一种小型污水水情测控装置设计与实现

苏宏锋

摘要：工业水箱中的污水在排放前进行液位与PH值检测对生态环境保护具有重要意义。本文设计一种以STC12C5A60S2单片机为控制器的小型污水水情测控装置。采用HS-SR04传感器检测污水水箱液位，E-201-C传感器检测污水PH值，测得的电压信号经由AD7705完成信号转换，将水箱液位、PH值和供电电压送至单片机处理，由LCD12864显示。在Visual Basic 6.0平台开发上位机管理系统，通过AS13-TTL无线串口通信将下位机采集的水情信息传输到管理系统进行实时监控。试验结果表明，系统具有响应速度快，测量精确的优点。

关键词：STC12C5A60S2；E-201-C传感器；液位；PH值；AS13-TTL无线串口

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0161-03

十九大报告明确指出要着力解决突出环境问题[1]，加快水污染防治，壮大节能环保产业，建立市场导向的绿色技术创新体系，树立和践行绿水青山就是金山银山的理念。工业污水排放前要对水箱中污水的PH值、固体悬浮物、油脂等参数进行处理，经环保部门认定达标才可排放。文章设计一种小型污水水情测控装置，实现污水水箱液位、污水PH值的检测与参数实时监控，具有低功耗、低成本、响应速度快与测量精度高的特点。

1 系统总体设计

小型污水水情测控装置的系统架构如图1所示，下位机选用STC12单片机作为核心处理器，由PH传感器电路、液位检测电路、信号跟随与放大处理电路、LCD12864液晶显示电路和+5V电池组等部分组成，通过无线串口AS13-TTL模块与上位机通信，上位机对污水水情实时监控。采用HS-SR04超声波传感器进行液位精密检测，型号为E-201-C的PH传感器检测溶液PH值，将PH信号由AD7705转换成数字信号，并送至单片机处理，AS13-TTL无线通信模块实现测量数据的无线传输，以独立按键作为系统启停与测量模式选择开关，实现水情系统的各项功能检测。

2 系統硬件设计

2.1 液位测量模块

系统采用宏晶科技的STC12C5A60S2处理器为主控平台。STC12C5A60S2单片机[2]是一款STC增强型51单片机，有1280字节SRAM，62K字节片内Flash存储器，内部集成8通道10位AD转换器，双串行口，STC12C5A60S2单片机具有丰富的I/O端口、定时器和PWM通道资源，非常适合测控系统。采用HS-SR04超声波测距[3]完成液位的高度测量，该模块测量距离范围是0.02m～4m之间，测量精度高达3mm。HS-SR04模块采用IO触发测距，通过IO输出一高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间T，测量液位高度S的计算公式：S=340*T/2 （1）

2.2 溶液PH值检测电路

采用型号为E-201-C 的PH复合电极检测溶液PH值，由PH玻璃电极与参比电极组合而成的PH传感器。在玻璃膜与被测溶液中氢离子进行离子交换过程中，通过测量电极之间的电位差检测溶液中的氢离子浓度，测得液体的PH值。该传感器模块的PH值测量范围是0～14，温度范围是5℃～60℃，工作电压VCC为+5V，具有抗干扰能力强、使用方法简单的优点。PH传感器检测电路如图2所示，PH+、DO与TO分别与AD7705的AN1+、AN2+、AN2-引脚连接。

2.3 A/D转换与信号处理

AD7705是一款16位精度串行AD转换器[4]，具有分辨率高、自校准、抗噪声性能。PH传感器采集的信号通过AD7705转换成数字信号送入单片机，如图3所示的信号处理电路。由TL431B稳压管、电阻和电容器件设计了+2.536V基准参考电压源，为AD7705转换器通道1测量电源电压提供基准电压，基准电压的AD转换值D1，+5V电压通过电容滤波进入精密电位器分压，电压衰减一半得到+2.5V电压，将其送入OP07组成的电压跟随器，输出端送入AD转换器得到电压转换值D2，实际测量电压U为：U=2.536*D2/D1 （2）

2.4 无线串行通信模块

无线串行通信模块是将水情测控装置测得的数据无线传送到上位机管理系统，实现水情测试系统数据远程实时监控。AS13-TTL是一款中心频率为433Mhz的无线串口通信[5]模块，支持1200～115200bps多种波特率，实测距离达2.1km，具有TTL电平的串口通信接口，工作电压为+5V，最大功率为100mW。

3 系统软件设计

将容积不小于1L的容器装水后放置于测试台上，启动测试装置，位于容器上方的超声波传感器以及PH传感器产生信号，系统主程序初始化LCD12864，检测功能按键选择不同的测试项目，包括PH值测试与液位高度测试，图4为主程序流程。

4 系统测试与误差分析

4.1 系统测试

将水情测控装置的各模块电路正确连接后，启动测试，按如下步骤进行测试。

（1）将塑料容器清空，多次向塑料容器注入若干自来水，超声波液位传感器检测液位的高度，用表格记录下数据，再用标准钢尺测量，测试结果如表1所示。

（2）保持容器里的液位不变，多次向塑料容器注入若干白醋，记录水情检测系统每次测量的PH值，与标准的PH测试笔测试结果对比，测试数据如表2所示。

4.2 测试误差分析

从表1和表2数据表明：①液位的检测在38秒内完成，测量偏差在±4mm内，PH测试能够在63秒内稳定测量并且测得的数据偏差不大于±0.1。②液位测试误差主要集中在短距离测试过程，主要原因是水面抖动不平整及周围环境扰动超声波反射原因。③溶液PH值测试结果相对稳定，偏差主要来自实验过程添加的白醋没有及时扩散，溶液混合不均匀引起。

5 上位機管理系统设计

在Visual Basic 6.0平台下开发污水水情上位机管理系统如图5所示，通过无线串口AS13-TTL将下位机采集的水箱液位高度、污水PH值和电源供电压等数据信息传输到上位机，此外上位机系统还具有远程控制水情测控装置的启停与测试模式选择的功能。

6 结语

工业污水倘若不经过处理直接超标排放，将会严重破坏生态环境。文章设计的小型污水水情测控装置实现液位与PH检测，该装置最大液位测量高度约4m，测量误差在±4mm范围内，PH测试误差在±0.1范围内，上位机管理系统实现水情测控装置的远程启停控制、测试功能选择与数据实时监控。系统低成本、测量精度高，上位机系统人机界面友好。

参考文献

[1] 魏巍，王斌.解读：“十九大”报告中的生态文明篇章[EB/OL].[2017-10-20]. https：//www.sohu.com/a/199201031_611316.

[2] 杨通，张富春，等.一种基于STC12C5A60S2的路灯节能系统设计[J].电脑知识与技术，2018（9）：273-275.

[3] 朱志强，张潇宇，等.基于Arduino+LabVIEW的高精度超声波测距系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2016（9）：49-52.

[4] 贾云峰，付成伟.一种无线传输的温度采集系统的设计[J].现代电子技术，2015（24）：136-138.

[5] 江阳，何青.基于无线串口及GSM 通信技术的氧化锌避雷器在线监测仪[J].自动化技术与应用，2018（6）：65-67.

Abstract：The detection of liquid level and pH value of sewage in industrial water tanks before discharge is of great significance to ecological environment protection. This paper designs a small sewage water condition measurement and control device based on STC12C5A60S2 microcontroller. The HS-SR04 sensor is used to detect the liquid level of the sewage tank. The E-201-C sensor detects the PH value of the sewage. The measured voltage signal is converted by the AD7705. The liquid level， PH value and power supply voltage are sent to the MCU for processing，displaying by LCD12864.In the Visual Basic 6.0 platform， the upper computer management system was developed. The water information collected by sensor is transmitted to the management system for real-time monitoring through AS13-TTL wireless serial communication. The test results show that the system has the advantages of fast response and accurate measurement.

Key words：STC12C5A60S2；E-201-C sensor；Tank level；PH value； AS13-TTL wireless serial