一種基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余搏立

摘 要：文章以STM32F103VET6單片機(jī)為核心控制器設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)液位和溶液pH值檢測(cè)，并實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)，測(cè)量精度高，功耗低，性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET6單片機(jī)；玻璃電極；遞推平均濾波算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0035-03

Abstract： In this paper， a simple water regime detection system is designed with STM32F103VET6 single chip microcomputer as the core controller. The system can detect the liquid level and pH value of solution， and display the state data in real time. The measurement accuracy is high， the power consumption is low， and the performance is stable.

Keywords： STM32F103VET6 microcontroller； glass electrode； recursive average filter algorithm

1 概述

隨著科技水平的進(jìn)步與創(chuàng)新，簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)中溶液pH值測(cè)量和液位測(cè)量邁向智能化。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求愈加細(xì)致與嚴(yán)格。本文提出的設(shè)計(jì)方法對(duì)溶液pH值和液位高度能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量與顯示。整個(gè)系統(tǒng)僅由3.7V電池組供電，采用TFT液晶屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本文選用玻璃電極pH值傳感器對(duì)溶液pH值檢測(cè)，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行處理；選用超聲波液位傳感器進(jìn)行液位測(cè)量，經(jīng)串口通信傳輸控制器參與運(yùn)算；測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)遞推平均濾波算法處理后采用TFT液晶屏實(shí)時(shí)顯示水位測(cè)量高度、pH測(cè)量值、電池輸出電壓等狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)成簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)[1]。

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)分STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)電路、A/D采樣電路、液晶顯示電路、電源模塊電路構(gòu)成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

2.2 pH測(cè)量的基本原理

水溶液中氫離子的占比通過(guò)PH予以表示。根據(jù)能斯特方程，測(cè)量電極和被測(cè)量液體之間的電位差對(duì)應(yīng)于液體中氫離子的濃度[2]。能斯特方程簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

公式（1）中K為理論斜率；E為指定H+濃度下電極電勢(shì)；E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，溫度一定時(shí)為一常數(shù)。上式說(shuō)明電極的電位變化與被測(cè)溶液的pH值成線(xiàn)性關(guān)系。

2.3 液位測(cè)量原理與計(jì)算

超聲波傳感器安裝位置相對(duì)于液面的高度和超聲波發(fā)出經(jīng)液面反射接收的時(shí)間差具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可將單片機(jī)系統(tǒng)測(cè)得時(shí)間差換算成液面高度。安裝時(shí)注意將超聲波傳感器發(fā)射端正對(duì)液面。記超聲波傳感器相對(duì)液面的高度為L(zhǎng)，單位為毫米；超聲波的傳播時(shí)間差為T(mén)，單位為秒；聲音在空氣中的傳播速度V；數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 pH值傳感器信號(hào)調(diào)理電路

根據(jù)pH值傳感器電極輸出的電壓為信號(hào)電極與參考電極的電位差，當(dāng)pH值每變化1個(gè)單位時(shí)，傳感器電極輸出為幾十毫伏，如要將毫伏數(shù)量級(jí)信號(hào)放大到伏特?cái)?shù)量級(jí)供AD轉(zhuǎn)換，需放大幾百倍。玻璃電極的感應(yīng)端電阻很高，產(chǎn)生的干擾也被放大，進(jìn)一步加大誤差。若用pH-電位平移，只需較小的電壓放大倍數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)pH值與輸出電壓之間的線(xiàn)性關(guān)系[3]。單電源運(yùn)放能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性放大的運(yùn)放有LM358，LM324，TLC4502等，由于玻璃復(fù)合電極的內(nèi)阻極高，電路測(cè)量的關(guān)鍵是選擇高輸入阻抗的運(yùn)放，TLC4502具有輸入阻抗高，具有高精密低溫飄特點(diǎn)，故采用TLC4502。電路原理如圖2所示。

圖2（a），通過(guò)調(diào)整RW給參比電極（PH-端）賦予了一個(gè)1.1V的基準(zhǔn)電壓值，用來(lái)保證信號(hào)電極（PH+端）電壓恒為正值，運(yùn)放單電源供電也滿(mǎn)足要求。對(duì)于輸入1V以上的測(cè)量信號(hào)，只需放大2～3倍即可滿(mǎn)足單片機(jī)測(cè)量要求，如圖2（b）所示，只要合理地調(diào)整RX實(shí)現(xiàn)電極輸出電壓與pH值之間的線(xiàn)性關(guān)系。

設(shè)計(jì)的電極在不同pH值（標(biāo)準(zhǔn)pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量）下得到的輸出電壓如表1所示。

以當(dāng)前數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)圖形法導(dǎo)出PH線(xiàn)性方程：

3.2 電源電路

電源模塊采用3.7V電池組，使用XL6009升壓電路，輸出電壓經(jīng)7805穩(wěn)壓后，用于運(yùn)放電路和傳感器供電。電路圖如圖3所示。

4 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程。相對(duì)于匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言編程較簡(jiǎn)單，包含各種頭文件，功能強(qiáng)大，易于理解，可讀性強(qiáng)，單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，更利于操作。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

在實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)每次采樣轉(zhuǎn)換的波動(dòng)都很大，但實(shí)際用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)電壓無(wú)波動(dòng)?？芍谲浖嗀/D轉(zhuǎn)換測(cè)量的結(jié)果不能直接用于計(jì)算，需進(jìn)行有效的軟件濾波以排除A/D測(cè)量的誤差，經(jīng)過(guò)多種方法的調(diào)試，最終采用如下方法軟件濾波（遞推平均濾波法）：確定一個(gè)采樣數(shù)據(jù)的隊(duì)列數(shù)組，可參考數(shù)組長(zhǎng)度4～12個(gè)；將單片機(jī)A/D采樣數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中，保持采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)性；根據(jù)先進(jìn)先出特點(diǎn)將下一個(gè)采樣結(jié)果置于數(shù)組末端，并刪減隊(duì)列首數(shù)據(jù)，保持采樣數(shù)據(jù)隊(duì)列整體長(zhǎng)度不變；對(duì)數(shù)組中的采樣結(jié)果經(jīng)算數(shù)平均求解，作為最終測(cè)量值。

5 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)

在自來(lái)水加入白醋，使用本設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，溶液pH值測(cè)量結(jié)果如表2所示，液位測(cè)量如表3所示。

通過(guò)以上測(cè)量結(jié)果可知：設(shè)計(jì)的pH和液位測(cè)量?jī)x滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的誤差范圍（pH誤差±0.1，液位誤差±0.1mm）。

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