亚博app安全有保障:河流水质实时监测系统

2021-04-01 18:30:38 浏览: 217次 来源:【jake】 作者:-=Jake=-

摘要:设计了一种基于MSP430F149单片机和无线通信技术的新型高精度河水水质实时监测系统。该系统可以实时监测河流水质,温度和pH值的重要指标,并通过无线传输将其发送给监测部门。该系统由太阳能供电,并提供一个双极传感器同轴接口,可以根据需要用其他水质传感器代替它,以便于对河流水质进行自动实时监控。该系统还具有其他功能,例如时间爱游戏体育app ,温度显示和警报。它也可用于监测江河湖泊,水库等其他水体的水质,具有一定的现实意义。

关键字:水质监测;温度感应器; pH传感器温度补偿;无线通讯

0简介

水是人类生产和生活的重要资源。当前,生态环境受到严重破坏,水污染严重。水资源保护和水污染处理已成为现代社会最关注的问题之一。目前,全国大多数城市的地表水都受到一定程度的点或面污染,并且有逐年增加的趋势。日益严重的水污染不仅减少了水体的使用,进一步加剧了水短缺的矛盾,而且对我国正在实施的可持续发展战略产生了严重影响[1-3]。另外,随着河水水质的不断恶化,严重制约了农业经济的发展,影响了粮食及其他农作物的产量和质量[4]。因此,环保部门必须实时,有效,方便地对河流水质进行实时监测。

本文基于单片机和无线传输技术,设计并制作了河流水质实时监测系统。系统以MSP430F149低功耗单片机[5-6]为核心,通过24位模数转换芯片AD7793收集双极性pH传感器和温度传感器的信号,并由无线模块控制单片机发送实时监测结果并执行温度补偿后的pH值。设计的系统和设备有助于监控河流水质,并使用太阳能电池供电。与传统的人工检测方法相比,该系统具有检测数据准确性高,传感器更换灵活,节能,实时监控和无线通信的特点。

1系统结构

河流水质监测系统的结构框图如图1所示,包括以下部分:(1)传感器模块。pH值将河流水的pH值和温度值转换为电信号。传感器和温度传感器。(2)调节电路模块。调节电路将电信号处理为单片机可以接收的电压信号,并将其发送到A / D转换电路。[3) A / D模块。A / D转换电路使用24位Σ-Δ模数转换器将模拟电压信号转换为高精度的数字电压,并将其发送到单片机进行处理。(4)控制模块,单片机根据当前温度值对测得的pH值进行温度补偿和软件校准,最后得到准确的PH值,​​并将该pH值通过计算机发送给上位机。 eless模块​​。 (6)其他功能模块。警报模块根据按键输入的pH警报阈值判断当前的pH值,如果超过此阈值,将激活警报模块;太阳能电源模块具有电池监视功能可以实时监控太阳能电池的剩余电量,如果剩余电量过低,将自动进入节能工作模式;显示模块显示当前温度,pH值,报警阈值,当前日期LCD显示时间和其他信息。

2系统硬件设计

2. 1个传感器

2. 1. 1 pH传感器

E-201-C pH传感器的液体测量部分是玻璃复合电极。当测量溶液的pH时,当所测量的溶液的氢离子浓度变化时,玻璃电极与参比电极之间的电动势也随之变化。通过制备不同的pH溶液,通过在室温(25℃)下使用某种类型的pH计进行实验测量,电极电压与pH值近似线性相关,并根据能斯特方程[7],测量样品使用MATLAB拟合线性函数测量点。

MATLAB显示了26个测得的采样点与拟合函数多项式之间的关系,如图2所示。从图2可以看出,传感器输出的电信号与pH值近似呈线性关系。被测溶液。通过MATLAB拟合26个采样点获得的线性函数为:

V = 39 1. 6-5 8. 12×pH0(mV)(1)

后置调节电路将传感器的功率放大2倍并添加1. 2 V偏置后,即可获得V-pH关系:

V = 1. 983 2- 0. 116 24×pH0(V)(2)

2. 1. 2温度传感器

两线制PT100铂电阻温度传感器[8]是由铂(Pt)制成的电阻温度传感器,属于正电阻率,电阻与温度变化的关系为R = Ro(1 +αT) ,理论上,α= 0. 003 92,Ro为100Ω(0℃时的电阻值),T为摄氏温度。测得的电阻值与理论值之间存在细微的偏差澳洲幸运8 ,因此根据实验校准校正的关系公式为:

R = 100(1+ 0. 003 92T- 4. 74×10- 7)(Ω)(3)

2. 2 pH调节电路

由于E-201-C pH传感器的输出功率是-400 mV〜400 mV范围内的双极性电压信号,因此需要对其进行放大和偏置。调节电路如图3所示。该电路将pH传感器的输出电压放大2倍,并通过1. 2 V参考电压芯片LM385添加1. 2 V偏置。因此,可以将-400 mV〜400 mV的电压范围转换为0. 4 V〜2. 0 V的电压范围。

2. 3模数转换器

此设计使用ADI的24位三通道Σ-Δ模数转换芯片AD7793来实现传感器模拟信号的高精度A / D转换。 AD7793具有内置的可编程激励电流源和仪表放大器。励磁电流源配置为1 mA输出,并与pt100串联连接。然后,将获得的电压信号通过片上仪表放大器,以获得16倍的增益,并最终获得接近1. 6 V值的电压。 A / D转换模块如图4所示。AD7793使用外部2. 5 V参考电压对调节电路发送的pH值模拟量和水温值模拟量进行数字转换,并通过三个线SPI接口将数字量发送到微控制器进行处理。

2. 4无线通信模块

nRF905单芯片无线收发器[9]工作在433/868/915 MHz的ISM频带中,由一个完全集成的频率调制器,一个带解调器的接收器,一个功率放大器和一个晶体振荡器组成。由一个调节器组成。 nRF905的片内寄存器通过单片机的IO端口进行配置,以模拟SPI通信协议,以实现对无线模块收发器的控制。当系统监控的pH值发生变化时,微控制器会调用nRF905发送最新的监控数据。

2. 5按钮,电池监控和蜂鸣器电路

系统的pH报警阈值和电池电压报警阈值由按钮电路设置,并通过中断连接到单片机。当监控的pH值超过阈值时,系统触发中断并进入中断服务程序,并发出蜂鸣警报。蜂鸣器电路如图5所示。

电池电压监视电路如图6所示。VCC是电池电压,它通过电阻分压器输入到电压跟随器,然后输入到微控制器的内部A / D转换器。当电池电量减少并且电压VCC下降到设置的电压阈值时,微控制器的内部中断被触发,并且工作模式自动从实时工作模式切换为定期间歇的低功率工作模式测量。

2. 6时钟,LCD,EEPROM电路

时钟芯片是低功耗时钟芯片DS1302,可以计时年,月,日,周,时贝搏APP ,分和秒,并具有a年补偿功能。

LCD是低功率工业字符液晶1602,它可以同时显示16列和2行的32个字符。单片机控制LCD1602显示当前日期,时间,pH值,温度值和pH报警阈值。

EEPROM是两线式串行芯片AT24C04,用于存储用户设置的pH和电池电压阈值。此外水质实时监测,当监视的pH值超过阈值时,系统会将相应的日期,时间和pH值记录在EEPROM中。

3系统软件设计

该系统使用MSP430F149微控制器作为主控制芯片水质实时监测,带有ADC12和计时器,以达到控制pH传感器,温度传感器,24位外部ADC,时钟芯片DS130 2、 EEPROM华体会首页 ,LCD,无线模块的目的。和其他外部设备来协调工作。

3. 1主程序流程图

主程序首先初始化时钟,然后选择8 MHz晶体振荡器作为系统时钟源。然后依次初始化每个片上和片外模块。最后,使能中断,进入低功耗模式,然后等待中断唤醒。主程序流程如图7所示。

3. 2计时器中断流程图

3. 2. 1定时器A中断流

定时器A中断每1 s将CPU从低功耗状态唤醒一次,因此称为实时(RT)。复位系统后,定时器A中断自动打开,并且定时器B中断被禁用,即默认情况下启用实时模式。在定时器A中断中,系统首先读取pH值和温度值,并判断pH值是否超过阈值,如果超过阈值,将发出蜂鸣器警报,并且当前时间和pH值将记录在EEPROM中;否则,系统将没有其他操作。然后,系统刷新LCD上显示的pH和温度值,并通过无线模块将其发送出去。最后,系统通过MCU内部的12位ADC检测太阳能电池电压值,如果低于设定的阈值,将自动切换至低功耗模式;否则,系统将没有其他操作。此外,该中断服务最终还包括“ 10 s检测”功能,即当前日期和时间每10 s在LCD屏幕下方显示一次,并在3 s后恢复原始显示界面。计时器A的中断流程图如图8所示。

3. 2. 2定时器B中断流

定时器B中断每1小时将CPU从低功耗状态唤醒一次,因此称为低功耗模式(Low Power,LP)。系统复位自动禁用定时器B中断。在定时器B中断中,除了不包含“电池电压监视”和“ 10 s检测”功能外,其他功能与定时器A中断相同。计时器B的中断过程如图9所示。

3. 3数字滤波算法

为了提高系统的测量精度,AD7793连续将pH功率转换10次并将其存储在阵列中,并且单片机对10次转换的结果进行气泡分选。然后,将数组中间的8个数据的平均值计算为10次转换的最终结果。该算法的原理是:去除样本中的最大值和最小值,然后求出平均值。该算法可以滤除干扰引起的测量偏差,提高系统的稳定性,避免误报。

3. 4温度补偿

为了克服温度对测量过程中pH值的影响,可以使用温度补偿对其进行校正。根据pH传感器输出的电压值V和温度传感器测得的摄氏温度T,将其代入温度补偿模型[8]:

将通过公式(2)计算出的pH0和通过公式(4)计算出的pH1)取平均值,以获得最终的pH值。

4系统安装图

在应用系统时,它需要在河流的表面上工作,因此设计了系统设备,系统设备图如图10所示。系统硬件放在浮环上,并且浮环由平衡铁环平衡,以防止设备因河涌而倾覆。两个传感器从浮环悬挂在河水中,太阳能电池板放置在设备顶部,为系统供电。

5个实验结果

系统经过硬件调试和软件补偿后,进行了实验和数据比较。实验分为A组和B组。A组在室温(25℃)下进行测试,B组在不同环境温度下使用不同pH值的水进行测试。将两组的测量结果与pH计和温度计的测量结果进行比较。实验测试结果如表1所示。根据表1的测量数据,在不同温度的工作环境下,系统测得的河水pH值的准确性较高。

6结束语

河流水质实时监测系统的硬件采用PCB技术,由传感器,显示屏,单片机和无线传输模块组成。它工作稳定,并通过温度补偿提高了系统测量的准确性。该系统可以通过无线传输模块将监测到的最新pH值传输到监控中心,从而使员工能够及时,全面地掌握水质的变化。该测量装置采用太阳能供电方式,很好地解决了系统供电问题。该系统节能环保,性能稳定,可节省大量人力物力,提高监测效率,具有一定的现实意义和实用价值。

参考

[1]马超。 Fenton试剂深度处理制药废水的研究[D]。哈尔滨:哈尔滨工业大学,200 7.

[2]王娇,马可明,张玉新等。关键词:土地利用类型,社会经济特征,河流水质环境科学学报,2012,32(1):58-6 5.

[3]林沛。北京郊区地下水水质评价与趋势分析[D]。长春:吉林大学,200 4.

[4]魏小梅,康绍忠,马兰,等。关键词:石羊河流域,绿洲农业发展,水资源转化,生态环境效应灌溉排水学报,2006,25(4):28 -3 2.

[5]毛小丽,杨波,杨静秋,等。关键词:节能型,数字调频发射机,基于MSP430单片机电子技术应用,2013,39(5):138-14 0.

[6]张秀载,范江奇,杜萌等。关键词:高压电力线路,积雪厚度,实时监测系统电子技术应用,2014,40(3):130-13 6.

[7]廖思达,贾志军,马洪云等。邓小平。电化学的基本原理(Ⅱ)—热力学平衡和能斯特方程及其应用[J]。储能科学与技术,2013,1(2):63 -6 8.

[8]陈瑶,薛月菊,陈连成,等。 pH传感器温度补偿模型研究[J]。传感器技术,2012,25(8):1034-103 8.

[9]林霞君,刘颖华体会app ,乐达等。关键词:无线智能门锁,nRF905科技信息,2012(6):4- 5.

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