摘要: 针对传统的水质检测仪器存在因体积过大使用不便，检测参数单一以及不能对水质进行实时监控显示的问题，设计了一款便携式水质在线检测仪。设计以STC8A8K64S4A以温度采集模块为控制器的12单片机pH测量模块、TDS水质温度、检测模块等pH及TDS检测参数；通过esp8266无线模块，手机App模块的设计和应用实现了手持式监控功能，结合C语言程序设计，最终实现了智能便携式水质探测器。测试结果表明，该系统操作简单方便，精度好，应用前景广阔。
在日常生活中，这样的工作对普通人来说是不现实的。我国在多参数水质检测仪技术开发和产品生产方面取得了良好的成果pH、溶解氧、水温、浊度、导电率等五种参数，但价格较高，不适合民用生活。[6-7]。为了保证饮用水的水质安全，不仅要检查水源的水质检测，还要将水质检测工作落实到千家万户，真正保证饮用水的安全。便携式、低成本的水质测试仪作为民用产品，具有小型、低成本、方便、实用的特点。因此，本设计以单片机技术为基础，采用嵌入式AD转换模块实现模数转换，实现小型便携式智能水质检测器。
图1系统结构框图
1.1.选择主控制器
拟采用STC8系列单片机。由于STC8系列MCU超高速8051核心核心[8-9]，比现有8051快12倍。不需要外部晶体振动和外部复位电路，减小了体积，大大方便了。内置15通道的12bits高精度ADC，最快速度可达800K，对于水质检测仪中模拟量输出的传感器具有良好的采集能力[10]。所有的GPIO支持高阻输入、开漏输出、强推挽输出、准双向口四种模式。在数字信号采集和处理中具有速度和稳定性的双重优势。因此，本设计所选型号为STC8A8K64S4A单片机作为主控芯片。
1.2pH检测电路设计
图2 PH 检测电路
其中LM2 660M为开关电容转换器[12]，输出电压可稳定在1.5～5.5V这是电压信号的最佳状态。CA3104AMZ操作放大器可以使微弱mV电压信号放大与高压相结合PMOS晶体管和高压双极晶体管在单片芯片上具有优势的产品以为电路提供特别高的输入阻抗和特别低的输入电流，同时效率特别高。
输出信号的比值关系为59.16 mV/pH，在25℃时0V单片机接收pH为7。pH探头输出的信号大小与温度成比例，液体温度影响越大，R6电阻的作用是温度补偿。从pH=集成放大器从7开始CA3104AMZ放大接收到的探头信号，输出电压为正负100 mV/pH的信号。然后第二级反相和偏置TL081BCDG4的功能是调整探头输出信号，使信号处于有效范围内，使输出信号始终与pH成比例关系。D静电保护二极管也是通电指示灯，R5的作用是在温度补偿不足时根据标准液手动调节输出大小。pH值检测电路由J2端口输出电压Vout为：
式中：Vin为pH电极的输出信号是BNC端口电压信号，VD1为D稳定电压均值1。
1.3TDS检测电路设计
本文设计采用数字TDS如电路原理图3所示，水质传感器集成了高精度放大电路、温度测量校准电路和低压差线性稳压电路。温度一直受到影响pH值测量的重要因素，pH长期稳定性的精度和测量主要由温度决定，因此本设计是AD预处理电路设计在采集电路中，具有低温漂浮、高稳定性和高精度的特点。
采用低偏置电流、低失调漂移信号放大器LMV324,LMV3244路低压轨道输出操作放大器是专门为低压操作设计的。它有4个频道数和5个典型偏移量μV，最大输入偏置电流25 000pA，共模抑制比65dB。TPS60400DBVR电荷泵为放大电路提供负输入电压.6～5.5V输入电压直接转换为固定负输出电压[13]。
由于输入电压范围范围的输入电压，3.3V本文直接设计了模块上的预置电源VCC供电。ME6206A30M3G它是一种低压差线性稳压芯片，具有高精度、低功耗的特点，能提供小电压降电流，输入5V电压降为3V放大电路后线性稳定输出。探针信号由J1端口流入，信号放大整理后J2端口输出到单片机。
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主程序部分采用顺序结构，程序启动后进行初始化，然后通过串口迅速进行温度采集，温度返回后数字型数据采集模块pH模块、TDS模块开始检测，随后进行AD采样变换为模拟输入量，并进行标度变换对数据做进一步处理。数据采集处理结束后将数据显示到OLED屏幕，然后将数据暂存到数据发送寄存器中，通过ESP8266模块WiFi信号发送至手机App。主程序流程如图4所示。
图3 TDS检测电路
图4系统主流程
2.1延时子程序设计
由于TDS和pH采样需要温度补偿，之后还要进行ADC采样及标度变换，所以在系统采集到温度之后需要一定的延时来等待TDS和pH的显示，因此设计了延时子程序来缓冲等待这一过程。24 MHz主频下在示波器上看一个语句的时间大概是0.8μs，本设计首先设了0.8μs的倍数4μs，再用函数将其增加至1ms，最终延时1s。在系统供电之后直接读取温度，延时1s后读取ADC采样数据。
2.2OLED显示程序设计
本文设计使用的是OLED显示器，与单片机的接口采用了I2C连接方式，在设计程序时需要根据连接方式进行。在程序开始执行之后首先初始化屏幕，然后开始写入数据或命令，数据标志表示为0，命令的标志表示为1。而后开始读取数据，数据读取之后还要设置以下显示参数：页地址、显示位置列低和列高地址、起点坐标、显示模式等。显示完成后关闭OLED进入清屏函数，清屏完成后屏幕是黑色的，和未通电点亮时一样。
2.3无线通信设计
为了实现最终的智能化水质检测，使人们在手机上能对日常用水的水质实时了解，采用无线通信的方式完成手机App在线监测。本设计采用专用的ESP8266模块实现联网与云端进行数据传输[14-15]，由机智云平台可以提供手机端App的设计。
首先要在机智云开发者中心注册一个机智云的开发者账号，注册完成后选择个人项目创建一个新产品，填写一些基本的信息，产品的名称是“智能水质检测仪”，技术方案为WiFi/移动网络方案，保存之后就会产生项目的基本信息；其次，创建数据节点，考虑到主要检测水质的3个参数，本设计创建了3个数据点，设置3个节点名称分别是温度、pH和TDS；
再次，在手机上安装机智云通用版本的App，安装完成后登陆个人账号，在机智云官网下载ESP8266模块专用固件，专用固件在数据节点创建创建完成后即可下载使用，固件下载完成后，使用串口调试器将WiFi模块连接到电脑上，使用固件自带的下载程序刷新固件，并对机智云固件进行装载，装载完成后，WiFi成为基于机智云手册的无线透传模块；最后，设备与App通信时，需要先连接到机智云服务器，等待服务器传输回来的数据，当产品配置完成后，发送生成的PK代码和密钥，服务器对产品进行检测后，系统可以传输温度、pH、TDS等信息来实现数据上传，上传完成后接入网络的手机App即可读取数据。
为了验证上述设计的正确性和可行性，搭建硬件调试平台。为了防止硬件损害和测试的方便性，系统上电调试时将DS18B20、pH电极和TDS探针都插入了自来水溶液中，如图5(a）所示，水质温度、TDS及pH参数值分别为22.3、99和6.85，从中可知，生活中的自来水温度、TDS及pH值参数在人们健康范围内，是达标的；当改变水质pH值，再次测量，结果如图5(b）所示，水质参数分别为22.2、102及8.95，由于无预热及制冷，水温基本没有发生变化，但是水质的pH值明显发生了改变，从而引起了水质TDS的变化。
由显示结果可知，该系统测试结果准确；最后，为了实现可手持监测，通过WiFi模块联网与手机端App同步显示，即在手机接入系统WiFi之后打开手机App，通信结果如图6所示。经过实际的操作验证，本设计实现了硬件系统与手机App同步显示测量结果，与市场现有水质测试仪相比，该测试仪体积小、操作简单、成本低，且迎合当前用户潮流需求，将测试结果由手机APP进行实时查看，实现了线下线上同时监测，满足用户对智能型水质检测仪的需求。
图5 系统测试
图6手机app
本文阐述了一种便携式智能水质检测仪的设计。介绍了pH检测电路、TDS检测电路等主要硬件的结构、工作原理，及软件程序设计中的核心子程序，最后通过硬件平台的测试，验证了该检测仪具有体积小、成本低、可携带、实时显示等多种功能，从实时应用角度出发，方便了人们对水质状况的实时在线检测需求，具有广泛的市场应用前景。