0 引言

　　水資源是人類生產生活的重要資源。目前，生態環境破壞嚴重，水體污染嚴重，水資源的保護和水污染的治理成為現代社會最關注的問題之一。目前全國多數城市地表水受到一定程度的點狀或面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，還對我國正在實施的可持續發展戰略帶來嚴重影響[1-3]。另外，隨著河流水質的不斷惡化，嚴重制約了農業經濟的發展，影響了糧食和其他農作物的產量和質量[4]。因此，環保部門實時、有效和方便地對河流水質進行監測就顯得十分必要。

　　本文設計并制作了基于單片機和無線傳輸技術的河流水質實時監測系統。該系統以MSP430F149低功耗單片機[5-6]為核心，通過24位模-數轉換芯片AD7793對雙極性pH傳感器和溫度傳感器信號進行采集，由單片機控制無線模塊發送實時監測所得并進行溫度補償后的pH值。所設計系統、裝置便于實現對河流水質的監測，并采用太陽能電池供電。與傳統的人工檢測方法相比，本系統具有檢測數據精度高、傳感器可靈活更換、節能、實時監測和無線通信等特點。

1 系統結構

　　河流水質監測系統的結構框圖如圖1所示，包括以下幾個部分：(1)傳感器模塊。由pH傳感器和溫度傳感器將河水的pH值和水溫值轉換為電信號。(2)調理電路模塊。調理電路將電信號處理為單片機所能接收的電壓信號，并送至A/D轉換電路。(3)A/D模塊。A/D轉換電路利用24位Σ-Δ模數轉換器將模擬電壓信號高精度地轉換為數字電壓量，并送至單片機處理。(4)控制模塊。單片機根據當前溫度值對所測pH值進行溫度補償和軟件校準，最終得到準確的pH值，并將此 pH值通過無線模塊發送至上位機。(6)其他功能模塊。報警模塊根據按鍵輸入pH報警閾值，判斷當前pH值，若超過此閾值，則啟動報警模塊；太陽能供電模塊帶有電池監測功能，可以實時監測太陽能電池的剩余電量，若剩余電量過少，則自動進入節能工作模式；顯示模塊由LCD顯示當前溫度和pH值、報警閾值、當前日期和時間等信息。

2 系統硬件設計

　　2.1 傳感器

　　2.1.1 pH傳感器

　　E-201-C型pH傳感器測液部分為玻璃復合電極，在測量溶液的酸堿度時，當被測溶液的氫離子濃度發生變化，玻璃電極與參比電極之間的電動勢也隨之發生變化。通過調配不同酸堿度的溶液，室溫（25 ℃）條件下用某型pH計通過實驗測量發現電極電壓與pH值近似成線性關系，并根據能斯特方程[7]，利用MATLAB將所測樣本點擬合成一次線性函數。

　　MATLAB將26個實測的樣本點與擬合的函數多項式關系圖如圖2所示。由圖2可知，傳感器所輸出的電信號與所測溶液的pH值近似成線性關系。由MATLAB將26個樣本點進行擬合得到的一次線性函數為：

　　V=391.6-58.12×pH0  (mV)(1)

　　后級調理電路將傳感器電量放大2倍并加上1.2 V的偏置后，得到V-pH關系式為：

　　V=1.983 2-0.116 24×pH0  (V)(2)

　　2.1.2 溫度傳感器

　　兩線PT100鉑電阻溫度傳感器[8]是一種以白金(Pt)制作成的電阻式溫度傳感器,屬于正電阻系數,其電阻和溫度變化的關系式R=Ro(1+αT)，理論上α=0.003 92，Ro為100 Ω(在0 ℃的電阻值)，T為攝氏溫度。經測量的電阻實測值與理論值存在略微偏移，故根據實驗校準修正的關系式為：

　　R=100(1+0.003 92T-4.74×10-7)  (Ω)(3)

　　2.2 pH調理電路

　　由于E-201-C型pH傳感器的輸出電量為-400 mV~400 mV范圍內的雙極性電壓信號，需要進行放大和偏置調理。調理電路如圖3所示，電路將pH傳感器的輸出電壓放大2倍，并通過1.2 V基準電壓芯片LM385加上1.2 V的偏置。由此可將-400 mV~400 mV的電壓范圍變換成0.4 V~2.0 V的電壓范圍。

　　2.3 模數轉換器

　　本設計采用ADI公司的24位三通道Σ-Δ型模-數轉換芯片AD7793，實現對傳感器模擬信號的高精度A/D轉換。AD7793內置可編程激勵電流源和儀表放大器，將激勵電流源配置成1 mA輸出并與pt100串聯，取得的電壓信號再經過片內儀表放大器獲得16倍增益，最終獲得1.6 V附近的電壓值。A/D轉換模塊如圖4所示，AD7793采用外部2.5 V基準參考電壓，將調理電路送來的pH值模擬量和水溫值模擬量進行數字轉換，并通過三線SPI接口將轉換后的數字量送至單片機進行處理。

　　2.4 無線通信模塊

　　nRF905單片無線收發器[9]工作在433/868/915 MHz 的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調節器組成。通過單片機IO口模擬SPI通信協議來配置nRF905的片內寄存器，實現對無線模塊的收發控制。當系統監測到的pH值發生變化時，單片機調用nRF905發送最新的監測數據。

　　2.5 按鍵、電池監測和蜂鳴器電路

　　系統的pH報警閾值和電池電壓報警閾值通過按鍵電路設置，通過中斷方式與單片機連接。當監測的pH值超過了閾值，系統即觸發中斷進入中斷服務程序，蜂鳴報警。蜂鳴器電路如圖5所示。

　　電池電壓監測電路如圖6所示。VCC為電池電壓，經電阻分壓輸入電壓跟隨器再輸入單片機內部A/D轉換器。當電池電量減少，電壓VCC下降到設定的電壓閾值時，觸發單片機內部中斷，工作模式自動從實時工作模式切換至定時斷續測量的低功耗工作模式。

　　2.6 時鐘、LCD、EEPROM電路

　　時鐘芯片為低功耗時鐘芯片DS1302,可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能。

　　LCD為低功耗工業字符型液晶1602，能同時顯示16列2行共32個字符。單片機控制LCD1602顯示當前日期、時間、pH值、溫度值及pH報警閾值。

　　EEPROM為兩線串行芯片AT24C04，用于存儲用戶設置的pH、電池電壓閾值。此外，當監測的pH值超過閾值時，系統將對應的日期、時間和pH值記錄到EEPROM中。

3 系統軟件設計

　　系統以MSP430F149單片機為主控芯片，配合ADC12和定時器等達到控制pH傳感器、溫度傳感器、24位外部ADC、時鐘芯片DS1302、EEPROM、LCD、無線模塊等外部器件協調工作的目的。

　　3.1 主程序流程圖

　　主程序首先對時鐘初始化，選擇8 MHz的晶振作為系統時鐘源。然后依次對各個片內、片外模塊進行初始化。最后使能中斷，進入低功耗模式，等待中斷喚醒。主程序流程如圖7所示。

　　3.2 定時器中斷流程圖

　　3.2.1 定時器A中斷流程

　　定時器A中斷每隔1 s將CPU從低功耗狀態喚醒，故稱之為實時模式(Real Time，RT)。系統復位時，自動開啟定時器A中斷，禁止定時器B中斷，即默認啟用實時模式。在定時器A中斷中，系統首先讀取pH值和溫度值，并判斷pH值是否超閾值，若超過閾值則蜂鳴報警，并將當前時間和pH值記錄在EEPROM中；否則，系統無附加動作。然后，系統刷新液晶上顯示的pH值和溫度值，并通過無線模塊發送出去。最后，系統通過MCU內部12位ADC檢測太陽能電池電壓值，若低于設定閾值，則自動切換至低功耗模式；否則，系統無附加動作。另外，此中斷服務最后包含“10 s檢測”功能，即每隔10 s將當前日期和時間顯示到液晶屏下方，保持3 s后，恢復原先顯示界面。定時器A中斷流程圖如圖8所示。

　　3.2.2 定時器B中斷流程

　　定時器B中斷每隔1小時將CPU從低功耗狀態喚醒，故稱之為低功耗模式(Low Power，LP)。系統復位自動禁用定時器B中斷。在定時器B中斷中，除了不包含“電池電壓監測”和“10 s檢測”功能外，其他功能與定時器A中斷相同。定時器B中斷流程如圖9所示。

　　3.3 數字濾波算法

　　為提高系統測量精度，AD7793將pH電量連續轉換10次存入數組中，單片機將10次轉換結果進行冒泡排序。然后，計算數組中間8個數據的平均值作為10次轉換的最終結果。該算法原理：去除樣本中的一個最大值和一個最小值，再求平均值。該算法可濾除因干擾導致的測量偏差，提高了系統的穩定性，避免錯誤報警。

　　3.4 溫度補償

　　為克服pH值在測量過程中受溫度的影響，可通過溫度補償進行修正。根據pH傳感器輸出的電壓值V和溫度感測器測量的攝氏溫度T，代入溫度補償模型[8]：

　　將式（2）計算得到的pH0和式（4）計算得到的pH1進行平均得到最終的pH值。

4 系統裝置示意圖

　　系統在應用時需放在河流水面上工作，故設計了系統裝置，系統裝置圖如圖10所示。系統硬件放置在漂浮圈上，漂浮圈通過平衡鐵圈保持平衡，防止河面浪涌造成裝置傾覆。兩個傳感器從漂浮圈內垂入河水中，太陽能電池板放在裝置頂端為系統供電。

5 實驗結果

　　系統經過硬件調試和軟件補償后進行實驗和數據對比。實驗分甲、乙兩組分別進行，甲組在室溫（25 ℃）條件下、乙組在不同環境溫度下分別對調配的不同酸堿度的水進行測試。兩組測量結果均與pH計和溫度計測量結果進行對比，實驗測試結果如表1所示。由表1實測數據可知，在不同溫度的工作環境下，系統測量的河水pH值準確度較高。

6 結束語

　　河流水質實時監測系統硬件采用PCB工藝，由傳感器、顯示屏、單片機和無線傳輸模塊構成，工作穩定，并通過溫度補償提高系統測量的準確度。系統能夠將監測的最新pH值通過無線發射模塊傳輸到監控中心，以便于工作人員及時、全面地掌握水質變化情況。測量裝置采用太陽能供電方式，很好地解決了系統供電的問題。該系統節能環保，性能穩定，可以節省大量的人力物力，提高監測效率，具有一定的現實意義和實用價值。

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