便携式水质H值检测仪的设计与实现

摘 要水环境污染已经成为中国环境污染面临的首要问题。治理中国水环境污染成为当务之急，水质监测也已经成为治理水环境污染的热门话题。所以，研制一款带灵活数据传输接口的水质监测仪，具有十分重要的意义。“基于GPRS的便携式水质监测仪”采用单片机技术，无线传输技术研制的一款基于GPRS的无线PH值监测仪，主要用于环境PH值等在线监测，实现多点环境水质无线采集和监测。不同于市场上的PH值测试仪，该仪器主要有便携，无线传输，监测精度比传统方法高，监测速度快，低功耗等优点。本设计采用pH复合电极测量水样的pH值。分析传感器测试数据，采用自动温度补偿算法，实现PH数值软件补偿。通过GPRS无线收发数据与命令，实时采集PH值，记录采集时间。采集点，PH数值，采集时间记录并储存在控制终端。

【关键词】PH GPRS无线传输 检测仪

“五水共治”是浙江省委、省政府贯彻落实党的十八大、十八届三中全会精神，推进新一轮改革发展，再创浙江发展新优势，为建设美丽浙江，浙江省委、省政府将“排涝水、治污水、保供水、防洪水、抓节水”作为全面深化改革的重要内容和需重点突破的改革项目。党的十八大明确指出，要可利用物联网技术，从地下水到饮水水库，再到江河湖泊等，对水质污染源头进行系统记录、追踪、识别和监测，使水质污染的每一个环节均可查询、可溯源、可追责。

1 系统总体设计

该装置为采用单片机技术，无线传输技术研制的一款基于GPRS的无线PH值监测器。主要用于环境PH值等在线监测，实现多点环境水质PH值无线采集和监测。 系统将在线监测的数据显示装置和PH值检测装置结合在一起，在监测点嵌入段式液晶显示终端，进行PH值检测，并通过GPRS网络传输到主控系统。通过主控系统可以实时查看监测点的PH数据信息。

本装置的主要优点有：

1.1 便携

能够做到电池供电，及时监测，并上传到监控中心。

1.2 无线传输

系统带有GPRS无线传输模块，可以将监测的结果及时发送给远端的数据监控中心，大大方便了监测员统计和记录。

1.3 监测精度比传统方法高

传统试纸监测方法精度最多在0.1， 本仪器监测精度在0.02个PH之内。

1.4 监测速度快

利用软件优化误差算法，提高监测速度。监测时间在1分钟之内。

1.5 低功耗

采用低功耗单片机设计，两分钟内不工作时，系统进入睡眠状态。工作电流控制在10mA之内。系统采用4节普通干电池供电（电量200毫安时），如果每天使用一次，可以保证用半年以上。该PH监测器，方便监测各种液体的PH值，可以应用在印染行业、电力设备行业、水产养殖业、水处理行业、水质监测等多种场合。

系统框图如图1所示。

2 硬件部分

整个系统按照模块化思路进行设计，主要分为电源模块、单片机最小系统、PH电极信号调理及PH值采集部分、GPRS模块，如图2所示。

电源模块：本着便于携带的原则，采用电池供电，系统采用3.3V低电压供电，采用低压精密稳压芯片LM1117-3.3实现。该芯片具有0.04%的线路调整率和0.2的负载调准率，保证系统电源的稳定及精确，提高了整个系统的精度，同时1A的最大电流输出也满足了系统的功率要求。

单片机的最小系统：设计采用STM8L152单片机。STM8L152是一款8位超低耗的单片机，其工作电压在1.65～3.6V低电压，具有哈佛结构和三级流水线，拥有5个低功耗模式，低功耗运行模式，功耗值小于6uA，低功耗等待模式，功耗值小于5uA，活跃停机模式和停机模式等，从停止模式转换到工作模式，仅用4.7uS。

LCD模块和模数转换模块：由于STM8L152单片机自带了段式液晶屏驱动部件，可以驱动特定的8段液晶屏。为了提高转换精度和效率，选用了自校准的16位数模转换器ADS100。它采用差分输入，可编程增益放大器和可编程数据转换速率，同时具有高精度转换位数和高效率的转换速度。工作电压为3.3V，工作电流只有90uA，符合系统低功耗要求。

GPSR模块：采用SIM900A模块，体积小巧，供电电压3.2～4.8V，满足了系统的需求，并且利用SIM卡来传递信息，在SLEEP模式下耗电为1mA。同时可以向客户端传递数据和客户端想模块发送指令。实现了系统无线传输的功能。

PH信号调理和PH值采集电路：采用的是电位法测量PH值，通过测量电极的电势以及溶液的温度，但是电极的内阻很大，需要一个高阻抗的的放大器与之匹配。

采用杭州米科公司的PH复合电极，该复合电极把PH和温度2和1组合在一起，大大的便利了便捷式的测量PH值的设计，该复合电极测量的PH值范围是0～14PH，温度范围是0～100℃，内阻小于等于250MΩ。设计了一个高阻抗的放大器与该复合电极匹配，通过连接数模转换，把电势值转化成数字信号传输给单片机，之后再经过程序优化。

3 软件部分

3.1 电位法PH计的原理

3.1.1 PH值公式的推导

测量溶液的PH值，也就是测量溶液中H+的浓度，那么就需要一个能够反映溶液中的H+浓度的变化的指示电极。设计采用复合电极由两部分组成，参比电极和测量电极，参比电极由AgCl溶液中的Ag丝组成，测量电极由对PH值反应灵敏的玻璃探头组成。测量时两根电极在待测溶液内部形成原电池，其中测量电极的电位会随着溶液中H+浓度的变化而变化，参比电极的电位保持不变，不受待测溶液的影響。这样两电极形成的电动势会随着溶液中离子浓度的变化而发生变化，测量该电势，即可得到待测溶液的离子浓度，再通过算法可推算出该溶液的PH值。

复合电极电位与水中H+浓度满足能斯特公式，即

（1）

式中：

E——测量电极电位

E0——参比电极电位

R——气体常数8.314J/（mol·K）

T——热力学温度（K）

F——法拉第常数96485.3383C/mol

为了简便计算PH值，令为PH待测，为PH标准得出以下公式

（2）

由公式（2）可以看出来，在温度T不变的情况下，溶液中PH值与测量电极电势成线性关系。在标准PH值为7时，标准电极电位为0mV，可以根据公式2算出待测溶液的PH值。

3.1.2 温度的补偿及误差补偿

将PH值传感器输出电压作为因变量所测溶液温度和PH值作为自变量，采用控制变量法，根据实际情况，选取0～100℃相间隔10℃，然后分别测量不同温度下不同PH值对应的传感器输出电压，此电压为经过滤波后得到的值。根据得到的值，采用MATLAB并且根据图中的数据拟合得出经过温度补偿后的PH值计算公式为：

（3）

3.2 程序设计

仪器的测量控制软件采用模块化结构设计，整体架构围绕主要测试功能来实现，主要分成四个部分：

（1）硬件的初始化，负责控制单片机、LCD显示屏和GPRS模块的初始化；

（2）测量模块，负责复合电极的数据采集，实时的把数据传输给单片机；

（3）显示和无线传输，负责LCD显示屏显示实时的PH值和传输实时的测量PH值。其主要程序流程图如图4所示。

4 实验数据分析

在常温下对设计的便携式PH计进行对比，分别从LCD显示屏和PC端读取PH值，与上海仪电生产的分别率为0.01PH的PHS—3C型PH计测量的PH值进行比较，结果如表1所示。

5 结论

设计的便携式无线传输的PH计从便携式、低功耗、高精度、检测速度快、具有无线传输的功能出发，在采用复合电极的电位法测量PH值，设计了可行的方案，在程序里面加入了对温度的补偿。实验结果表明，该仪器的工作性能稳定，检测速度快，精确度达到了±0.02，并且具有了无线传输的功能，实现了最初设计该仪器的初衷。

参考文献

[1]ADI公司针对pH计和电导率仪的演示系统.http：///cn/design-center/landing-pages/002/apm/water-analysis-solution-2013.html#intro.

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[7]付金勇，郭爱文.基于ZigBee网络与GPRS的数据采集传输系统设计[J].電子设计工程，2011（14）.

作者单位

浙江水利水电学院 浙江省杭州市 310018

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