基于智能硬件的水情检测系统设计

颜茹奇

【摘 要】水情检测系统具有重要的实际。一方面可以道水情信息进行实时监测，为防汛抗灾提供提供准确、及时的数据信息。另一方面pH测量被广泛应用于环保、科研、制药、发酵、化工、自来水等领域。该仪器也是食品厂、饮用水厂办QS、HACCP认证中的必备检验设备。

本简易水情检测系统是以msp430单片机为核心，用E-201-C型pH玻璃电极传感器测量水的PH值，用HC-SR04超声波传感器测量水的高度。PH值和水位高度信号经过ADC 模块传送给单片机处理，并经LCD 12864显示出水的PH值、高度和电池电压。本系统可以在不工作时以0.01uA的电流待机，实现超低功耗。

【关键词】水情检测；msp430；pH传感器；超声波

一、系统方案

本系统主要由单片机msp430模块、PH复合电极模块、电压检测模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1、单片机的论证与选择

方案一：采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片时钟频率高达较高，FLASH存储大虽然能够很好的完成，但操作及编程比较复杂。

方案二：采用以msp430电压低，功耗低，特别适用于长期用电池供电的设备。16位RSIC架构，内置硬件乘法器，拥有高速的运算能力，乘除法运算都为单周期指令灵敏度很高的AD采样；灵活的时钟使用模式成本低。

综合以上两种方案，我们相对熟悉430，选择方案二。

2、pH测量的论证与选择

方案一：采用金属ph电极，金属电极的pH建立氧化还原化学的基础上，当我们再次测量，获得较精确的值需要将金属表面的电极垢去掉，测量时不方便。

方案二：复合带温补电极，适合于测量介质温度波动较大的场合，抗干扰性较强，采样精度能达到系统要求，本方案达到了利用传感器输出模拟信号，再用温度校验以及两点校验法进行校验，以便于达到更高的精度。

综合以上两种方案，方案二精度较高，系统中选择方案二。

3、电压检测的论证与选择

方案一：采用AD转换+程序滤波，电路简单，程序计算量较大。

方案二：采用模拟滤波信号和减法运算后，再进行AD测量电压，电路较为复杂，程序计算量较小。

综合以上两种方案，方案一功耗较低，选择方案一。

二、系统硬件设计

1、系统总体的设计

Msp430超低功耗系列微型处理器作为系统主控中心，采集超声波的数字信号以及电源电压和ph传感器的模拟信号，在经过精密的转换和计算获得ph值和液位高度以及系统电源电压，通过PMOS场效应管控制导通实现超低功耗运行，在需要检测的时候通过按键唤醒检测，并在降低功耗过后的12864点阵显示屏上显示。系统总体框图如1所示。

2、减法子系统电路

PH探头输出的电压大约在2.8～3.8V左右，单片机AD的输入范围在0～2.5V之间。由于探头输给单片机的电压过大，单片机无法读取如此大的电压，为了保持较高的转换精度，所以采用此电路通过减压的形式减去一个2.5V的基准电压，向单片机提供0.3～1.3V模拟信号方便AD采样。

3、电源电路原理

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者6V电压，确保电路的正常稳定工作。由6V变5V采用L7805稳压芯片为核心的电路实现。

三、系统软件设计

程序功能描述与设计思路：

系统需要实现显示电源电压值、pH值、水位高度值，还需要在不测量时进入低功耗的待机模式。在程序设计时，利用按键实现单片机进入和退出低功耗模式。

在正常工作模式中，利用两次超声脉冲时间间隔求得水位，使用AD采样得到PH电压和电源电压，通过数据转换后将电源电压、pH值、水位高度值在液晶上进行显示。在待机工作模式中，将系统中主要电路的电源关闭，包括12864的背光，仅留下430芯片的供电电路，使系统电流小于50uA。

四、测试方案与测试结果

1、测试方案

1、硬件测试：对各个模块进行测试，测试通过后使用。

2、软件仿真测试：对程序的错误和不能正确实现的部分进行调节和改正。

3、硬件软件联调：对整体功能的实现进行进一步调节。

2、测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：数字pH计，钢尺，数字示波器，数字万用表，数字万用表。

3、测试结果及分析

（1）测试结果（数据）

（2）测试分析与结论

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

a、pH测试结果与实际结果误差在0.1以内。

b、电源电压测试误差控制制在0.01V以内。

c、水位测量误差控制制在2mm以内。

综上所述，本设计达到设计要求。

五、结语

在硬件方面取消12864背光和采用低功耗模式使得功耗较低，软件方面采用数字滤波算法在硬件基础上精度达到更高。在后期的研发中，采用STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式进行研究学习，通过改进系统算法提高系统的性能，以及电路设计，降低系统的功耗。

【参考文献】

[1] 那文鹏编，王昊编.通用集成电路的选择与使用[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[2] 譚浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3] 冯建华、赵亮.单片机应用系统设计与产品开发[M].北京：人民邮电出版社.

[4] 张志良编.单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007.