基于STM32和無線通信的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第一章調(diào)研1.1調(diào)研背景水是生命之源，也是我們生活中必不可少的一部分。雖然我國水資源豐富，但人均占有率小。而且我國一直面臨著水資源的短缺與浪費(fèi)并存、水環(huán)境污染嚴(yán)重與水管理機(jī)制不完善并存的矛盾。長久以來，湖泊不僅是人們直接利用的自然資源，更是人類賴以生存的地方。湖泊對社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到無法估量的作用，是人類生產(chǎn)生活不可或缺的重要資源。然而，隨著人口大幅度增長造成的生活廢水以及工農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展造成的工業(yè)廢水流入河流，加劇了水質(zhì)污染問題。但江河湖泊等流動(dòng)水域的分布面積較廣，很多地方不利于人工測量。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目主要以人為主，需工作人員到實(shí)際水源地采取水質(zhì)樣本，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測設(shè)備處理分析并得出結(jié)論。雖然實(shí)驗(yàn)室的檢測設(shè)備齊全、分析方法完善，但整個(gè)過程周期長、誤差大，且不能實(shí)時(shí)反映和處理水污染事件，很難滿足當(dāng)下解決環(huán)境問題的要求。所以建立一個(gè)水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)就尤為重要，這樣就可以實(shí)時(shí)了解水的狀況，也可以及時(shí)治理，省時(shí)省力，且能早發(fā)現(xiàn)早解決。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析1.2.1國內(nèi)現(xiàn)狀及分析㈠PH大多數(shù)天然水為中性到弱堿性，PH為6.0-9.0，淡水多在6.5-8.5，部分蘇打型湖泊水可達(dá)9.0-9.5，海水PH一般在8.0-8.4。PH測量的現(xiàn)今最常用方法是玻璃電極法，在此之前，PH的測量方法曾先后采用催化法、酸堿滴定分析法、比色測定法等。催化法與酸堿滴定法的測量進(jìn)度低，操作麻煩，適應(yīng)性不廣，已基本被淘汰了。比色法雖被廣泛使用，但測量精度還是較低，在有色和渾濁液中很難應(yīng)用，在濃鹽溶液和離子較低的溶液中會(huì)產(chǎn)生極大地誤差，且不能做自動(dòng)連續(xù)和遠(yuǎn)距離測量。玻璃電極法事宜玻璃電極為指示電極，飽和甘汞電極位參比電極組成電池，在許多以此為原理的PH計(jì)上有溫度補(bǔ)償功能，便校正溫度差異，常規(guī)水樣監(jiān)測可準(zhǔn)確和再現(xiàn)至0.1PH單位，較精密的儀器可達(dá)到0.01PH單位，為提高儀器的準(zhǔn)確度，選用的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的PH值應(yīng)與水樣的PH值相近。㈡溶氧天然湖泊水中的溶解氧量一般為7-14mg/L，水中溶氧量的測定方法主要有碘量法、電化學(xué)探頭法和熒光法。碘量法是最早用于測量水中的氧容量的方法，是基準(zhǔn)方法，但是當(dāng)水中含有一些還原性物質(zhì)時(shí)，會(huì)對碘量法滴定數(shù)據(jù)造成較大的干擾，且碘量法為現(xiàn)場取量固定，再帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。電化學(xué)探頭法較碘量法，在水中含還原性物質(zhì)時(shí)，不受影響，其優(yōu)點(diǎn)還有便攜式設(shè)計(jì)，維護(hù)少、準(zhǔn)確度高和重復(fù)性好，不僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被大量使用，也更多的在現(xiàn)場便攜測定和水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測站中廣泛使用，但是若需要其每次的測量值都很準(zhǔn)確的話，少的不了對儀器的正確使用和定期的維護(hù)保養(yǎng)[1]。熒光法技術(shù)由于其操作便捷，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)檢測中，尤其是在有機(jī)物和無機(jī)物分析中有著很廣泛的應(yīng)用[2]，更適用于野外現(xiàn)場測試。創(chuàng)新的新型熒光技術(shù)，沒有膜和電解液，幾乎不用維護(hù)，性能優(yōu)異，使用方便。㈢導(dǎo)電率水的導(dǎo)電率與其所含的無機(jī)酸、鹽、堿的量有一定的關(guān)系。該指標(biāo)常用于推測水中離子的總濃度或含鹽量。不同類型的水有不同的電導(dǎo)率。常用單位是μS/cm（微西門子/厘米）。一般天然水的電導(dǎo)率為50~1500μS/cm之間[3]。電導(dǎo)率值隨雜質(zhì)的濃度增加而增大，使用該指標(biāo)能夠更直觀的監(jiān)測水質(zhì)[4]。電導(dǎo)率的測量常采用電極電導(dǎo)率測量法與電磁電導(dǎo)率測量法。電磁電導(dǎo)率測量法由于不使用電極，故不會(huì)存在極化現(xiàn)象，不存在電極表面涂鍍耐腐蝕材料和堵塞問題，可在強(qiáng)酸強(qiáng)堿高溫高壓的情況下使用，但其測量機(jī)理決定了只能測量高電導(dǎo)率的溶液，不適用于高純水測量，且測量范圍窄，造價(jià)較高。電極電導(dǎo)率測量法較其而言，采用的電極結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，測量范圍廣，尤其適用于測量高純水。㈣濁度湖泊水的濁度一般在：1500NTU左右散射濁度單位NTU，即1升水中含有1mg的福爾馬肼聚合物懸浮物只時(shí)，成為一個(gè)散射濁度單位。濁度測量常見的有光電式濁度儀，主要有散射式、透射式、散射+透射式。散射式的儀器簡單易用具有較高的精度和靈敏度，可滿足對常規(guī)液體濁度的測量。透射式原理簡單，儀器設(shè)計(jì)方面液較為簡單采用透射式測量可獲得較大的濁度測量范圍，但當(dāng)在測量較低濁度水體時(shí)，大部分的光會(huì)直接透射此時(shí)對光電接收元件和放大器的分辨率和穩(wěn)定性的要求就會(huì)極高，在低濁度時(shí)極難滿足，因此透射式更適用于高濁度的水體[5]。散射+透射式可檢測散射光與透射光，具有較高的靈敏度，但儀器卻很復(fù)雜且價(jià)格昂貴。1.2.2國外現(xiàn)狀及分析國外對于水質(zhì)污染在線監(jiān)測研究較早，技術(shù)也較為成熟[6]。在國外早期的河流水質(zhì)監(jiān)測辦法是選取河流斷面定點(diǎn)定時(shí)采集水樣，帶至實(shí)驗(yàn)室分析。但這樣的人工抽查方法不能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握不斷變化中的水質(zhì)數(shù)據(jù)。20世紀(jì)60年代末，衛(wèi)星通訊技術(shù)出現(xiàn)，并且被普遍應(yīng)用到一些海洋和公共海域的水質(zhì)各參數(shù)監(jiān)測中，衛(wèi)星有定位范圍的功能，可以用來定位水質(zhì)監(jiān)測所覆蓋的范圍，最初其主要是用于監(jiān)測海水中的葉綠素ａ和海洋表面的溫度。在過去的20年中，這種技術(shù)也被用在沿海和內(nèi)陸水域的水質(zhì)監(jiān)測中。此技術(shù)已經(jīng)比較成熟，衛(wèi)星通訊技術(shù)雖然監(jiān)測范圍較廣，但是傳輸時(shí)延大，技術(shù)復(fù)雜，有一定的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)且成本較高。威尼斯WATERS監(jiān)測系統(tǒng)使用15條帶有特殊監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的浮船，浮船每日都在水域中航行以獲取大量的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，再通過無線遠(yuǎn)程的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?，以?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和水污染警告，該系統(tǒng)基于LUNIX操作系統(tǒng)，然后并采用專用程控交換機(jī)進(jìn)行通訊。雖然可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并能通過無線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心，但是15條浮船進(jìn)行每日航行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，浪費(fèi)資源，且投入較高。在70年代初期美國和日本等發(fā)達(dá)國家就對江河湖泊等開展了自動(dòng)監(jiān)測，測定項(xiàng)目有水溫、濁度、電導(dǎo)率等，同時(shí)也對工廠所排放的工業(yè)廢水也進(jìn)行監(jiān)測。隨著工廠的大規(guī)模發(fā)展導(dǎo)致水污染的加劇，所以有關(guān)部分加強(qiáng)了對于是污染的執(zhí)法力度，在70年代末又增加了化學(xué)需氧量、總磷、總氮等自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目，并通過遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)把得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)傳至各級環(huán)保部門。目前美國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)生產(chǎn)出了比較成熟的水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，但售價(jià)一般在4-6萬美元之間，價(jià)格過于昂貴[7]。20世紀(jì)90年代末期[8]，隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子工業(yè)的不斷發(fā)展，AlkandariA、AlnasheetM、AlabduljaderY等把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測當(dāng)中，它采用無線通訊技術(shù)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅可以對網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行感知，還具備數(shù)據(jù)傳輸和處理的功能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中分布在各監(jiān)測點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)有制造成本低、體積小、耗能低等優(yōu)點(diǎn)。隨著對水污染的高度重視，各個(gè)國家都在水質(zhì)監(jiān)測方面做出了較大努力且取得了一定成效。較常規(guī)參數(shù)且技術(shù)相對成熟的自動(dòng)監(jiān)測水質(zhì)的儀器儀表有：水溫、PH、流速、溶解氧、水位、水壓等[9]?？杀O(jiān)測的水質(zhì)污染程度的水質(zhì)參數(shù)主要有：電導(dǎo)率、PH、濁度、硝酸根(NO)、溶解氧(DO)、總有機(jī)碳(TOC)、總氯、氨氮、高錳酸鹽、六價(jià)鉻等。不同水環(huán)境的檢測參數(shù)不盡相同?？偨Y(jié)來說，早期國外也只是通過現(xiàn)場采集帶回實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測，但隨著技術(shù)發(fā)展國外在水質(zhì)監(jiān)測方面發(fā)展較快且處于領(lǐng)先地位，可以運(yùn)用衛(wèi)星通訊技術(shù)、無線傳感器技術(shù)的、遠(yuǎn)程通訊自動(dòng)監(jiān)測等檢測技術(shù)，這些技術(shù)先進(jìn)且能檢測出的參數(shù)比較廣泛但是普遍價(jià)格昂貴，且難以實(shí)現(xiàn)。1.3調(diào)研分析及結(jié)論綜合國內(nèi)外的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展過程，可以將水質(zhì)監(jiān)測工作的發(fā)展概括為以下幾個(gè)階段：⑴人工水質(zhì)分析階段：在早期，水質(zhì)分析人員只能通過到要研究的水域去采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，且早期研究水質(zhì)的儀器也較為落后。以至于這種研究方法就存在極大的缺陷，不僅采樣范圍較小、代表性不強(qiáng)，而且無法對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。⑵水質(zhì)測試儀器分析階段：由于人工水質(zhì)分析缺陷過于明顯，人們開始研究出各種儀器來對水質(zhì)進(jìn)行分析。相關(guān)的水質(zhì)分析人員使用水質(zhì)測試儀直接去河邊進(jìn)行測量，相對于人工水質(zhì)分析階段來說，研究的范圍就有了很大的改進(jìn)，但是水質(zhì)測試儀器不能將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，每次需要數(shù)據(jù)時(shí)只能重新去進(jìn)行分析，也具有很大的局限性，應(yīng)用性不強(qiáng)。⑶水質(zhì)在線分析階段：自動(dòng)化的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)可以及時(shí)的、全方位地對水流域的水質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)反饋，而且出現(xiàn)異常時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警，有助于相關(guān)人員立刻采取措施。采用自動(dòng)化的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，水質(zhì)分析人員可以通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)PH值、溶氧量、溫度、濁度、電導(dǎo)率等的在線監(jiān)測，避免了采樣范圍小、代表性不強(qiáng)、不能將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心等缺點(diǎn)；但是部分技術(shù)依然存在一些缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步的改進(jìn)。水質(zhì)監(jiān)測未來的發(fā)展趨勢大致分為如下幾點(diǎn)：⑴檢測指標(biāo)增多。目前在運(yùn)行的水質(zhì)檢測站點(diǎn)基本只檢測一些常規(guī)參數(shù)，水體的顏色色度、臭味程度、渾濁度、肉眼可見物、化學(xué)需氧量、余氯、細(xì)菌數(shù)量、總大腸桿菌群、耐熱大腸桿菌群等。⑵監(jiān)測領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，監(jiān)測站點(diǎn)逐漸增多。檢測領(lǐng)域涉及飲用水、地表水、地下水以及近岸海域等各個(gè)方面；監(jiān)測站點(diǎn)常設(shè)立于水源地、自來水廠、污水處理廠、純凈水廠、小區(qū)、學(xué)校、環(huán)保部門等。⑶由簡單的水質(zhì)檢測向綜合性網(wǎng)絡(luò)化水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測發(fā)展。⑷水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的形式趨向多元化，有站房式、整體柜式、車載移動(dòng)式等等。國內(nèi)外在早些時(shí)期都只能采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室檢測，但是這樣的方法耗時(shí)耗力，而且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，效率較低。隨著技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外對于水質(zhì)監(jiān)測都有了進(jìn)一步的發(fā)展，國外較快，方法技術(shù)較先進(jìn)。但根據(jù)查閱的資料文獻(xiàn)等得知這些水質(zhì)監(jiān)測儀仍然存在一定的問題，例如數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，缺少電腦端或者手機(jī)端的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及價(jià)格昂貴等不足?？偟脕碚f，根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知，本次研究要設(shè)計(jì)出一套具有多參數(shù)測量，測量精度好，價(jià)格適中，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸并在電腦端實(shí)時(shí)監(jiān)控的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

第二章方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求針對目前水質(zhì)環(huán)保需求，設(shè)計(jì)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。要求選擇合適傳感器，對水中的PH值、溶氧、導(dǎo)電率、濁度等參數(shù)進(jìn)行在線測量；要求對四種（PH值、溶氧、導(dǎo)電率、濁度）參數(shù)測量的誤差影響因素進(jìn)行分析，并體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中；設(shè)計(jì)合適的信號傳輸接口對各傳感器信號進(jìn)行采集；設(shè)計(jì)合適的通信接口將測量信息傳輸?shù)奖O(jiān)測站計(jì)算機(jī)。2.2提出方案根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀分析以及本次的設(shè)計(jì)要求，我們認(rèn)為PH值、濁度、溶氧率、電導(dǎo)率是河海湖泊的常規(guī)水質(zhì)參數(shù)。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，定性分析水體的水質(zhì)情況，由于監(jiān)測湖泊水域有線通信很不方便，所以通過無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。監(jiān)測中心便可以得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。所以根據(jù)分析結(jié)果提出三個(gè)方案并擇優(yōu)選擇。此水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包含三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊。首先是對傳感器進(jìn)行查閱資料和選擇，充分分析監(jiān)測的范圍、靈敏度、價(jià)格等各個(gè)因素后擇優(yōu)選擇，但在不同方案中所采用的傳感器不同，傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，通過調(diào)理電路傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后得到的信號通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)發(fā)送給監(jiān)測端。具體方案如下：方案一：傳感器+FPGA+WIFI+監(jiān)測端方案二：傳感器+STM32F103RCT6+ZigBee通信+監(jiān)測端方案三：傳感器+STM32F103RCT6+GSM+監(jiān)測端注：不同方案所選傳感器不同，具體所采用的傳感器在方案具體分析時(shí)呈現(xiàn)。2.3方案分析及選擇2.3.1方案一介紹及優(yōu)缺點(diǎn)分析㈠方案一介紹方案一所采用的具體傳感器類型分別為：⑴PH值傳感器：梅特勒PH復(fù)合電極LE438型電極⑵濁度傳感器：TS-300B⑶溶解氧傳感器：KDS-25B⑷電導(dǎo)率傳感器：DJS-1T(光亮)。方案一的流程圖如圖2-1所示：本方案PH值傳感器、濁度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、溶解氧傳感器都是模擬信號輸出，我們需要進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換。首先PH傳感器、濁度傳感器和KDS-25B原電池式傳感器都是毫伏級電壓輸出，所以當(dāng)傳感器接收到信號后，要經(jīng)過調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大、穩(wěn)壓等。導(dǎo)電率傳感器是電流輸出，首先要進(jìn)行電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱碾娐忿D(zhuǎn)換，其次再進(jìn)行穩(wěn)壓等操作。當(dāng)四個(gè)傳感器檢測到信號并把信號進(jìn)行調(diào)理之后輸入FPGA的ADC采集端口，然后在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后得到監(jiān)測的具體參數(shù)。監(jiān)測到參數(shù)之后要通過無線技術(shù)，將所檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)奖O(jiān)測端，本方案首先決定采用WIFI，WIFI的優(yōu)勢主要是傳輸速度快和傳輸距離較遠(yuǎn)且無線電波的覆蓋范圍廣，但弱點(diǎn)主要是在功耗上，其最大傳輸距離可達(dá)幾百米，最大傳輸速度可達(dá)幾百M(fèi)bps，最大功耗為幾十毫安。這樣通過WIFI就可以將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測端。圖2-1方案一流程圖㈡優(yōu)缺點(diǎn)分析⑴梅特勒PH復(fù)合電極LE438型電極系列復(fù)合PH電極：通常用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測量溫度有差異的溶液的PH值。一般應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以測量一般水溶液介質(zhì)，用于水族館、廢水、（水基）懸浮液、游泳池、油漆等試樣，適合在野外使用，并可用于溫度發(fā)生波動(dòng)的樣品。維護(hù)需求低但價(jià)格稍貴。⑵TS-300B濁度傳感器測量水中的濁度（懸浮物的計(jì)數(shù)器）：傳感器基于光學(xué)原理。溫度符合測量的水質(zhì)溫度，額定電壓為5VDC，額定電流為最大30mA。價(jià)格便宜。⑶DJS-1T(光亮)電導(dǎo)率傳感器：二極片式的電導(dǎo)電極目前是我國使用最多的電導(dǎo)電極類型，實(shí)驗(yàn)室二極片式的電導(dǎo)電極的結(jié)構(gòu)是將鉑片燒結(jié)在平行玻璃片上，或圓形玻璃管的內(nèi)壁上，調(diào)節(jié)鉑片的面積和距離，就可以制成不同常數(shù)值的電導(dǎo)電極。⑷KDS-25B溶解氧傳感器：是基于膜電極法測量溶氧量的傳感器，此方法設(shè)備價(jià)格低廉，測量簡單快捷，但由于氧氣參與反應(yīng)會(huì)在電極和膜體之間形成雜質(zhì)，會(huì)降低反應(yīng)速度造成誤差，所以需要定期更換電極和膜體。⑸FPGA：規(guī)模大，集成度高，處理速度快，執(zhí)行效率高。能完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，且編程靈活，方便，簡單，可多次重復(fù)編程。許多FPGA可無限重復(fù)編程。利用重新配置可減少硬件的開銷。但掉電后一般會(huì)丟失原有邏輯置；時(shí)序難規(guī)劃；不能處理多事件；不適合條件操作。雖然FPGA比較高速，處理速率高，但對于本次設(shè)計(jì)來說有點(diǎn)浪費(fèi)資源，且設(shè)計(jì)過程較難已實(shí)現(xiàn)。⑹WIFI：WIFI技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域無線傳輸?shù)淖钪匾x項(xiàng)。其無線電波覆蓋范圍廣，速度快可以調(diào)整到1Mbps、5.5Mbps及2Mbps，帶寬自動(dòng)調(diào)整，有效保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。而且可靠性高，無需布線。但切換時(shí)間長、覆蓋半徑小、帶寬不高等并且一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的批評就是電量消耗和資源占用的增多。但是此次設(shè)計(jì)是為了進(jìn)行在線傳輸，測量河海湖泊的水質(zhì)，WIFI所傳輸長度半徑為100米左右，不是很達(dá)到要求。2.2.2方案二介紹及優(yōu)缺點(diǎn)分析㈠方案二介紹方案二所采用的具體傳感器類型分別為：⑴PH值傳感器：梅特勒PH復(fù)合電極LE438型電極⑵濁度傳感器：TS-300B⑶溶解氧傳感器：RDO-206A⑷電導(dǎo)率傳感器：DJS-1T(鉑黑)。方案二的流程圖如圖2-2所示：本方案二PH值傳感器、濁度傳感器、電導(dǎo)率傳感器是模擬信號輸出，操作和方案一相同?；诰鹊仍?，本方案放棄膜電極測溶解氧量，采用用熒光法測量的RDO-206A溶解氧傳感器，它是數(shù)字信號輸出，通過485總線再進(jìn)入單片機(jī)串口再處理，另外三個(gè)傳感器檢測到信號并把信號進(jìn)行調(diào)理之后輸入ADC采集端口，然后在STM32F103RCT6中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基于成本和設(shè)計(jì)簡化以及浪費(fèi)資源等考慮，數(shù)據(jù)處理模塊本次實(shí)驗(yàn)采用STM32F103RCT6，最后得到監(jiān)測的具體參數(shù)。監(jiān)測到參數(shù)之后要通過無線技術(shù)，將所檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)奖O(jiān)測端，本方案二首先決定采用ZigBee通訊，ZigBee通訊比WIFI通訊傳輸距離遠(yuǎn)，大概可以達(dá)到幾公里以上，且傳輸穩(wěn)定可靠。圖2-2方案二流程圖㈡優(yōu)缺點(diǎn)分析⑴導(dǎo)電率傳感器本次采用鉑黑系列：一般選用鉑黑電極來測量較大的電導(dǎo)率，其測量范圍大10s/cm；而光亮電極則通常用來測量較小的電導(dǎo)率，一般測量范圍小于10s/cm。鉑黑電導(dǎo)電極可有效防止在測定較高電導(dǎo)率溶液時(shí)出現(xiàn)極化現(xiàn)象。因?yàn)樗谋砻姹容^大，這樣降低了電流的度，減少或消除了極化現(xiàn)象。⑵溶解氧傳感器采用熒光法測量RDO-206A型傳感器，和方案一相比，此傳感器無需電解液，不會(huì)極化；無需消耗氧，不受流速影響；內(nèi)置溫度傳感器，自動(dòng)溫度補(bǔ)償，不受硫化物等化學(xué)物質(zhì)干擾；漂移小，反映快速，測量更準(zhǔn)確；尤其免維護(hù)，使用周期長，使用成本低，但價(jià)格要稍稍昂貴。⑶經(jīng)過對比考慮，數(shù)據(jù)處理模塊有方案一的FPGA變換為STM32F103RCT6，它的具體參數(shù)如表2-1所示表2-1具體參數(shù)速度72MHz外圍設(shè)備DMA電機(jī)控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM溫度傳感器WDT輸入輸出數(shù)51程序存儲(chǔ)器容量256KB程序存儲(chǔ)器類型FLASHRAM容量48K電壓-電源(Vcc/Vdd)2V-3.6V振蕩器型內(nèi)部工作溫度-40°C-85°C它專為要求低成本、高性能、低功耗的嵌入式設(shè)計(jì)的。它能支持32位廣泛的應(yīng)用，支持包括高性能、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號處理，和低功耗、低電壓操作，同時(shí)擁有一個(gè)完全集成和易用的開發(fā)。⑷ZigBee是一種建立在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上的無線通信協(xié)議。具有短距離、低功耗等優(yōu)勢。其次它還有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①數(shù)據(jù)速率比較低。在2.4GHz的頻段大概只有250Kb/S左右，再除掉信道競爭應(yīng)答和重傳等消耗等，最后真正能夠被應(yīng)用利用的速率可能不到100Kb/s。所以不適合做視頻之類事情。②在可靠性方面。MAC應(yīng)用層有應(yīng)答重傳功能，物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾，無法正常工作時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)的切換到另一個(gè)工作信道上。③能耗特性是ZigBee的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢。在不需要進(jìn)行通信時(shí)，ZigBee的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入非常低功耗的休眠狀態(tài)，這時(shí)能耗可能只會(huì)有正常工作狀態(tài)的千分之一。一般情況下，總運(yùn)行時(shí)間大部分都是休眠時(shí)間占的，有時(shí)正常工作的時(shí)間可能還不到百分之一，且通常情況下節(jié)點(diǎn)所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速率都比較低。因此達(dá)到很高的節(jié)能效果。但是經(jīng)過查閱后，還是達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，距離還是相對來說較近，其衍射能力弱，穿墻能力弱，一扇門，一扇窗，一堵非承重墻，都會(huì)讓信號大打折扣。且傳輸速率低。2.2.3方案三介紹及優(yōu)缺點(diǎn)分析㈠方案三介紹方案三所采用的具體傳感器類型分別為：⑴PH值傳感器：E-201-C復(fù)合電極⑵濁度傳感器：TS-300B⑶溶解氧傳感器：RDO-206A⑷電導(dǎo)率傳感器：DJS-1T(鉑黑)。方案三的流程圖如圖2-3所示：和方案二相同，本方案PH值傳感器、濁度傳感器、電導(dǎo)率傳感器是模擬信號輸出，檢測到信號之后要進(jìn)行信號的調(diào)理，再接入單片機(jī)的ADC采集端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。但是經(jīng)過比對和考慮，本次方案的PH值傳感器采用E-201-C復(fù)合電極，具體介紹參考以下優(yōu)缺點(diǎn)分析。溶解氧傳感器是數(shù)字信號輸出，受到激勵(lì)之后通過485總線再進(jìn)入單片機(jī)處理，本方案數(shù)據(jù)處理模塊還是采用STM32F103RCT6，最后得到監(jiān)測的具體參數(shù)。監(jiān)測到參數(shù)之后要通過無線技術(shù)，將所檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)奖O(jiān)測端，前兩種方案中的通訊方式距離都過短等其他影響因素，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以本方案決定采用GSM通訊方式。圖2-3方案三流程圖（二）優(yōu)缺點(diǎn)分析（1）E-201-CPH復(fù)合電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復(fù)合電極，用于測量水溶液的PH值，它廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、化輕工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、染料工業(yè)中需要檢測水溶液PH值的場合。電極的易碎部分有塑料柵保護(hù)，碰撞不易破損，抗干擾能力強(qiáng)，具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能。測量范圍大且響應(yīng)快。⑵GSM系統(tǒng)有幾項(xiàng)重要特點(diǎn):信息靈敏、使用上直觀、網(wǎng)絡(luò)容量大、手機(jī)號碼資源豐富、防盜拷能力佳、穩(wěn)定性強(qiáng)不易受干擾、通話死角少、通話清晰、手機(jī)耗電量低、機(jī)卡分離。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:①頻譜效率。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術(shù)，使系統(tǒng)具有高頻譜效率。②容量。GSM系統(tǒng)的每一個(gè)信道傳輸帶寬的增加，同頻復(fù)用栽干比要求降低至9dB，以及半速率話音編碼，使GSM系統(tǒng)的容量效率比TACS系統(tǒng)高3~5倍。③話音質(zhì)量。由于數(shù)字傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和GSM有關(guān)空中接口以及話音編碼的定義，超過門限值時(shí)，話音質(zhì)量總是與無線傳輸質(zhì)量無關(guān)，達(dá)到相同的水平。④安全性。通過加密、鑒權(quán)和TMSI號碼從而達(dá)到安全的目的。鑒權(quán)是為了驗(yàn)證用戶的入網(wǎng)權(quán)利。加密用于空中接口。TMSI用來防止有人跟蹤而泄漏其位置。⑤在SIM卡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)漫游。漫游意味著用戶可以從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)入另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它是移動(dòng)通信的重要特征。GSM系統(tǒng)可以提供全球漫游。2.4方案選擇傳感監(jiān)測模塊：根據(jù)各種傳感器的性能、技術(shù)指標(biāo)以及價(jià)格等各方面的比較，最終選擇PH值傳感器采用E-201-C；濁度傳感器采用TS-300B；溶解氧傳感器采用RDO-206A；電導(dǎo)率傳感器采用DJS-1T(鉑黑)。數(shù)據(jù)處理模塊：STM32由于有各種外設(shè)操作起來簡單，可以處理模擬以及數(shù)字信號，適用于設(shè)計(jì)的控制電路。FPGA應(yīng)用也比較廣泛，只能處理數(shù)字信號，但是能同時(shí)運(yùn)行多條指令，也就是并行執(zhí)行，這是單片機(jī)、ARM等比不了的，主要用于處理各種邏輯。FPGA是高速處理器，對于本次設(shè)計(jì)來說過于浪費(fèi)資源，成本也會(huì)相對來說變高。數(shù)據(jù)通信模塊：總的來看，Zigbee的問題在于ZigBee通信是近距離通信，距離小于等于100m，距離過短，不適合遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)檢測水質(zhì)，成本也比較高。WiFi的問題在于功耗比較大，成本也較高。經(jīng)過三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，本次設(shè)計(jì)采用方案三，首先其采用數(shù)字和模擬傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后采用STM32F103RCT6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后用GSM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

第三章技術(shù)路線3.1技術(shù)路線圖圖3-1技術(shù)路線3.2技術(shù)路線闡述首先根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)研，查找文獻(xiàn)分析國內(nèi)外水質(zhì)檢測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括所采用的技術(shù)、可以測量的參數(shù)以及取得的效果等，然后通過分析前人在水質(zhì)監(jiān)測方面采取的方法技術(shù)、取得效果，精度、影響因素等得到對于本次研究設(shè)計(jì)有利的結(jié)論。然后進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，一共設(shè)計(jì)三個(gè)方案，從數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊來進(jìn)行綜合分析，還需要充分考慮技術(shù)先進(jìn)性、成熟度、競爭力、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境與可持續(xù)等因素從而確定最終所選方案。對所設(shè)計(jì)方案中的器件進(jìn)行選型，其中包括PH傳感器、溶氧度傳感器、濁度傳感器、導(dǎo)電率傳感器、電源、穩(wěn)壓、放大器、通訊模塊等，查找數(shù)據(jù)手冊得到具體參數(shù)。將PH傳感器和濁度傳感器中所檢測到的信號經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行放大、穩(wěn)壓、濾波后，再將其傳入單片機(jī)中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號采集；導(dǎo)電率傳感器的輸出是電流輸出，要進(jìn)行電流到電壓的轉(zhuǎn)化，再接入單片機(jī)；溶氧傳感器是數(shù)字輸出，要先接RS485再接入單片機(jī)串口，設(shè)計(jì)好調(diào)理電路后進(jìn)行仿真，最后將采集處理后的數(shù)據(jù)通過GSM通訊模塊傳送到監(jiān)測端。在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)要進(jìn)行充分的運(yùn)算分析和傳感器的測量原理分析，在電路設(shè)計(jì)方面要充分考慮抗干擾性、降噪、散熱、接口布置等因素。

第四章器件選型4.1穩(wěn)壓芯片選型穩(wěn)壓芯片部分選用的是AMS1117-3.3和AMS1117-5，是正向低壓降穩(wěn)壓器，AMS1117內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。具有限流功能，當(dāng)器件過熱時(shí)自動(dòng)切斷，其溫度范圍符合設(shè)計(jì)要求，固定輸出電壓可為3.3V和5.0V，具有1%的精度且體積小。實(shí)物圖如圖4-1所示：圖4-1AMS1117-3.3實(shí)物圖4.2傳感器選型4.2.1PH值傳感器PH值為氫離子濃度指數(shù)，但氫離子濃度指數(shù)往往非常小，在應(yīng)用上用PH值這一概念常作為水溶液酸堿性的判斷指標(biāo)。PH值為一個(gè)介于0-14之間的數(shù)。在25℃的溫度下，當(dāng)PH值大于７時(shí)溶液為堿性，當(dāng)PH值等于７時(shí)溶液為中性，當(dāng)PH值小于７時(shí)溶液為酸性。在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域，PH值是一個(gè)衡量水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)[10]。所以PH值傳感器是用來測定溶液的PH值的傳感器。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合型電極PH傳感器應(yīng)運(yùn)而生。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，結(jié)合測量環(huán)境和系統(tǒng)的開發(fā)成本，本次設(shè)計(jì)最終采用的是上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司開發(fā)生產(chǎn)的E-201-C型傳感器，實(shí)物圖如圖4-2所示。圖4-2E-201-C傳感器E-201-C型傳感器是玻璃電極和參比電極組合的塑殼可充式復(fù)合電極，它利用電位法測量水體的PH值，抗干擾能力強(qiáng)，電極是全屏蔽式的，可以防止測量時(shí)外電場的干擾，電極易碎部分使用塑料柵來進(jìn)行保護(hù)，電極是可充式的，電極的上端可進(jìn)行充液，電極下端有電極保護(hù)帽。具有如下幾個(gè)特點(diǎn)⑴碰撞不破，電極的易碎部分有塑料柵保護(hù)，測量時(shí)可作攪拌棒使用。⑵電極為可充式：電極上端有充液小孔，配有小橡皮塞，在測量時(shí)應(yīng)把小塞取下。⑶抗干擾性能強(qiáng)：電極為全屏蔽式，防止測量時(shí)外電場干擾。⑷本電極下端配有電極保護(hù)帽，取下帽后，可以立即使用。⑸復(fù)合電極的外參比補(bǔ)充液為3mol/LKcl，補(bǔ)充液可從上端小孔加入。具體參數(shù)如表4-1所示表4-1PH值傳感器具體參數(shù)表測量范圍0-14PH零點(diǎn)pH值7±0.25pH工作響應(yīng)時(shí)間≤2min測量適用溫度范圍0-60℃外殼材料聚碳酸酯輸出電壓毫伏級PH傳感器[9]是通過對被測水質(zhì)的氫離子濃度變化的檢測轉(zhuǎn)化為電壓信號，復(fù)合電極由玻璃電極和參比電極構(gòu)成的，玻璃電極對氫離子濃度較為敏感，通過兩者的電勢變化即可確定水質(zhì)的PH值，這是E-201-C傳感器實(shí)現(xiàn)PH值測量的原理。復(fù)合電極輸出的電壓信號為毫伏級的，并且本身具有極大的內(nèi)阻導(dǎo)致帶負(fù)載能力小，故需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路，對信號進(jìn)行放大，將放大后的信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可處理的0-3.3V，以達(dá)到微控制器所需要的A/D模數(shù)電壓。4.2.2濁度傳感器濁度是水體物理性狀指標(biāo)之一。它表征水中懸浮物質(zhì)等阻礙光線透過的程度。一般來說，水中的不溶解物質(zhì)越多，渾濁度也越高。渾濁度是由于水中存在顆粒物質(zhì)如黏土、污泥、膠體顆粒、浮游生物及其他微生物而形成，用以表示水的清澈或渾濁程度，是衡量水質(zhì)良好程度的重要指標(biāo)之一。本設(shè)計(jì)采用濁度傳感器TS-300B型測量洗滌水中的濁度（懸浮物的計(jì)數(shù)器），實(shí)物圖如圖4-3所示。其引腳說明如圖4-4所示。圖4-3TS-300B型濁度傳感器圖4-4引腳說明濁度傳感器是基于光學(xué)原理，利用發(fā)光二極管和光電三極管對特定波長的接收作用，可以用來測量水的不透光度或者其他物質(zhì)的濃度。通過使用光電三極管和發(fā)光二極管，傳感器通過發(fā)光二極管光源發(fā)出的光經(jīng)污水反射，部分光傳播到光電三極管，根據(jù)接收到的光線量，計(jì)算出水的濁度。其工作電壓為5V，測量范圍為0-1000±30NTU，濁度與輸出電壓為反比，即濁度值越大輸出電壓值越小。其比例如圖4-5所示。并且TS-300B型傳感器具有可長期存儲(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)、價(jià)格便宜、利用位處理器的環(huán)境變化補(bǔ)償可提高線性特性和準(zhǔn)確度、緊湊的傳感器結(jié)構(gòu)可減少額外配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的成本、存儲(chǔ)參數(shù)和上傳數(shù)據(jù)的配置非常方便等特點(diǎn)。此外TS-300系列傳感器繼承了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有特點(diǎn)，提供當(dāng)今最經(jīng)濟(jì)的處理方案，并滿足監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集的所有功能要求。圖4-5濁度-電壓比例圖4.2.3溶解氧傳感器溶解氧為空氣中分子狀氧氣溶解在水中的含量。水中的溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系。在自然情況下，空氣中的含氧量變動(dòng)不大，故水溫是主要的因素，水溫愈低，水中溶解氧的含量愈高。大氣壓力愈低，其溶氧量則亦隨之降低。氧在水中的含量，也因水中有機(jī)物分解及生物的呼吸把氧消耗掉，所以水中溶氧量經(jīng)常會(huì)改變。目前有三大檢測方法：碘量法、電極極譜法、熒光法。碘量法測定步驟繁雜，不適合現(xiàn)場測定，檢測時(shí)間相對較長；電極極譜法測定水中溶解氧步驟相對簡單、價(jià)格相對較為低廉。但是隨著氧氣的消耗會(huì)在膜和電極上產(chǎn)生污垢，形成氧氣梯度會(huì)降低反應(yīng)速度；熒光法測量相對于前兩種方法來說，不需要頻繁清洗探頭，效果是節(jié)約了能源以及保證了降解效果。而且測量過程中不會(huì)消耗任何物質(zhì)，也不會(huì)消耗水中的溶解氧，所以這種測量方法測量結(jié)果更加穩(wěn)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無干擾，測量響應(yīng)時(shí)間快，但價(jià)格稍高。溶解氧傳感器是測定水中氧氣含量的傳感器，溶氧量測量是檢測水體中的氧氣含量。通過三種方法的研究比較選定采用熒光法測量，選用的傳感器是RDO-206A型號的溶解氧傳感器來測定水中的含氧量，其具體的產(chǎn)品圖如圖4-6所示，尺寸結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。圖4-6RDO-206A在線熒光法溶解氧數(shù)字式傳感器圖4-7傳感器尺寸結(jié)構(gòu)圖所選用的傳感器采用的是熒光法測量溶氧量，熒光法的測量原理是基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對活性熒光的猝熄原理。發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的藍(lán)光照射在熒光帽內(nèi)表面的熒光物質(zhì)上，內(nèi)表面的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，發(fā)出紅光，通過檢測紅光與藍(lán)光之間的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對，而計(jì)算出氧分子的濃度，經(jīng)過溫度自動(dòng)補(bǔ)償輸出最終值。圖4-8RDO-206A傳感器結(jié)構(gòu)RDO-206A傳感器是數(shù)字輸出，則不用設(shè)計(jì)調(diào)理電路，通過485總線輸出，且其測量范圍廣，分辨率高，精度高，功耗小，但是價(jià)格稍貴，但出于精度、反應(yīng)速度、實(shí)用度考慮，還是決定采用。具體技術(shù)參數(shù)如表4-2所示。表4-2溶解氧傳感器具體參數(shù)型號RDO-206A測量原理熒光法測量范圍0-20mg/L分辨率0.01mg/L,0.1℃精度±2%F.S.，±0.5℃溫度補(bǔ)償自動(dòng)溫度補(bǔ)償輸出方式RS-485總線工作條件0-45℃、<0.2MPa存儲(chǔ)溫度-5-65℃安裝方式浸入式安裝線纜長度5米，其他長度可定制功耗<0.5W電源12-24VDC±10%傳感器外殼材料POM和316L不銹鋼4.2.4電導(dǎo)率傳感器電導(dǎo)率的值表示液體的傳導(dǎo)電流的能力，本次研究采用的電導(dǎo)率傳感器是DJS-1T(鉑黑)型電導(dǎo)電極進(jìn)行測量的，對于不同材質(zhì)的傳感器選擇和比較已在方案設(shè)計(jì)里做了介紹，此處不再贅述，其產(chǎn)品如圖4-9所示。圖4-9DJS-1T（鉑黑）型電導(dǎo)電極二極片式電導(dǎo)電極的結(jié)構(gòu)是將鉑片燒結(jié)在平行玻璃板上，或圓形玻璃管的內(nèi)壁上，鉑黑電導(dǎo)電極可有效防止在測定較高電導(dǎo)率溶液時(shí)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，其測量范圍大。具體參數(shù)如表4-3所示。表4-3具體參數(shù)品牌雷磁外形尺寸Φ12×120mm電極常數(shù)1.0±0.2測量范圍K2-20000μs/cm外殼材料玻璃校正液0.01mol/LKCL電極特性玻殼-三芯航空插&Q6電極常數(shù)J為1.0±0.2。K=GJ,所產(chǎn)生的電流I=U/R，此傳感器的RX=50KΩ-500KΩ一些計(jì)算結(jié)果如下圖，所以經(jīng)過計(jì)算此傳感器受到激勵(lì)后所產(chǎn)生的電流范圍為0.01mA-0.1A。圖4-10計(jì)算關(guān)系表4.3放大器等其他器件選型4.3.1LM358LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。其內(nèi)部原理圖如圖4-11所示。圖4-11LM358內(nèi)部原理圖特性：直流電壓增益高，電源電壓范圍寬，雙電源供電，低功耗電流，適合于電池供電，低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，共模輸入電壓范圍寬，包括接地，差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。圖4-12LM358實(shí)物圖4.3.2TLC4502TLC4502可在上電時(shí)，將輸入失調(diào)電壓自動(dòng)校準(zhǔn)為零。校準(zhǔn)時(shí)間一般為300ms。校準(zhǔn)后的校準(zhǔn)電路與信號通道脫離并關(guān)斷，因此校準(zhǔn)電路對信號通道幾乎無影響。具有高直流增益、大寬帶、高共模抑制比和電源抑制比、良好的輸出驅(qū)動(dòng)。還內(nèi)置輸出短路保護(hù)功能[7]。具有低失真、低功耗、低噪聲、高開環(huán)增益、低輸入失調(diào)電壓漂移等特性。圖4-13TLC4502放大電路4.3.3OP07OP07是一種低噪聲的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（最大為25μV），此外OP07同時(shí)具有輸入偏執(zhí)電流低和開環(huán)贈(zèng)一稿的特點(diǎn)。圖4-13OP07實(shí)物圖1和8腳為調(diào)零端，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，6為輸出，7接電路，5腳接空。具體管腳圖如圖4-13所示。圖4-13OP07管腳圖4.3.4LF411LF411是一個(gè)低失調(diào)、低漂移的輸入運(yùn)算放大器。低輸入偏置電流（50pA）、寬增益帶寬（3兆赫/分鐘）、內(nèi)部校準(zhǔn)的失調(diào)電壓（最大0.5mV）等特點(diǎn)，具體管腳圖如圖4-15所示。圖4-14LF411實(shí)物圖圖4-15LF411管腳圖4.3.5LM7812CTLM7812CT是一款線性直流三端穩(wěn)壓器，三端穩(wěn)壓管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。輸出電壓是12V，輸出最大電流是1.5A，輸入電壓范圍15V~35V。剛好滿足設(shè)計(jì)需求，且輸出穩(wěn)定性好、使用方便、價(jià)格便宜、輸出過熱或過流自動(dòng)保護(hù)。圖4-15LM7812CT實(shí)物圖4.3.6變壓器變壓器選擇深圳才興電子有限公司的EI48小型電子變壓器8W220V轉(zhuǎn)AC20V單輸出變壓器，兩條紅線為輸入線,兩條藍(lán)線為輸出線,黃線抽頭零線，具體參數(shù)如表4-4。

表4-4具體參數(shù)額定功率：8W輸入電壓AC220V/50Hz輸出電壓AC20V（單輸出）輸出電流0.40A/400mA頻率特性低頻4.4GSM模塊模塊簡介：5V-18V供電，通過USB—TTL模塊，可實(shí)現(xiàn)模塊與電腦通信，還有一組手機(jī)鋰電池供電接口，還有兩個(gè)LED指示燈，方便調(diào)試，上電無需按鍵或單片機(jī)控制開機(jī)，上電直接啟動(dòng)，省去了麻煩的開機(jī)過程，工作的頻段為：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz。圖4-16GSM模塊

第五章詳細(xì)設(shè)計(jì)5.1關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)5.1.1電源及穩(wěn)壓電路此設(shè)計(jì)供電采用220V交流電壓，首先通過變壓器將220V交流電壓轉(zhuǎn)為20V交流電壓。然后再通過整流橋?qū)⒔涣麟妷鹤優(yōu)橹绷麟妷海鳂蚝竺娴臑V波電容選擇2000uf，耐壓50V。最后使用三端穩(wěn)壓芯片LM7812將20V直流電壓降為12V直流電壓，電路原理圖如圖5-1所示：圖5-1電源電路本設(shè)計(jì)根據(jù)其他器件的供電需要，需將12v直流電壓降為3.3V和5V。具體穩(wěn)壓如下：3.3V穩(wěn)壓，從左至右依次是12V輸入，接地，3.3V輸出。C2、C3是輸入電容，對于交流電壓整流輸入，其作用是防止斷電后出現(xiàn)的電壓倒置。C4與C5是輸出濾波電容，作用是抑制自激振蕩，如果不接這兩個(gè)電容的話，通常線性穩(wěn)壓器的輸出會(huì)是個(gè)振蕩波形。5V穩(wěn)壓的接法與3.3V穩(wěn)壓的接法是同理的。圖5-2穩(wěn)壓電路5.1.2PH傳感器電路PH電極信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖3-7所示，采用的是精密雙路運(yùn)算放大器TLC4502芯片，內(nèi)置輸出短路保護(hù)功能，采用自校準(zhǔn)技術(shù)，在上電時(shí)就將輸入失調(diào)的電壓自動(dòng)調(diào)整為零，可以解決時(shí)漂和溫漂問題，操作簡單方便，圖5-3PH值調(diào)理電路5.1.3濁度傳感器電路濁度傳感器受到激勵(lì)后產(chǎn)生的電壓信號非常小，所以要經(jīng)過放大電路放大將信號放大，我們選擇的是LM358芯片，放大倍數(shù)=PL3R7+1=6，所以放大倍數(shù)為6倍。在受到激勵(lì)產(chǎn)生信號后我們加了一個(gè)電壓跟隨電路，此電路我們選擇的芯片為LF411圖5-4濁度值調(diào)理電路

5.1.4電導(dǎo)率傳感器電路在器件選型中計(jì)算得到此傳感器受到激勵(lì)后所產(chǎn)生的電流范圍為0.01mA-0.1mA。通過查閱資料可得河海湖泊的電導(dǎo)率一般為0.2μs/cm<k<300μs/cm，所以最大電流為1.5mA。首先通過R77將電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，此時(shí)電壓U1為0.15A，所以再通過放大電路將電壓U1放大到所需要的電壓，我們選擇OP07芯片，輸出電壓=（PL3R7+1）*U圖5-5電導(dǎo)率傳感器調(diào)理電路5.1.5溶解氧傳感器溶解氧傳感器為數(shù)字輸出，通過485總線再連接到STM32的串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。溶解氧傳感器接入485總線的接線圖如圖5-6所示。圖5-6溶解氧傳感器(RS3485)5.1.6STM32F103RCT6圖5-7STM325.2PCB

第六章仿真分析6.1電源及穩(wěn)壓電路仿真首先通過變壓器將220V交流電壓轉(zhuǎn)為20V交流電壓，下圖為19.999V，仿真結(jié)果基本準(zhǔn)確。再通過整流橋?qū)⒔涣麟妷鹤優(yōu)橹绷麟妷?，然后再通過三端穩(wěn)壓芯片LM7812將20V直流電壓降為12V直流電壓。由下圖所示，經(jīng)過變壓，整流，降壓后的電壓為11.969V。圖6-1電源及穩(wěn)壓電路仿真6.2PH值傳感器電路仿真PH值傳感器輸出電壓為毫伏級，仿真令傳感器輸出電壓為500mV，放大器在仿真時(shí)由LM358替代TLC4502進(jìn)行仿真，放大倍數(shù)=R2R1+1，可知放大倍數(shù)為6圖6-2PH值傳感器電路仿真6.3濁度傳感器放大電路仿真得到的信號先通過跟隨電路，下圖所示跟隨電路前后電壓幾乎不變化，主要是起到隔離的作用，然后在進(jìn)行信號的放大處理，如圖6-3放大倍數(shù)=R1R5+1=6，輸入電壓為0.214V，輸出電壓為1.283V圖6-3濁度傳感器放大電路仿真6.4電導(dǎo)率傳感器電路仿真根據(jù)器件選型和原理圖當(dāng)中的計(jì)算，得到傳感器在受到激勵(lì)后所產(chǎn)生的輸入信號電流的范圍，通過取值我們令輸入信號的電流為1.5mA，然后將電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，由于R1取值為為0.1K，所以轉(zhuǎn)為的電壓應(yīng)該為150mV，圖6-4中XMM2為149.999mV，幾乎正確，然后通過放大電路放大R3R2+1=21倍后的輸出電壓為3.15V，圖6-4中XMM1為2.998圖6-4電導(dǎo)率傳感器電路仿真第七章總結(jié)水質(zhì)監(jiān)測是保證水源安全的重要手段。雖然目前我國水質(zhì)基本上安全，但是影響水質(zhì)安全的因素依然存在，因此研究一套可以實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)的產(chǎn)品是十分重要的。本次設(shè)計(jì)中，先對水質(zhì)在線監(jiān)測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，根據(jù)調(diào)研的結(jié)果設(shè)計(jì)出了三個(gè)方案，再對每個(gè)方案的技術(shù)先進(jìn)性、成熟度、競爭力、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境與可持續(xù)等多方面進(jìn)行綜合分析最終設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的系統(tǒng)。在本次水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)所確定的方案中首先采用E-201-CPH值傳感器、TS-300B濁度傳感器、RDO-206A溶解氧傳感器、DJS-1T(鉑黑)電導(dǎo)率傳感器對需要監(jiān)測的水域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后把采集的數(shù)據(jù)傳送到STM32F103RCT6進(jìn)行處理，最后再通過GSM把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測端。最終就可以在監(jiān)測端實(shí)時(shí)的對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。在確定了方案之后就根據(jù)測量原理及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)等設(shè)計(jì)了具體的原理圖并畫出PCB，再對設(shè)計(jì)的部分電路進(jìn)行仿真確定了其可靠性。在以上研究過程中，本文大體上實(shí)現(xiàn)了對水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。但是由于我們專業(yè)知識水平的限制，在設(shè)計(jì)中許多地方存在一些不足之處，還有待進(jìn)一步研究完善。⑴本文只針對水質(zhì)參數(shù)PH值、溶氧度、濁度、電導(dǎo)率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，且針對每個(gè)參數(shù)選擇器件時(shí)由于考慮到經(jīng)濟(jì)成本、實(shí)施難度、現(xiàn)場穩(wěn)定性、運(yùn)營維護(hù)、環(huán)境與可持續(xù)等因素所選擇的器件存在部分瑕疵。⑵在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，F(xiàn)PGA集成度高，處理速度快，執(zhí)行效率高，且可多次重復(fù)編程等。但是由于FPGA的技術(shù)要求較高，只能處理數(shù)字信號且經(jīng)濟(jì)成本較為高昂，本次設(shè)計(jì)中采用了常用的STM32。STM32由于有各種外設(shè)操作起來簡單，可以處理模擬以及數(shù)字信號，適用于設(shè)計(jì)的控制電路。⑶為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)代通訊技術(shù)結(jié)合可靠性等多方面因素綜合分析之后選擇GSM通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是GSM通訊