪器分析阶段：由于人工水质分析缺陷过于明显，人们开始研究出各种仪器来对水质进行分析。相关的水质分析人员使用水质测试仪直接去河边进行测量，相对于人工水质分析阶段来说，研究的范围就有了很大的改进，但是水质测试仪器不能将采集的数据传输到监测中心，每次需要数据时只能重新去进行分析，也具有很大的局限性，应用性不强。⑶水质在线分析阶段：自动化的水质在线监测系统可以及时的、全方位地对水流域的水质的参数进行采集，并实时反馈，而且出现异常时，能够实时报警，有助于相关人员立刻采取措施。采用自动化的水质在线监测系统，水质分析人员可以通过各类传感器实现对水质PH值、溶氧量、温度、浊度、电导率等的在线监测，避免了采样范围小、代表性不强、不能将采集的数据及时传输到监测中心等缺点；但是部分技术依然存在一些缺点，有待进一步的改进。水质监测未来的发展趋势大致分为如下几点：⑴检测指标增多。目前在运行的水质检测站点基本只检测一些常规参数，水体的颜色色度、臭味程度、浑浊度、肉眼可见物、化学需氧量、余氯、细菌数量、总大肠杆菌群、耐热大肠杆菌群等。⑵监测领域不断扩大，监测站点逐渐增多。检测领域涉及饮用水、地表水、地下水以及近岸海域等各个方面；监测站点常设立于水源地、自来水厂、污水处理厂、纯净水厂、小区、学校、环保部门等。⑶由简单的水质检测向综合性网络化水质在线自动监测发展。⑷水质自动监测系统的形式趋向多元化，有站房式、整体柜式、车载移动式等等。国内外在早些时期都只能采集水样带回实验室检测，但是这样的方法耗时耗力，而且不能进行实时监测，效率较低。随着技术的进步，国内外对于水质监测都有了进一步的发展，国外较快，方法技术较先进。但根据查阅的资料文献等得知这些水质监测仪仍然存在一定的问题，例如数据无法实现远程传输，缺少电脑端或者手机端的实时监控以及价格昂贵等不足。总得来说，根据调研结果可知，本次研究要设计出一套具有多参数测量，测量精度好，价格适中，可进行远距离传输并在电脑端实时监控的水质监测系统。

第二章方案设计2.1设计内容及要求针对目前水质环保需求，设计水质在线监测系统。要求选择合适传感器，对水中的PH值、溶氧、导电率、浊度等参数进行在线测量；要求对四种（PH值、溶氧、导电率、浊度）参数测量的误差影响因素进行分析，并体现在设计中；设计合适的信号传输接口对各传感器信号进行采集；设计合适的通信接口将测量信息传输到监测站计算机。2.2提出方案根据国内外现状分析以及本次的设计要求，我们认为PH值、浊度、溶氧率、电导率是河海湖泊的常规水质参数。水质监测系统可进行在线实时监控，定性分析水体的水质情况，由于监测湖泊水域有线通信很不方便，所以通过无线技术进行数据的远距离传输。监测中心便可以得到相应数据。所以根据分析结果提出三个方案并择优选择。此水质在线监测系统主要包含三个模块：数据处理模块、数据采集模块、数据通讯模块。首先是对传感器进行查阅资料和选择，充分分析监测的范围、灵敏度、价格等各个因素后择优选择，但在不同方案中所采用的传感器不同，传感器进行数据采集后，通过调理电路传送给单片机进行数据处理，然后得到的信号通过数据通信技术发送给监测端。具体方案如下：方案一：传感器+FPGA+WIFI+监测端方案二：传感器+STM32F103RCT6+ZigBee通信+监测端方案三：传感器+STM32F103RCT6+GSM+监测端注：不同方案所选传感器不同，具体所采用的传感器在方案具体分析时呈现。2.3方案分析及选择2.3.1方案一介绍及优缺点分析㈠方案一介绍方案一所采用的具体传感器类型分别为：⑴PH值传感器：梅特勒PH复合电极LE438型电极⑵浊度传感器：TS-300B⑶溶解氧传感器：KDS-25B⑷电导率传感器：DJS-1T(光亮)。方案一的流程图如图2-1所示：本方案PH值传感器、浊度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器都是模拟信号输出，我们需要进行ADC模数转换。首先PH传感器、浊度传感器和KDS-25B原电池式传感器都是毫伏级电压输出，所以当传感器接收到信号后，要经过调理电路对信号进行放大、稳压等。导电率传感器是电流输出，首先要进行电流转变为电压的电路转换，其次再进行稳压等操作。当四个传感器检测到信号并把信号进行调理之后输入FPGA的ADC采集端口，然后在FPGA中进行数据处理，最后得到监测的具体参数。监测到参数之后要通过无线技术，将所检测到的数据进行传输到监测端，本方案首先决定采用WIFI，WIFI的优势主要是传输速度快和传输距离较远且无线电波的覆盖范围广，但弱点主要是在功耗上，其最大传输距离可达几百米，最大传输速度可达几百Mbps，最大功耗为几十毫安。这样通过WIFI就可以将处理后的数据传输到监测端。图2-1方案一流程图㈡优缺点分析⑴梅特勒PH复合电极LE438型电极系列复合PH电极：通常用于实验室内测量温度有差异的溶液的PH值。一般应用于实验室内可以测量一般水溶液介质，用于水族馆、废水、（水基）悬浮液、游泳池、油漆等试样，适合在野外使用，并可用于温度发生波动的样品。维护需求低但价格稍贵。⑵TS-300B浊度传感器测量水中的浊度（悬浮物的计数器）：传感器基于光学原理。温度符合测量的水质温度，额定电压为5VDC，额定电流为最大30mA。价格便宜。⑶DJS-1T(光亮)电导率传感器：二极片式的电导电极目前是我国使用最多的电导电极类型，实验室二极片式的电导电极的结构是将铂片烧结在平行玻璃片上，或圆形玻璃管的内壁上，调节铂片的面积和距离，就可以制成不同常数值的电导电极。⑷KDS-25B溶解氧传感器：是基于膜电极法测量溶氧量的传感器，此方法设备价格低廉，测量简单快捷，但由于氧气参与反应会在电极和膜体之间形成杂质，会降低反应速度造成误差，所以需要定期更换电极和膜体。⑸FPGA：规模大，集成度高，处理速度快，执行效率高。能完成复杂的时序逻辑设计，且编程灵活，方便，简单，可多次重复编程。许多FPGA可无限重复编程。利用重新配置可减少硬件的开销。但掉电后一般会丢失原有逻辑置；时序难规划；不能处理多事件；不适合条件操作。虽然FPGA比较高速，处理速率高，但对于本次设计来说有点浪费资源，且设计过程较难已实现。⑹WIFI：WIFI技术成为物联网领域无线传输的最重要选项。其无线电波覆盖范围广，速度快可以调整到1Mbps、5.5Mbps及2Mbps，带宽自动调整，有效保障网络的可靠性和稳定性。而且可靠性高，无需布线。但切换时间长、覆盖半径小、带宽不高等并且一个反复出现的批评就是电量消耗和资源占用的增多。但是此次设计是为了进行在线传输，测量河海湖泊的水质，WIFI所传输长度半径为100米左右，不是很达到要求。2.2.2方案二介绍及优缺点分析㈠方案二介绍方案二所采用的具体传感器类型分别为：⑴PH值传感器：梅特勒PH复合电极LE438型电极⑵浊度传感器：TS-300B⑶溶解氧传感器：RDO-206A⑷电导率传感器：DJS-1T(铂黑)。方案二的流程图如图2-2所示：本方案二PH值传感器、浊度传感器、电导率传感器是模拟信号输出，操作和方案一相同。基于精度等原因，本方案放弃膜电极测溶解氧量，采用用荧光法测量的RDO-206A溶解氧传感器，它是数字信号输出，通过485总线再进入单片机串口再处理，另外三个传感器检测到信号并把信号进行调理之后输入ADC采集端口，然后在STM32F103RCT6中进行数据处理，基于成本和设计简化以及浪费资源等考虑，数据处理模块本次实验采用STM32F103RCT6，最后得到监测的具体参数。监测到参数之后要通过无线技术，将所检测到的数据进行传输到监测端，本方案二首先决定采用ZigBee通讯，ZigBee通讯比WIFI通讯传输距离远，大概可以达到几公里以上，且传输稳定可靠。图2-2方案二流程图㈡优缺点分析⑴导电率传感器本次采用铂黑系列：一般选用铂黑电极来测量较大的电导率，其测量范围大10s/cm；而光亮电极则通常用来测量较小的电导率，一般测量范围小于10s/cm。铂黑电导电极可有效防止在测定较高电导率溶液时出现极化现象。因为他的表面比较大，这样降低了电流的度，减少或消除了极化现象。⑵溶解氧传感器采用荧光法测量RDO-206A型传感器，和方案一相比，此传感器无需电解液，不会极化；无需消耗氧，不受流速影响；内置温度传感器，自动温度补偿，不受硫化物等化学物质干扰；漂移小，反映快速，测量更准确；尤其免维护，使用周期长，使用成本低，但价格要稍稍昂贵。⑶经过对比考虑，数据处理模块有方案一的FPGA变换为STM32F103RCT6，它的具体参数如表2-1所示表2-1具体参数速度72MHz外围设备DMA电机控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM温度传感器WDT输入输出数51程序存储器容量256KB程序存储器类型FLASHRAM容量48K电压-电源(Vcc/Vdd)2V-3.6V振荡器型内部工作温度-40°C-85°C它专为要求低成本、高性能、低功耗的嵌入式设计的。它能支持32位广泛的应用，支持包括高性能、实时功能、数字信号处理，和低功耗、低电压操作，同时拥有一个完全集成和易用的开发。⑷ZigBee是一种建立在IEEE802.15.4基础上的无线通信协议。具有短距离、低功耗等优势。其次它还有以下几点优势：①数据速率比较低。在2.4GHz的频段大概只有250Kb/S左右，再除掉信道竞争应答和重传等消耗等，最后真正能够被应用利用的速率可能不到100Kb/s。所以不适合做视频之类事情。②在可靠性方面。MAC应用层有应答重传功能，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰。当ZigBee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。③能耗特性是ZigBee的一个技术优势。在不需要进行通信时，ZigBee的节点可以进入非常低功耗的休眠状态，这时能耗可能只会有正常工作状态的千分之一。一般情况下，总运行时间大部分都是休眠时间占的，有时正常工作的时间可能还不到百分之一，且通常情况下节点所承载的应用数据速率都比较低。因此达到很高的节能效果。但是经过查阅后，还是达不到设计要求，距离还是相对来说较近，其衍射能力弱，穿墙能力弱，一扇门，一扇窗，一堵非承重墙，都会让信号大打折扣。且传输速率低。2.2.3方案三介绍及优缺点分析㈠方案三介绍方案三所采用的具体传感器类型分别为：⑴PH值传感器：E-201-C复合电极⑵浊度传感器：TS-300B⑶溶解氧传感器：RDO-206A⑷电导率传感器：DJS-1T(铂黑)。方案三的流程图如图2-3所示：和方案二相同，本方案PH值传感器、浊度传感器、电导率传感器是模拟信号输出，检测到信号之后要进行信号的调理，再接入单片机的ADC采集端口进行数据采集和模数转换。但是经过比对和考虑，本次方案的PH值传感器采用E-201-C复合电极，具体介绍参考以下优缺点分析。溶解氧传感器是数字信号输出，受到激励之后通过485总线再进入单片机处理，本方案数据处理模块还是采用STM32F103RCT6，最后得到监测的具体参数。监测到参数之后要通过无线技术，将所检测到的数据进行传输到监测端，前两种方案中的通讯方式距离都过短等其他影响因素，达不到设计要求，所以本方案决定采用GSM通讯方式。图2-3方案三流程图（二）优缺点分析（1）E-201-CPH复合电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极，用于测量水溶液的PH值，它广泛用于环境监测、化轻工业、医药工业、染料工业中需要检测水溶液PH值的场合。电极的易碎部分有塑料栅保护，碰撞不易破损，抗干扰能力强，具有自动温度补偿功能。测量范围大且响应快。⑵GSM系统有几项重要特点:信息灵敏、使用上直观、网络容量大、手机号码资源丰富、防盗拷能力佳、稳定性强不易受干扰、通话死角少、通话清晰、手机耗电量低、机卡分离。其主要技术特点如下:①频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。②容量。GSM系统的每一个信道传输带宽的增加，同频复用栽干比要求降低至9dB，以及半速率话音编码，使GSM系统的容量效率比TACS系统高3~5倍。③话音质量。由于数字传输的特点和GSM有关空中接口以及话音编码的定义，超过门限值时，话音质量总是与无线传输质量无关，达到相同的水平。④安全性。通过加密、鉴权和TMSI号码从而达到安全的目的。鉴权是为了验证用户的入网权利。加密用于空中接口。TMSI用来防止有人跟踪而泄漏其位置。⑤在SIM卡基础上实现漫游。漫游意味着用户可以从一个网络自动进入另一个网络，它是移动通信的重要特征。GSM系统可以提供全球漫游。2.4方案选择传感监测模块：根据各种传感器的性能、技术指标以及价格等各方面的比较，最终选择PH值传感器采用E-201-C；浊度传感器采用TS-300B；溶解氧传感器采用RDO-206A；电导率传感器采用DJS-1T(铂黑)。数据处理模块：STM32由于有各种外设操作起来简单，可以处理模拟以及数字信号，适用于设计的控制电路。FPGA应用也比较广泛，只能处理数字信号，但是能同时运行多条指令，也就是并行执行，这是单片机、ARM等比不了的，主要用于处理各种逻辑。FPGA是高速处理器，对于本次设计来说过于浪费资源，成本也会相对来说变高。数据通信模块：总的来看，Zigbee的问题在于ZigBee通信是近距离通信，距离小于等于100m，距离过短，不适合远距离实时检测水质，成本也比较高。WiFi的问题在于功耗比较大，成本也较高。经过三种方案的优缺点分析，本次设计采用方案三，首先其采用数字和模拟传感器进行数据采集，然后采用STM32F103RCT6进行数据处理，最后用GSM进行数据通信。

第三章技术路线3.1技术路线图图3-1技术路线3.2技术路线阐述首先根据本次设计要求进行调研，查找文献分析国内外水质检测系统的发展现状，包括所采用的技术、可以测量的参数以及取得的效果等，然后通过分析前人在水质监测方面采取的方法技术、取得效果，精度、影响因素等得到对于本次研究设计有利的结论。然后进行本次实验的方案设计，一共设计三个方案，从数据采集模块，数据处理模块，数据通信模块来进行综合分析，还需要充分考虑技术先进性、成熟度、竞争力、经济成本、环境与可持续等因素从而确定最终所选方案。对所设计方案中的器件进行选型，其中包括PH传感器、溶氧度传感器、浊度传感器、导电率传感器、电源、稳压、放大器、通讯模块等，查找数据手册得到具体参数。将PH传感器和浊度传感器中所检测到的信号经过调理电路进行放大、稳压、滤波后，再将其传入单片机中进行模数转换和信号采集；导电率传感器的输出是电流输出，要进行电流到电压的转化，再接入单片机；溶氧传感器是数字输出，要先接RS485再接入单片机串口，设计好调理电路后进行仿真，最后将采集处理后的数据通过GSM通讯模块传送到监测端。在设计原理图时要进行充分的运算分析和传感器的测量原理分析，在电路设计方面要充分考虑抗干扰性、降噪、散热、接口布置等因素。

第四章器件选型4.1稳压芯片选型稳压芯片部分选用的是AMS1117-3.3和AMS1117-5，是正向低压降稳压器，AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。具有限流功能，当器件过热时自动切断，其温度范围符合设计要求，固定输出电压可为3.3V和5.0V，具有1%的精度且体积小。实物图如图4-1所示：图4-1AMS1117-3.3实物图4.2传感器选型4.2.1PH值传感器PH值为氢离子浓度指数，但氢离子浓度指数往往非常小，在应用上用PH值这一概念常作为水溶液酸碱性的判断指标。PH值为一个介于0-14之间的数。在25℃的温度下，当PH值大于７时溶液为碱性，当PH值等于７时溶液为中性，当PH值小于７时溶液为酸性。在水质监测领域，PH值是一个衡量水质好坏的重要指标[10]。所以PH值传感器是用来测定溶液的PH值的传感器。随着现代传感器技术的发展，复合型电极PH传感器应运而生。水质在线监测系统的传感器选择关系到整个系统的稳定性和测量精度，结合测量环境和系统的开发成本，本次设计最终采用的是上海仪电科学仪器股份有限公司开发生产的E-201-C型传感器，实物图如图4-2所示。图4-2E-201-C传感器E-201-C型传感器是玻璃电极和参比电极组合的塑壳可充式复合电极，它利用电位法测量水体的PH值，抗干扰能力强，电极是全屏蔽式的，可以防止测量时外电场的干扰，电极易碎部分使用塑料栅来进行保护，电极是可充式的，电极的上端可进行充液，电极下端有电极保护帽。具有如下几个特点⑴碰撞不破，电极的易碎部分有塑料栅保护，测量时可作搅拌棒使用。⑵电极为可充式：电极上端有充液小孔，配有小橡皮塞，在测量时应把小塞取下。⑶抗干扰性能强：电极为全屏蔽式，防止测量时外电场干扰。⑷本电极下端配有电极保护帽，取下帽后，可以立即使用。⑸复合电极的外参比补充液为3mol/LKcl，补充液可从上端小孔加入。具体参数如表4-1所示表4-1PH值传感器具体参数表测量范围0-14PH零点pH值7±0.25pH工作响应时间≤2min测量适用温度范围0-60℃外壳材料聚碳酸酯输出电压毫伏级PH传感器[9]是通过对被测水质的氢离子浓度变化的检测转化为电压信号，复合电极由玻璃电极和参比电极构成的，玻璃电极对氢离子浓度较为敏感，通过两者的电势变化即可确定水质的PH值，这是E-201-C传感器实现PH值测量的原理。复合电极输出的电压信号为毫伏级的，并且本身具有极大的内阻导致带负载能力小，故需要设计调理电路，对信号进行放大，将放大后的信号转化为单片机可处理的0-3.3V，以达到微控制器所需要的A/D模数电压。4.2.2浊度传感器浊度是水体物理性状指标之一。它表征水中悬浮物质等阻碍光线透过的程度。一般来说，水中的不溶解物质越多，浑浊度也越高。浑浊度是由于水中存在颗粒物质如黏土、污泥、胶体颗粒、浮游生物及其他微生物而形成，用以表示水的清澈或浑浊程度，是衡量水质良好程度的重要指标之一。本设计采用浊度传感器TS-300B型测量洗涤水中的浊度（悬浮物的计数器），实物图如图4-3所示。其引脚说明如图4-4所示。图4-3TS-300B型浊度传感器图4-4引脚说明浊度传感器是基于光学原理，利用发光二极管和光电三极管对特定波长的接收作用，可以用来测量水的不透光度或者其他物质的浓度。通过使用光电三极管和发光二极管，传感器通过发光二极管光源发出的光经污水反射，部分光传播到光电三极管，根据接收到的光线量，计算出水的浊度。其工作电压为5V，测量范围为0-1000±30NTU，浊度与输出电压为反比，即浊度值越大输出电压值越小。其比例如图4-5所示。并且TS-300B型传感器具有可长期存储监测数据、价格便宜、利用位处理器的环境变化补偿可提高线性特性和准确度、紧凑的传感器结构可减少额外配置数据存储器的成本、存储参数和上传数据的配置非常方便等特点。此外TS-300系列传感器继承了传统数据采集系统的所有特点，提供当今最经济的处理方案，并满足监测和数据采集的所有功能要求。图4-5浊度-电压比例图4.2.3溶解氧传感器溶解氧为空气中分子状氧气溶解在水中的含量。水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。在自然情况下，空气中的含氧量变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。大气压力愈低，其溶氧量则亦随之降低。氧在水中的含量，也因水中有机物分解及生物的呼吸把氧消耗掉，所以水中溶氧量经常会改变。目前有三大检测方法：碘量法、电极极谱法、荧光法。碘量法测定步骤繁杂，不适合现场测定，检测时间相对较长；电极极谱法测定水中溶解氧步骤相对简单、价格相对较为低廉。但是随着氧气的消耗会在膜和电极上产生污垢，形成氧气梯度会降低反应速度；荧光法测量相对于前两种方法来说，不需要频繁清洗探头，效果是节约了能源以及保证了降解效果。而且测量过程中不会消耗任何物质，也不会消耗水中的溶解氧，所以这种测量方法测量结果更加稳定数据稳定，无干扰，测量响应时间快，但价格稍高。溶解氧传感器是测定水中氧气含量的传感器，溶氧量测量是检测水体中的氧气含量。通过三种方法的研究比较选定采用荧光法测量，选用的传感器是RDO-206A型号的溶解氧传感器来测定水中的含氧量，其具体的产品图如图4-6所示，尺寸结构如图4-7所示。图4-6RDO-206A在线荧光法溶解氧数字式传感器图4-7传感器尺寸结构图所选用的传感器采用的是荧光法测量溶氧量，荧光法的测量原理是基于物理学中特定物质对活性荧光的猝熄原理。发光二极管（LED）发出的蓝光照射在荧光帽内表面的荧光物质上，内表面的荧光物质受到激发，发出红光，通过检测红光与蓝光之间的相位差，并与内部标定值比对，而计算出氧分子的浓度，经过温度自动补偿输出最终值。图4-8RDO-206A传感器结构RDO-206A传感器是数字输出，则不用设计调理电路，通过485总线输出，且其测量范围广，分辨率高，精度高，功耗小，但是价格稍贵，但出于精度、反应速度、实用度考虑，还是决定采用。具体技术参数如表4-2所示。表4-2溶解氧传感器具体参数型号RDO-206A测量原理荧光法测量范围0-20mg/L分辨率0.01mg/L,0.1℃精度±2%F.S.，±0.5℃温度补偿自动温度补偿输出方式RS-485总线工作条件0-45℃、<0.2MPa存储温度-5-65℃安装方式浸入式安装线缆长度5米，其他长度可定制功耗<0.5W电源12-24VDC±10%传感器外壳材料POM和316L不锈钢4.2.4电导率传感器电导率的值表示液体的传导电流的能力，本次研究采用的电导率传感器是DJS-1T(铂黑)型电导电极进行测量的，对于不同材质的传感器选择和比较已在方案设计里做了介绍，此处不再赘述，其产品如图4-9所示。图4-9DJS-1T（铂黑）型电导电极二极片式电导电极的结构是将铂片烧结在平行玻璃板上，或圆形玻璃管的内壁上，铂黑电导电极可有效防止在测定较高电导率溶液时出现极化现象，其测量范围大。具体参数如表4-3所示。表4-3具体参数品牌雷磁外形尺寸Φ12×120mm电极常数1.0±0.2测量范围K2-20000μs/cm外壳材料玻璃校正液0.01mol/LKCL电极特性玻壳-三芯航空插&Q6电极常数J为1.0±0.2。K=GJ,所产生的电流I=U/R，此传感器的RX=50KΩ-500KΩ一些计算结果如下图，所以经过计算此传感器受到激励后所产生的电流范围为0.01mA-0.1A。图4-10计算关系表4.3放大器等其他器件选型4.3.1LM358LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其内部原理图如图4-11所示。图4-11LM358内部原理图特性：直流电压增益高，电源电压范围宽，双电源供电，低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。图4-12LM358实物图4.3.2TLC4502TLC4502可在上电时，将输入失调电压自动校准为零。校准时间一般为300ms。校准后的校准电路与信号通道脱离并关断，因此校准电路对信号通道几乎无影响。具有高直流增益、大宽带、高共模抑制比和电源抑制比、良好的输出驱动。还内置输出短路保护功能[7]。具有低失真、低功耗、低噪声、高开环增益、低输入失调电压漂移等特性。图4-13TLC4502放大电路4.3.3OP07OP07是一种低噪声的双极性运算放大器集成电路。OP07具有非常低的输入失调电压（最大为25μV），此外OP07同时具有输入偏执电流低和开环赠一稿的特点。图4-13OP07实物图1和8脚为调零端，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，6为输出，7接电路，5脚接空。具体管脚图如图4-13所示。图4-13OP07管脚图4.3.4LF411LF411是一个低失调、低漂移的输入运算放大器。低输入偏置电流（50pA）、宽增益带宽（3兆赫/分钟）、内部校准的失调电压（最大0.5mV）等特点，具体管脚图如图4-15所示。图4-14LF411实物图图4-15LF411管脚图4.3.5LM7812CTLM7812CT是一款线性直流三端稳压器，三端稳压管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。输出电压是12V，输出最大电流是1.5A，输入电压范围15V~35V。刚好满足设计需求，且输出稳定性好、使用方便、价格便宜、输出过热或过流自动保护。图4-15LM7812CT实物图4.3.6变压器变压器选择深圳才兴电子有限公司的EI48小型电子变压器8W220V转AC20V单输出变压器，两条红线为输入线,两条蓝线为输出线,黄线抽头零线，具体参数如表4-4。

表4-4具体参数额定功率：8W输入电压AC220V/50Hz输出电压AC20V（单输出）输出电流0.40A/400mA频率特性低频4.4GSM模块模块简介：5V-18V供电，通过USB—TTL模块，可实现模块与电脑通信，还有一组手机锂电池供电接口，还有两个LED指示灯，方便调试，上电无需按键或单片机控制开机，上电直接启动，省去了麻烦的开机过程，工作的频段为：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz。图4-16GSM模块

第五章详细设计5.1关键电路设计5.1.1电源及稳压电路此设计供电采用220V交流电压，首先通过变压器将220V交流电压转为20V交流电压。然后再通过整流桥将交流电压变为直流电压，整流桥后面的滤波电容选择2000uf，耐压50V。最后使用三端稳压芯片LM7812将20V直流电压降为12V直流电压，电路原理图如图5-1所示：图5-1电源电路本设计根据其他器件的供电需要，需将12v直流电压降为3.3V和5V。具体稳压如下：3.3V稳压，从左至右依次是12V输入，接地，3.3V输出。C2、C3是输入电容，对于交流电压整流输入，其作用是防止断电后出现的电压倒置。C4与C5是输出滤波电容，作用是抑制自激振荡，如果不接这两个电容的话，通常线性稳压器的输出会是个振荡波形。5V稳压的接法与3.3V稳压的接法是同理的。图5-2稳压电路5.1.2PH传感器电路PH电极信号调理电路设计如图3-7所示，采用的是精密双路运算放大器TLC4502芯片，内置输出短路保护功能，采用自校准技术，在上电时就将输入失调的电压自动调整为零，可以解决时漂和温漂问题，操作简单方便，图5-3PH值调理电路5.1.3浊度传感器电路浊度传感器受到激励后产生的电压信号非常小，所以要经过放大电路放大将信号放大，我们选择的是LM358芯片，放大倍数=PL3R7+1=6，所以放大倍数为6倍。在受到激励产生信号后我们加了一个电压跟随电路，此电路我们选择的芯片为LF411图5-4浊度值调理电路

5.1.4电导率传感器电路在器件选型中计算得到此传感器受到激励后所产生的电流范围为0.01mA-0.1mA。通过查阅资料可得河海湖泊的电导率一般为0.2μs/cm<k<300μs/cm，所以最大电流为1.5mA。首先通过R77将电流信号转为电压信号，此时电压U1为0.15A，所以再通过放大电路将电压U1放大到所需要的电压，我们选择OP07芯片，输出电压=（PL3R7+1）*U图5-5电导率传感器调理电路5.1.5溶解氧传感器溶解氧传感器为数字输出，通过485总线再连接到STM32的串口，进行数据采集。溶解氧传感器接入485总线的接线图如图5-6所示。图5-6溶解氧传感器(RS3485)5.1.6STM32F103RCT6图5-7STM325.2PCB

第六章仿真分析6.1电源及稳压电路仿真首先通过变压器将220V交流电压转为20V交流电压，下图为19.999V，仿真结果基本准确。再通过整流桥将交流电压变为直流电压，然后再通过三端稳压芯片LM7812将20V直流电压降为12V直流电压。由下图所示，经过变压，整流，降压后的电压为11.969V。图6-1电源及稳压电路仿真6.2PH值传感器电路仿真PH值传感器输出电压为毫伏级，仿真令传感器输出电压为500mV，放大器在仿真时由LM358替代TLC4502进行仿真，放大倍数=R2R1+1，可知放大倍数为6图6-2PH值传感器电路仿真6.3浊度传感器放大电路仿真得到的信号先通过跟随电路，下图所示跟随电路前后电压几乎不变化，主要是起到隔离的作用，然后在进行信号的放大处理，如图6-3放大倍数=R1R5+1=6，输入电压为0.214V，输出电压为1.283V图6-3浊度传感器放大电路仿真6.4电导率传感器电路仿真根据器件选型和原理图当中的计算，得到传感器在受到激励后所产生的输入信号电流的范围，通过取值我们令输入信号的电流为1.5mA，然后将电流信号转为电压信号，由于R1取值为为0.1K，所以转为的电压应该为150mV，图6-4中XMM2为149.999mV，几乎正确，然后通过放大电路放大R3R2+1=21倍后的输出电压为3.15V，图6-4中XMM1为2.998图6-4电导率传感器电路仿真第七章总结水质监测是保证水源安全的重要手段。虽然目前我国水质基本上安全，但是影响水质安全的因素依然存在，因此研究一套可以实时监测水质的产品是十分重要的。本次设计中，先对水质在线监测的国内外研究现状及一些关键技术进行了调研，根据调研的结果设计出了三个方案，再对每个方案的技术先进性、成熟度、竞争力、经济成本、环境与可持续等多方面进行综合分析最终设计了一套可以实时在线监测水质各项指标的系统。在本次水质在线监测系统设计所确定的方案中首先采用E-201-CPH值传感器、TS-300B浊度传感器、RDO-206A溶解氧传感器、DJS-1T(铂黑)电导率传感器对需要监测的水域进行数据采集，然后把采集的数据传送到STM32F103RCT6进行处理，最后再通过GSM把处理后的数据发送到监测端。最终就可以在监测端实时的对水质进行监测。在确定了方案之后就根据测量原理及各项技术指标等设计了具体的原理图并画出PCB，再对设计的部分电路进行仿真确定了其可靠性。在以上研究过程中，本文大体上实现了对水质在线监测系统的初步设计。但是由于我们专业知识水平的限制，在设计中许多地方存在一些不足之处，还有待进一步研究完善。⑴本文只针对水质参数PH值、溶氧度、浊度、电导率进行了实验研究，且针对每个参数选择器件时由于考虑到经济成本、实施难度、现场稳定性、运营维护、环境与可持续等因素所选择的器件存在部分瑕疵。⑵在进行数据处理时，FPGA集成度高，处理速度快，执行效率高，且可多次重复编程等。但是由于FPGA的技术要求较高，只能处理数字信号且经济成本较为高昂，本次设计中采用了常用的STM32。STM32由于有各种外设操作起来简单，可以处理模拟以及数字信号，适用于设计的控制电路。⑶为实现在线监测，根据现代通讯技术结合可靠性等多方面因素综合分析之后选择GSM通讯模块进行数据传输。但是GSM通讯