便携式AD转换模块实现小型便携式的智能水质检测器系统

摘要：针对传统水质检测仪器体积大、检测参数单一、无法实时监测显示水质等问题，设计了一种便携式水质在线检测仪。本设计采用STC8A8K64S4A12单片机作为控制器，通过温度采集模块、pH测量模块、TDS检测模块等对水质的温度、pH和TDS参数进行检测；通过esp8266无线模块和手机App模块的设计和应用，实现手持监控。功能，结合C语言编程，最终实现了一款智能便携式水质检测仪。测试结果表明，该系统操作简单方便，精度高，

介绍

在日常生活中，这样的工作对于日常的普通人来说是不现实的。我国在多参数水质检测仪技术开发和产品生产方面取得了良好的成绩。可自动检测pH、溶解氧、水温、浊度、电导率等5个参数，但价格高，不适合民用生活。[6-7]。为确保饮用水水质安全两个模拟信号如何同时输入到单片机，不仅要对水源地水质进行检测，还要在千家万户实施水质检测，真正做到饮用水安全。作为民用产品，便携、低成本的产品是基本要求。满足这一要求的水质检测仪应具有体积小、成本低、方便性和实用性。该转换模块实现模数转换，从而实现小巧便携的智能水质检测仪。

1.系统硬件电路设计

系统主要采用STC8A8K64S4A12单片机作为主控芯片，围绕单片机设计了电源模块、温度采集模块、pH值采集模块、TDS采集模块、WiFi通讯模块、OLED显示模块等。微型计算机。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1主控制器的选择

计划使用STC8系列微控制器。因为 STC8 系列 MCU 使用的超高速 8051 内核比现有的 8051 快 12 倍[8-9]。无需外接晶振和外置复位电路，在减小体积的同时大大方便了设计。内置15通道12bits高精度ADC，最快速度可达800K，对水质检测仪中的模拟输出传感器具有良好的采集能力[10]。所有 GPIO 均支持 4 种模式，即高阻输入、开漏输出、强推挽输出和准双向端口。数字信号采集和处理具有速度和稳定性双重优势。因此，本设计选用型号为STC8A8K64S4A12的单片机作为主控芯片。

1.2pH检测电路设计

pH检测模块电路设计如图2所示，pH电极测量产生的mV信号通过BNC接口输出，通过电路输出到pH模块，实现信号的滤波放大，放大极小的mV电压信号到0~5V的电压放大后的信号通过J2端口输出到单片机[11]。

图2 PH检测电路

其中，LM2 660M为开关电容转换器[12]，可将输出电压稳定在1.5～5.5V范围内，为电压信号的最佳状态。CA3104AMZ 运算放大器可以放大微弱的 mV 电压信号。它是将高压PMOS晶体管和高压双极晶体管的优点结合在一个芯片上的产品。它可以提供具有特别高的输入阻抗和特别低的输入电流的电路。同时它具有特别高的效率。

输出信号的比值为 59.16 mV/pH，0V 微控制器在 25°C 时接收到的 pH 值为 7。pH 探头输出的信号大小与温度成正比。液体温度越高，影响越大。R6电阻的作用是温度补偿。从 pH=7 开始，集成放大器 CA3104AMZ 将接收到的探头信号放大，输出电压为正负 100 mV/pH 的信号。那么第二级反相偏置运放TL081BCDG4的作用就是调节探头输出信号，使信号处于有效范围内，使输出信号始终与pH成正比。D1为静电保护二极管和开机指示灯。R5的作用是当温度补偿不足时，根据标准液手动调节输出大小。pH值检测电路从J2端口输出电压Vout为：

式中：Vin为pH电极的输出信号，即BNC端口的电压信号，VD1为D1的稳定电压平均值。

1.3TDS检测电路设计

本文设计了一种数字 TDS 水质传感器。其电路原理如图3所示，集成了高精度放大电路、测温校准电路和低压差线性稳压电路。温度一直是影响pH值测量的重要因素。pH测量的准确性和长期稳定性主要取决于温度。因此，本设计在AD采集电路中设计了预处理电路，该电路具有低温漂、高稳定性和高性能。精度特性。

使用低偏置电流、低偏移漂移信号放大器LMV324。LMV324 四路低压轨到轨输出运算放大器专为低压操作而设计。它有 4 个通道，典型偏移为 5μV，输入偏置最大电流为 250 000pA，共模抑制比为 65dB。TPS60400DBVR 电荷泵为放大电路提供负输入电压，它可以直接将1.6～5.5V 的输入电压转换为固定的负输出电压[13]。

由于可以接受的输入电压范围很广，一般只要有预设的5或3.3V的电源，本文的设计是直接由模块上的VCC供电。ME6206A30M3G是一款低压差线性稳压芯片。具有精度高、功耗低的特点。它可以提供具有显着小电压降的电流。它将5V的输入电压降低到3V，并线性稳定地输出到放大电路。探头的信号从J1口流入，信号经过放大、分选后，从J2口输出到单片机。

2.系统软件编程

主程序部分采用顺序结构。程序启动后进行初始化，然后通过串口快速采集温度。温度返回后，数字数据采集模块的pH模块和TDS模块开始检测，然后进行AD采样，将其转换为模拟输入值，进行校准。度数变换对数据进行进一步处理。数据采集​​处理完成后，将数据显示在OLED屏幕上，然后将数据暂存在数据传输寄存器中，通过ESP8266模块的WiFi信号发送到手机App。主程序流程如图 4 所示。

图3 TDS检测电路

图4 系统主要流程

2.1 延迟子程序设计

由于 TDS 和 pH 采样需要温度补偿，然后是 ADC 采样和定标转换，所以在系统采集到温度后需要一定的延迟等待 TDS 和 pH 的显示。因此，设计了一个延迟子程序来缓冲等待时间。这个流程。在 24 MHz 频率的示波器上看到语句的时间约为 0.8μs。在本设计中，0.8μs的倍数设置为4μs，然后使用函数将其增加到1ms，最终延迟为1s。系统上电后直接读取温度，延迟1s后读取ADC采样数据。

2.2OLED显示方案设计

本文设计使用OLED显示屏，与单片机接口采用I2C连接方式。在设计程序时，需要根据连接方式进行。程序开始执行后，首先初始化屏幕，然后开始写入数据或命令，数据标志表示为0，命令标志表示为1。然后开始读取数据。读取数据后，应设置以下显示参数：页面地址、显示位置列低列高地址、起点坐标、显示模式等。显示完成后，关闭OLED，进入清屏功能。清屏完成后，屏幕黑屏，与未通电时相同。

2.3无线通信设计

为了实现极致的智能水质检测，让人们可以在手机上实时了解日常用水的水质，并利用无线通讯方式完成手机App的在线监测。本设计采用专用的ESP8266模块实现网络与云端的数据传输[14-15]，机智云平台可以提供手机APP的设计。

首先，在机智云开发者中心注册一个机智云开发者账号。注册后选择个人项目新建产品，填写一些基本信息，产品名称为“智能水质检测仪”，技术方案为WiFi/保存移动网络方案后，基本信息将生成项目；其次，创建数据节点，考虑水质检测的三个主要参数，本设计创建三个数据点，并将三个节点名称设置为温度、pH和TDS；

再次在手机上安装机智云通用版APP，安装后登录个人账号，在机智云官网下载ESP8266模组专用固件。在创建和创建数据节点后，可以下载和使用专用固件。固件下载完成后，使用串口调试器将WiFi模块连接到电脑，使用固件自带的下载程序刷新固件，加载机智云固件。加载完成后，WiFi根据机智云手册变成无线透传模块；通信时需要连接机智云服务器，等待服务器传来数据。产品配置完成后两个模拟信号如何同时输入到单片机，会发送生成的PK码和密钥。服务器检测到产品后，系统可以传输温度、pH、TDS等信息。上传后，连接网络的手机App即可读取数据。

3.硬件调试结果

为了验证上述设计的正确性和可行性，搭建了硬件调试平台。为防止硬件损坏，方便测试，系统上电调试时将DS18B20、pH电极和TDS探头插入自来水溶液中。如图5(a)所示，水温、TDS和pH参数值分别为22.3、99和6.85。由此可见，生活中自来水温度、TDS、pH值等参数均在人们的健康范围内，均达标；当改变水质的pH值时，再次测量。结果如图 5(b) 所示。水质参数分别为22.2、102和8.95。

从显示结果可以看出，系统的测试结果是准确的；最后，为了实现手持监控，将WiFi模块连接到手机APP并同步显示，即手机连接系统WiFi后打开手机APP，通信结果如图6所示.经过实际操作验证，本设计实现了硬件系统和手机APP同步显示测量结果。与市场上现有的水质检测仪相比，该检测仪体积小、操作简单、成本低，满足了当前用户的需求。测试结果可通过手机APP实时查看，实现离线在线同时监控，

图 5 系统测试

图 6 移动应用

4。结论

本文阐述了一种便携式智能水质检测仪的设计。介绍了pH检测电路、TDS检测电路等主要硬件的结构和工作原理，以及软件编程中的核心子程序。最后通过硬件平台的测试验证了该检测仪具有体积小、成本低、便携、实时显示等功能的优势，从实时应用的角度，方便人们对水的实时在线检测质量条件好，具有广阔的市场应用前景。返回搜狐，查看更多