基于智能硬件的水情檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏茹奇

【摘 要】水情檢測(cè)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際。一方面可以道水情信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為防汛抗災(zāi)提供提供準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)信息。另一方面pH測(cè)量被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、科研、制藥、發(fā)酵、化工、自來(lái)水等領(lǐng)域。該儀器也是食品廠、飲用水廠辦QS、HACCP認(rèn)證中的必備檢驗(yàn)設(shè)備。

本簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)是以msp430單片機(jī)為核心，用E-201-C型pH玻璃電極傳感器測(cè)量水的PH值，用HC-SR04超聲波傳感器測(cè)量水的高度。PH值和水位高度信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC 模塊傳送給單片機(jī)處理，并經(jīng)LCD 12864顯示出水的PH值、高度和電池電壓。本系統(tǒng)可以在不工作時(shí)以0.01uA的電流待機(jī)，實(shí)現(xiàn)超低功耗。

【關(guān)鍵詞】水情檢測(cè)；msp430；pH傳感器；超聲波

一、系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)msp430模塊、PH復(fù)合電極模塊、電壓檢測(cè)模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1、單片機(jī)的論證與選擇

方案一：采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片時(shí)鐘頻率高達(dá)較高，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)大雖然能夠很好的完成，但操作及編程比較復(fù)雜。

方案二：采用以msp430電壓低，功耗低，特別適用于長(zhǎng)期用電池供電的設(shè)備。16位RSIC架構(gòu)，內(nèi)置硬件乘法器，擁有高速的運(yùn)算能力，乘除法運(yùn)算都為單周期指令靈敏度很高的AD采樣；靈活的時(shí)鐘使用模式成本低。

綜合以上兩種方案，我們相對(duì)熟悉430，選擇方案二。

2、pH測(cè)量的論證與選擇

方案一：采用金屬ph電極，金屬電極的pH建立氧化還原化學(xué)的基礎(chǔ)上，當(dāng)我們?cè)俅螠y(cè)量，獲得較精確的值需要將金屬表面的電極垢去掉，測(cè)量時(shí)不方便。

方案二：復(fù)合帶溫補(bǔ)電極，適合于測(cè)量介質(zhì)溫度波動(dòng)較大的場(chǎng)合，抗干擾性較強(qiáng)，采樣精度能達(dá)到系統(tǒng)要求，本方案達(dá)到了利用傳感器輸出模擬信號(hào)，再用溫度校驗(yàn)以及兩點(diǎn)校驗(yàn)法進(jìn)行校驗(yàn)，以便于達(dá)到更高的精度。

綜合以上兩種方案，方案二精度較高，系統(tǒng)中選擇方案二。

3、電壓檢測(cè)的論證與選擇

方案一：采用AD轉(zhuǎn)換+程序?yàn)V波，電路簡(jiǎn)單，程序計(jì)算量較大。

方案二：采用模擬濾波信號(hào)和減法運(yùn)算后，再進(jìn)行AD測(cè)量電壓，電路較為復(fù)雜，程序計(jì)算量較小。

綜合以上兩種方案，方案一功耗較低，選擇方案一。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

Msp430超低功耗系列微型處理器作為系統(tǒng)主控中心，采集超聲波的數(shù)字信號(hào)以及電源電壓和ph傳感器的模擬信號(hào)，在經(jīng)過(guò)精密的轉(zhuǎn)換和計(jì)算獲得ph值和液位高度以及系統(tǒng)電源電壓，通過(guò)PMOS場(chǎng)效應(yīng)管控制導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)行，在需要檢測(cè)的時(shí)候通過(guò)按鍵喚醒檢測(cè)，并在降低功耗過(guò)后的12864點(diǎn)陣顯示屏上顯示。系統(tǒng)總體框圖如1所示。

2、減法子系統(tǒng)電路

PH探頭輸出的電壓大約在2.8～3.8V左右，單片機(jī)AD的輸入范圍在0～2.5V之間。由于探頭輸給單片機(jī)的電壓過(guò)大，單片機(jī)無(wú)法讀取如此大的電壓，為了保持較高的轉(zhuǎn)換精度，所以采用此電路通過(guò)減壓的形式減去一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，向單片機(jī)提供0.3～1.3V模擬信號(hào)方便AD采樣。

3、電源電路原理

電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V或者6V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。由6V變5V采用L7805穩(wěn)壓芯片為核心的電路實(shí)現(xiàn)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序功能描述與設(shè)計(jì)思路：

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)顯示電源電壓值、pH值、水位高度值，還需要在不測(cè)量時(shí)進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，利用按鍵實(shí)現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)入和退出低功耗模式。

在正常工作模式中，利用兩次超聲脈沖時(shí)間間隔求得水位，使用AD采樣得到PH電壓和電源電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將電源電壓、pH值、水位高度值在液晶上進(jìn)行顯示。在待機(jī)工作模式中，將系統(tǒng)中主要電路的電源關(guān)閉，包括12864的背光，僅留下430芯片的供電電路，使系統(tǒng)電流小于50uA。

四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

1、測(cè)試方案

1、硬件測(cè)試：對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后使用。

2、軟件仿真測(cè)試：對(duì)程序的錯(cuò)誤和不能正確實(shí)現(xiàn)的部分進(jìn)行調(diào)節(jié)和改正。

3、硬件軟件聯(lián)調(diào)：對(duì)整體功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

2、測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器：數(shù)字pH計(jì)，鋼尺，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，數(shù)字萬(wàn)用表。

3、測(cè)試結(jié)果及分析

（1）測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

（2）測(cè)試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

a、pH測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差在0.1以?xún)?nèi)。

b、電源電壓測(cè)試誤差控制制在0.01V以?xún)?nèi)。

c、水位測(cè)量誤差控制制在2mm以?xún)?nèi)。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié)語(yǔ)

在硬件方面取消12864背光和采用低功耗模式使得功耗較低，軟件方面采用數(shù)字濾波算法在硬件基礎(chǔ)上精度達(dá)到更高。在后期的研發(fā)中，采用STM32系列專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式進(jìn)行研究學(xué)習(xí)，通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)算法提高系統(tǒng)的性能，以及電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的功耗。

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