土壤水体富营养化过滤器设计与研究①

王佳楠, 陈琳琳, 孙旭冉, 宋婉欣, 马晓君

(佳木斯大学 机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

科技水平的提高及农业生产的飞速发展,化肥的广泛使用,化工原料处理后的排放等,使得含氮磷的营养物质含量过高,这些都是导致经由土壤后水体富营养化的原因。富营养化的水体溶解氧含量低,浑浊,严重时水体发臭,常发生突发性鱼类死亡,水体失去供养殖,饮用及娱乐的价值。针对于农业问题中的水体富营养化,多数经由土壤的含过量氮磷的化肥无法有效的得到控制,进而污染到水源,久而久之,形成了水体富营养化。欲实施的项目为排放水时或流经临近农田的水源提供一个可进行对含氮磷水体过滤的装置,实现对水的净化。

其主要意义有:

(1)对富营养化的河流湖水进行清洁和修复,是社会的经济发展、生态环境的建设需要并且具有经济和环境的效益。

(2)提高富营养化河流和湖水道体的处理效果大大减短了治理周期、有效降低成本处理。

(3)改善水体环境,缓解水资源缺少问题。

(4)改善人们居住的环境,提高了人们的生活质量。

所以,水质加强监测更是尤为重要的,且不管是工业用水还是饮用水都是需要一样的高标准、严要求,所以对工业用水的水质监测也是能保证在该行业中能够安全稳定生产的必要条件,对工业的可持续发展有着非常重要的意义。

1 课题背景

(1)国内外发展现状

我国目前也有了许多措施:

物理方法

物理方法是挖掘湖泊河流底泥沉积物、解决水体的深层曝气、注入的水会稀释以及底泥表面铺设的塑料[1]。深层曝气可定期或者不定期的采取湖底的深层曝气而补充氧气,使水和底泥之间可以不再出现厌氧层和其他情况,并且经常保持着有氧的状态,有利于抑制底泥磷释放。

化学方法

这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法,例有许多种的阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀,其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝和钙,它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降[2]。

(2)土壤水体富营养化过滤器的应用

农村自然环境保护的不足,工业、农业污染物的乱排乱放乱丢,导致地上和地下的河流遭受不同程度污染,所以用来农业灌溉的水质量普遍的不太好[3]。

(3)主要研究内容

1)单片机STM32应用各传感器的编程

2)研究p H值传感器模块与上位机的链接

3)研究浊度传感器模块的内部原理图以及方法

4)通过程序测试,使各个传感器在STM32单片机上进行同时运行,将各部分程序进行编程框架整理

5)研究OLED液晶屏IIC使用方法,研究编字程序的方法,以及与STM32单片机的链接,使各个传感器的信号通过放大器可以将数据在OLED液晶屏IIC显示出来[4]。

2 设计方案

土壤水体富营养化过滤器系统是由STM32单片机作为主控制芯片,本章节要对该系统在市场上的需求进行分析,并且对功能做出简单规划,对所需要功能来进行技术层面的分析,做出整个系统的整体框架,设计出整个系统的设计流程,根据上述要求来进行系统设计。

(1)整体方案设计

对于整体的土壤水体富营养化过滤器系统,将分成三部分完成,首先第一部分是各传感器的采集信息功能,通过传感器所采集的信息来进行下一部分的设计,上位机的页面设计,将各个传感器所采集的信息通过柱形图或者饼图显示出来,设计阈值报警系统,接下来进行上位机的后台程序设计;第三部分是将上位机与下位机硬件连接,利用keil软件进行单片机程序设计,将整体程序写入STM32单片机中。

整体系统设计的流程如图1所示。

图1 整体系统设计流程

(2)相关技术分析

1)双路模数转换电压兼容技术

在电子产品、DIY设计开发过程中会经常用到A/D转换(模数转换)功能,也经常会遇传感器输出信号电平与控制系统A/D转换电平信号不匹配的问题。例如,有些传感器输出信号范围在0～5V区间,而STM32系列单片机A/D转换的参考电压是3.3V,这时候就会出现电平信号兼容转换的问题。为此设计选用了如下图2所示的一款双路模数转换电压兼容模块[5]。

图2 双路模数转换电压兼容模块

绝对值电路模块的组成如图2所示,这款双路模数转换电压兼容模块可实现0～5V的电压信号线性等比例转换为0～3.3V的电压信号。该模块采用高精度轨对轨精密运算放大器,可实现前后级电路阻抗匹配,精准实现电平信号转换。该模块即插即用,支持两路电压转换,将待测电路接入模块输出端,即可在对应的输出端获得0～3.3V区间内电压,可直接接入单片机系统进行采集,为系统开发带来极大便利[6]。

该模块的特点:

(1)双路电平信号转换;

(2)转换精度高,可实现前后级电路阻抗匹配;

2)LED显示屏字模取字技术

在LED显示屏上显示汉字是一项需要研究的技术,设计使用PCto LCD 2002字模软件在OLED取字模,便于将汉字打印在OLED显示屏上[7]。

汉字的取法这里以取一个14*16(宽*高)的点阵“北”字的设置为例说明。

(1)点开①的设置按钮,弹开图3中设置界面;

图3 PCto LCD 2002字模软件汉字取字

(2)按照框中的设置,设置好就可以了;

(3)取模方式要选择“列行式”,原因已经在上面说明了;

(4)图3中标出③的部分的设置,为什么选择14,这个跟软件有关。

利用该字模软件,在设计中,需将显示“欢迎使用土壤水体富营养化过滤器”,以及在传感器收集信息时,将p H值、浊度(NTU)、水温(TEMP)显示在OLED显示屏上。

3 系统硬件设计

(1)STM32单片机的选用

系统选用STM32F103C8T6芯片作为大脑,对整个土壤水体富营养化过滤器系统进行控制。STM32F103C8T6包括两个12位的数模转换模块、三个通用16位定时器和一个可调节定时器,标准、高级通信接口[8]。

(2)传感器的选用

1)p H值传感器的选用

p H传感器模块组成如图4所示。该模块通过BNC接头和p H复合电极进行连接,扩展DS18B20温度传感器的接口,进行软件温度补偿的设计。调节10K蓝色电位器旋钮可以放大倍数的调节(顺时针调节增大、逆时针调节减小)。

图4 p H传感器模块

模块引脚定义如下表1所示。

表1 p H传感器模块引脚定义

5 2V5基准电压2.5V输出口测试使用,不接外部电源6 T1温度传感器DS18B20信号输出口可通过软件进行温度补偿

该模块的工作电压在5.00V直流电下,模块结构小巧,尺寸仅有37mm*28mm,工作在0～60℃环境下,可以测量强酸和强碱,误差极小,在常温状态下工作(25℃),不超过±0.01p H,需要一定的响应时间来进行p H值的测量,与配套电极用BNC接口连接[9]。该传感器模块在设计中与其配套的选用上海雷磁E-201-C型复合电极。

2)浊度传感器的选用

水质浊度的信息采集是通过检测水中的悬浮物质来检测浑浊度的。本设计选用一款价格便宜,且浊度精度高的浊度传感器,这种传感器一般用于家用洗衣机或者家用水质监测设备上[10]。

图5 浊度传感器模块

4 结果与分析

通过研究设计,对的土壤水体富营养化过滤器设备发展研究是十分必要的,在浊度检测方面,人的肉眼是无法观测到水体中的悬浮物的,利用该项技术就可以保证水质质量的安全性,对人体健康更是得到极大的保障。土壤水体富营养化过滤器设备的研究,是为了一直延续可持续发展的理念。

在本研究设计的工作中,得到以下结论:

(1)完成了各种传感器的选型。考虑到设计中各个传感器的使用环境,不仅要考虑到传感器探头的长时间作业会导致液体浸入,还考虑到各个传感器集成模块在潮湿环境中作业要保证测量的精准度以及实时性的原则。

(2)完成的上位机的程序设计。接触Labview软件进行上位机设计,因为水质监测所采集得到的信息要得到及时的处理、收集、对照,为了验证Labview程序的实用性,进行了联调,最后得到实验数据表明上位机和硬件系统可以良好运行,符合设计的预期。

在设计土壤水体富营养化过滤器还有很多需要的改进和完善的地方,需要解决的问题包括传感器的互相影响问题,以及更多水质监测参数的采集,以及针对不同水质问题给出改善的建议等,为了达到水质的更高标准,未来研究的土壤水体富营养化过滤器设备可以更加严谨完善。