多参数水质检测系统的制作方法
专利名称:多参数水质检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多参数水质检测系统，系统包含数据分析模块和若干个数据采集模块；数据采集模块包含采集控制单元、溶液温度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元；数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元和存储单元；采集控制单元用于将采集到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信单元发送至第二通信单元；数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率存储至存储单元中，分析溶液的水质等级，并控制显示单元显示溶液温度、酸碱度、浊度、电导率以及水质等级。本实用新型低成本、多参数，性价比高。
【专利说明】
多参数水质检测系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及测量领域，尤其设及一种多参数水质检测系统。
【背景技术】
[0002] 国外水质检测仪器的研究起步较早，最初主要应用在环保领域，已经在实际工程 和管理中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。欧美及日本等国在20世纪70年代己有便 携式水质分析仪出售，但都属于瞬时测定仪，连续多参数水质分析仪于20世纪80年代开始 使用。近些年来随着电子业的迅猛发展，出现了大批多参数水质检测仪器，检测仪可检测参 数也在不断增多。
[0003] 波兰Elemtron公司设计了能连接电脑或打印机的防水型多参数水质检测仪CX- 401，可同时测量pH值、电导率、溶解氧运几个参数。此仪器测量简便，能在室内或长时间在 户外工作，检测参数相对较少。
[0004] 德国近年来推出了型号为IQ Sensor Net的在线水质多参数测试系统，运套系统 可测试PH、溫度、溶解氧、电导、浊度、总悬浮固体浓度、氨氮、硝酸根(N03)、化学需氧量 (COD)、总碳量(T0C)、生化需氧量(BOD)等参数。但此仪器系统很大，不便于户外现场检测。
[0005] 与国外相比，我国水质检测分析仪器方面的研究与生产起步较晚，至80年代末，我 国的水质检测分析的技术路线主要还是W手工采样实验室检测为主，形成的仪器也主要是 实验室分析仪器及部分半自动分析仪器，90年代中期W后才逐步开始从手工采样、实验室 分析阶段走向半自动脱机系统阶段。至今，国内厂家研究和生产单一或较少参数的水质分 析仪的居多，近年来我国国内水质检测发展很快，生产出不少水质检测产品，但其各有利 弊。
[0006] 华中科技大学环保技术研究所近年来研究开发出了基于光电比色分析原理的 MPT-201型便携式多参数水质分析仪，此仪器可检测COD、浊度，可测参数少。
[0007] 上海设计出型号为6309PDT的工业式微电脑型酸碱度(pH)/溶解氧/溫度控制器。 可同时测量和控制酸碱度、溶解氧及溫度。其溫度、PH值的测量范围较宽，pH值为-2.00~ 16.00，但不能同时检测COD和浊度。
[000引北京某公司生产的5B-3B型COD多参数测定仪，可测定COD、氨氮、总憐、浊度，其测 定范围为2~5000mg/L，但不能同时检测PH值、溫度等。
[0009] 浙江生产的SWA-2000便携式水质监测系统可W实现连续在线监测水体中的COD浓 度、pH值、电导率、浊度等，并对测量的数据进行有效管理。但此检测系统容易受到环境溫度 的影响。
[0010] 国外检测设备一般系统庞大、价格偏高，国内在线监测分析仪表品种比较单一，易 受外部环境溫度影响。
[0011] 且目前所有水质检测仪的共同问题是信息化程度不高，与互联网少有组合。 【实用新型内容】
[0012] 本实用新型所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所设及到的缺陷，提供一种多 参数水质检测系统。
[0013] 本实用新型为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0014] 多参数水质检测系统，包含数据分析模块和若干个数据采集模块；
[0015] 所述数据采集模块包含采集控制单元、溶液溫度测量单元、溶液酸碱度测量单元、 溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元，其中，采集控制单元 分别和溶液溫度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单 元、电源单元、第一通信单元电气相连；
[0016] 所述数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元和存储单元， 其中，数据分析控制单元分别和第二通信单元、显示单元、存储单元电气相连；
[0017] 所述采集控制单元用于将采集到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信 单元发送至第二通信单元；
[0018] 所述数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电 导率存储至存储单元中，并控制显示单元显示溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率。
[0019] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液溫度测量单元 采用DS18B20溫度传感器忍片。
[0020] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液酸碱度测量单 元包含酸碱度电极和酸碱度调理电路，所述酸碱度电极通过酸碱度调理电路与所述采集控 制单元相连。
[0021] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述酸碱度电极采用雷 磁E-201-C电极。
[0022] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液浊度测量单元 包含浊度传感器和浊度调理电路，所述浊度传感器通过浊度调理电路与所述采集控制单元 相连。
[0023] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液电导率测量单 元包含电导率电极和电导率调理电路两部分，所述电导率电极通过电导率调理电路与所述 采集控制单元相连。
[0024] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述电导率电极采用雷 磁DJS-IOE电极。
[0025] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，采集控制单元采用混合 信号处理器MSP430F5529。
[0026] 本实用新型采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0027] 1.对水的溫度、酸碱度、浊度、电导率运四个水质核屯、参数的检测，得出水体的质 量状况，为水资源的规划、管理、开发、利用和水污染防治提供科学依据；
[0028] 2.跨越硬件平台的限制，方法可在多种采集控制单元、平台上使用。
【附图说明】
[0029] 图1是数据采集模块结构图；
[0030] 图2是数据分析模块结构图；
[0031] 图3是抑调理电路电路图；
[0032] 图4是电导率测量电路电路图；
[0033] 图5是采集控制单元软件流程示意图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
[0035] 本实用新型公开了一种多参数水质检测系统，包含数据分析模块和若干个数据采 集模块；
[0036] 如图1所示，所述数据采集模块包含采集控制单元、溶液溫度测量单元、溶液酸碱 度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元，其中，采 集控制单元分别和溶液溫度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导 率测量单元、电源单元、第一通信单元电气相连；
[0037] 如图2所示，所述数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元 和存储单元，其中，数据分析控制单元分别和第二通信单元、显示单元、存储单元电气相连；
[0038] 所述采集控制单元用于将采集到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信 单元发送至第二通信单元；
[0039] 所述数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电 导率存储至存储单元中，并控制显示单元显示溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率。
[0040] 溶液溫度测量模块采用原装进口 DS18B20溫度传感器忍片，忍片每个引脚均用热 缩管隔开，防止短路，内部封胶，优质不诱钢管封装。防水、防潮、防生诱。每个探头经过严格 测试。感溫范围宽-55°C~+125°C，精确度0.1摄氏度，符合国家标准。
[0041] DS18B20拥有独特的单线接口方式，在与采集控制单元连接时仅需要一条口线即 可实现采集控制单元与DS18B20的双向通讯。
[0042] 溶液酸碱度测量模块包括酸碱度电极和酸碱度调理电路两部分。
[0043] 酸碱度电极采用雷磁E-201-C电极，该电极性能十分优越。检测浓度范围PH0-14， 响应时间《5S，稳定时间《60S，元件功耗《0.5W，工作溫度-10~50°C (标称溫度20°C )，工 作湿度95%畑(标称湿度65%畑），使用寿命3年。
[0044] 由酸碱度电极采集到的信号经过电容滤波后传到P的周理电路，如图3所示，由于酸 碱度电极在中性(PH=7)时不产生电压，酸碱度电极在酸性(PH<7)时产生负向电压，酸碱度 电极在碱性(PH〉7)时产生正向电压，但采集控制单元仅能采集正向电压，故需要给一个正 向偏置，此处由定值电阻RP化和RPH2、稳压忍片化43IACD、可调电位器RP册四个元器件分压 得到该正向偏置，由于使用了可调电位器RPH5,根据分压电路特点可知，加到放大器 TLC4502引脚3的偏置电压是可调的。根据我们的理论推算和实际测量，我们设置偏置电压 为IV多，且是可调的，使得所有酸碱度所对应的电压都是正电压。同时，由于酸碱度电极产 生的电信号比较微弱，在几毫伏到几十毫伏，采集控制单元采集太小的信号会产生很大的 误差(相对误差较大），所W需要放大器进行放大，本设计使用化C4502进行放大，最终信号 讲过送入采集控制单元的AD采集引脚。
[0045] 溶液浊度测量模块包括浊度传感器和浊度调理电路两部分。
[0046] 溶液浊度传感器响应时间巧OOms，操作溫度-30°C -80°C，存储溫度-10-80°C。基 本原理是一个发光二极管在发光，光线通过一段液体并发生反射、折射现象，在发光二极管 一段距离旁放置一个光敏电阻。当溶液浑浊，二极管发射的许多光线都被反射、折射，到达 光敏电阻的光线较少，光敏电阻阻值较大，通电后其上的电压较大；当溶液清澈透明，二极 管发射的少部分光线都被反射、折射，到达光敏电阻的光线较多，光敏电阻阻值较小，通电 后其上的电压较小。我们通过采集不同的电压得知溶液的浑浊程度。
[0047] 溶液浊度调理电路主要是将不在采集控制单元采集电压范围的浊度传感器输出 电压变换为符合采集控制单元A/D电压采集范围的电压。
[0048] 溶液电导率测量模块包括电导率电极和电导率测量电路两部分。
[0049] 电导率电极采用雷磁DJS-IOE电极，该电极性能优越，可靠性高。
[0050] 电导率电极是无源器件，需要外部给激励。如图4所示，波形产生电路核屯、采用ADI 公司的AD9833。采集控制单元产生的方波作为AD9833的系统时钟(参考时钟）。混合信号采 集控制单元MSP430F5529通过向SCLK，SDATA，FSYNC引脚向AD9833写入命令字，获取我们需 要的正弦波作为激励。
[0051] 本设计采用变频法测量水体的电导率。变频法是在将电导池等效电路进行极度简 化之后，可W得到并联模型和串联模型。从理论计算上，双频(或变频)都可W消除电容的影 响。本设计选取500Hz和1000化的双极性正弦波作为激励信号。
[0052] AD9833产生的变频正弦波加到电导率电极上，电极输出的信号通过滤波、运算放 大器0PA2704后，得到处理后的交流信号。由于采集控制单元只能采集一个很小范围（0V- 2.5V)的直流电压，所W此处需要将交流信号变换为直流信号。为了提高系统的精度，本系 统设计中选用了 ADI公司的真有效值忍片AD637。让交流信号通过AD637忍片，将交流信号转 变为其对应的直流有效值信号，此时的直流给到采集控制单元的A/D采集端口，采集控制单 元采集后进行响应计算，得到最终的水体电导率值。
[0053] 采集控制单元采用TI公司的混合信号处理器MSP430F5529,该处理器提供了丰富 的内置硬件模块和良好的处理器性能。该单片机最突出的特点是低电压、低功耗，适用于低 功耗需求的场合。关于单片机程序，如图5，开机后处理器从主程序指令开始执行，完成相应 的初始化功能，同时显示开机界面，待系统初始化完成后，进入主界面，处理器关闭进入低 功耗模式，待有中断事件(用户指令)后方重新开始运行。用户指令完成后又进入关闭状态， 周而复始，从而完成整个系统任务。
[0化4] 电源单元使用了电源管理忍片将+12V，-12V通用电压转变为+3.3￥、+4.1￥、巧￥等 供各元器件使用。
[0055] 第一通信单元包括SIM900A忍片和天线，采集控制单元通过给SIM900A发送指令， 并将水质数据传送给SIM900A，SIM900A接收到指令和水质数据后，通过天线将水质数据发 出。
[0056] 第二通信单元将数据接收后，在数据分析控制单元的控制下，将数据存入存储单 J L O
[0057] 数据分析控制单元除了对第二通信单元、存储单元、显示单元进行控制，还可W对 水质数据进行智能评级，评级的方法是SJ水质评级方法。SJ水质评级方法用于水质状况的 评级，有通用性、全面性、广泛性等特点。本方法考虑到了测量项目种类、测量项数量、测量 项目浓度等多个方面，并允许用户自定义一些参数(阔值），W便适应不同场合的水质评测。 方法综合W上四个部分，给出水质评估结果。
[005引水质评级方法可W采用W下步骤：
[0059] 步骤1)，将采集到的溶液溫度与预设的溫度标准值进行比较；
[0060] 步骤1. 1)，如果采集到的溶液溫度等于预设的溫度标准值，则将溶液的溫度系数 值赋值为0;
[0061 ]步骤1.2)，如果采集到的溶液溫度不等于预设的溫度标准值；
[0062] 步骤1.2.1)，将采集到的溶液溫度减去预设的溫度标准值后取绝对值，并将该绝 对值除W预设的溫度标注值，得到溶液的溫度误差倍数；
[0063] 步骤1.2.2)，将溶液的溫度误差倍数分别与预设的第一溫度倍数阔值、预设的第 二溫度倍数阔值进行比较，所述预设的第一溫度倍数阔值小于预设的第二溫度倍数阔值；
[0064] 步骤1.2.2.1 )，如果溶液的溫度误差倍数小于等于预设的第一溫度倍数阔值，将 溶液的溫度系数值赋值为1;
[0065] 步骤1.2.2.2)，如果溶液的溫度误差倍数大于预设的第一溫度倍数阔值小于预设 的第二溫度倍数阔值，将溶液的溫度系数值赋值为5;
[0066] 步骤1.2.2.3)，如果溶液的溫度误差倍数大于预设的第二溫度倍数阔值，将溶液 的溫度系数值赋值为9;
[0067] 步骤2)，将采集到的溶液酸碱度与预设的酸碱度标准值进行比较；
[0068] 步骤2.1)，如果采集到的溶液酸碱度等于预设的酸碱度标准值，则将溶液的酸碱 度系数值赋值为0;
[0069] 步骤2.2)，如果采集到的溶液酸碱度不等于预设的酸碱度标准值；
[0070] 步骤2.2.1 )，将采集到的溶液酸碱度减去预设的酸碱度标准值后取绝对值，并将 该绝对值除W预设的酸碱度标注值，得到溶液的酸碱度误差倍数；
[0071] 步骤2.2.2)，将溶液的酸碱度误差倍数分别与预设的第一酸碱度倍数阔值、预设 的第二酸碱度倍数阔值进行比较，所述预设的第一酸碱度倍数阔值小于预设的第二酸碱度 倍数阔值；
[0072] 步骤2.2.2.1)，如果溶液的酸碱度误差倍数小于等于预设的第一酸碱度倍数阔 值，将溶液的酸碱度系数值赋值为1;
[0073] 步骤2.2.2.2)，如果溶液的酸碱度误差倍数大于预设的第一酸碱度倍数阔值小于 预设的第二酸碱度倍数阔值，将溶液的酸碱度系数值赋值为5;
[0074] 步骤2.2.2.3)，如果溶液的酸碱度误差倍数大于预设的第二酸碱度倍数阔值，将 溶液的酸碱度系数值赋值为9;
[0075] 步骤3)，将采集到的溶液浊度与预设的浊度标准值进行比较；
[0076] 步骤3.1 )，如果采集到的溶液浊度等于预设的浊度标准值，则将溶液的浊度系数 值赋值为0;
[0077] 步骤3.2)，如果采集到的溶液浊度不等于预设的浊度标准值；
[0078] 步骤3.2.1 )，将采集到的溶液浊度减去预设的浊度标准值后取绝对值，并将该绝 对值除W预设的浊度标注值，得到溶液的浊度误差倍数；
[0079] 步骤3.2.2)，将溶液的浊度误差倍数分别与预设的第一浊度倍数阔值、预设的第 二浊度倍数阔值进行比较，所述预设的第一浊度倍数阔值小于预设的第二浊度倍数阔值；
[0080]步骤3.2.2.1)，如果溶液的浊度误差倍数小于等于预设的第一浊度倍数阔值，将 溶液的浊度系数值赋值为1;
[0081 ]步骤3.2.2.2)，如果溶液的浊度误差倍数大于预设的第一浊度倍数阔值小于预设 的第二浊度倍数阔值，将溶液的浊度系数值赋值为5;
[0082] 步骤3.2.2.3)，如果溶液的浊度误差倍数大于预设的第二浊度倍数阔值，将溶液 的浊度系数值赋值为9;
[0083] 步骤4)，将采集到的溶液电导率与预设的电导率标准值进行比较；
[0084] 步骤4.1)，如果采集到的溶液电导率等于预设的电导率标准值，则将溶液的电导 率系数值赋值为0;
[0085] 步骤4.2)，如果采集到的溶液电导率不等于预设的电导率标准值；
[0086] 步骤4.2.1 )，将采集到的溶液电导率减去预设的电导率标准值后取绝对值，并将 该绝对值除W预设的电导率标注值，得到溶液的电导率误差倍数；
[0087] 步骤4.2.2)，将溶液的电导率误差倍数分别与预设的第一电导率倍数阔值、预设 的第二电导率倍数阔值进行比较，所述预设的第一电导率倍数阔值小于预设的第二电导率 倍数阔值；
[0088] 步骤4.2.2.1)，如果溶液的电导率误差倍数小于等于预设的第一电导率倍数阔 值，将溶液的电导率系数值赋值为1;
[0089] 步骤4.2.2.2)，如果溶液的电导率误差倍数大于预设的第一电导率倍数阔值小于 预设的第二电导率倍数阔值，将溶液的电导率系数值赋值为5;
[0090] 步骤4.2.2.3)，如果溶液的电导率误差倍数大于预设的第二电导率倍数阔值，将 溶液的电导率系数值赋值为9;
[0091] 步骤5)，将溶液的溫度系数值、酸碱度系数值、浊度系数值、电导率系数值相加，得 到溶液的水质系数值；
[0092] 步骤6)，在预先建立的水质系数与水质等级对照表中查询溶液水质系数值对应的 水质等级，得到溶液的水质等级。
[0093] 水质等级包含四个等级:标准、轻度污染、中度污染和重度污染。水质分析完毕后， 数据分析控制单元控制显示单元，将存储器中的水质数据和水质等级显示在屏幕上。
[0094] 氷质系数与氷质等级对照表中两者的对照关系如下：
[00M]本技术领域技术人员可W理解的是，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意 义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上 下文中的意义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来 解释。
[0096] W上所述的【具体实施方式】，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，W上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于 限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 多参数水质检测系统，其特征在于，包含数据分析模块和若干个数据采集模块； 所述数据采集模块包含采集控制单元、溶液温度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液 浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元，其中，采集控制单元分别 和溶液温度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电 源单元、第一通信单元电气相连； 所述数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元和存储单元，其 中，数据分析控制单元分别和第二通信单元、显示单元、存储单元电气相连； 所述采集控制单元用于将采集到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信单元 发送至第二通信单元； 所述数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率 存储至存储单元中，并控制显示单元显示溶液温度、酸碱度、浊度、电导率。2. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液温度测量单元采 用DS18B20温度传感器芯片。3. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液酸碱度测量单元 包含酸碱度电极和酸碱度调理电路，所述酸碱度电极通过酸碱度调理电路与所述采集控制 单元相连。4. 根据权利要求3所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述酸碱度电极采用雷磁 E-201-C电极。5. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液浊度测量单元包 含浊度传感器和浊度调理电路，所述浊度传感器通过浊度调理电路与所述采集控制单元相 连。6. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液电导率测量单元 包含电导率电极和电导率调理电路两部分，所述电导率电极通过电导率调理电路与所述采 集控制单元相连。7. 根据权利要求6所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述电导率电极采用雷磁 DJS-10E 电极。8. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，采集控制单元采用混合信 号处理器MSP430F5529。
【文档编号】G01N33/18GK205720196SQ201620174127
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】贾子赫, 翟会, 张旭东, 孙铭杰, 臧裕斌
【申请人】南京航空航天大学
【专利摘要】本实用新型公开了一种多参数水质检测系统，系统包含数据分析模块和若干个数据采集模块；数据采集模块包含采集控制单元、溶液温度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元；数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元和存储单元；采集控制单元用于将采集到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信单元发送至第二通信单元；数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率存储至存储单元中，分析溶液的水质等级，并控制显示单元显示溶液温度、酸碱度、浊度、电导率以及水质等级。本实用新型低成本、多参数，性价比高。
【专利说明】
多参数水质检测系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及测量领域，尤其设及一种多参数水质检测系统。
【背景技术】
[0002] 国外水质检测仪器的研究起步较早，最初主要应用在环保领域，已经在实际工程 和管理中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。欧美及日本等国在20世纪70年代己有便 携式水质分析仪出售，但都属于瞬时测定仪，连续多参数水质分析仪于20世纪80年代开始 使用。近些年来随着电子业的迅猛发展，出现了大批多参数水质检测仪器，检测仪可检测参 数也在不断增多。
[0003] 波兰Elemtron公司设计了能连接电脑或打印机的防水型多参数水质检测仪CX- 401，可同时测量pH值、电导率、溶解氧运几个参数。此仪器测量简便，能在室内或长时间在 户外工作，检测参数相对较少。
[0004] 德国近年来推出了型号为IQ Sensor Net的在线水质多参数测试系统，运套系统 可测试PH、溫度、溶解氧、电导、浊度、总悬浮固体浓度、氨氮、硝酸根(N03)、化学需氧量 (COD)、总碳量(T0C)、生化需氧量(BOD)等参数。但此仪器系统很大，不便于户外现场检测。
[0005] 与国外相比，我国水质检测分析仪器方面的研究与生产起步较晚，至80年代末，我 国的水质检测分析的技术路线主要还是W手工采样实验室检测为主，形成的仪器也主要是 实验室分析仪器及部分半自动分析仪器，90年代中期W后才逐步开始从手工采样、实验室 分析阶段走向半自动脱机系统阶段。至今，国内厂家研究和生产单一或较少参数的水质分 析仪的居多，近年来我国国内水质检测发展很快，生产出不少水质检测产品，但其各有利 弊。
[0006] 华中科技大学环保技术研究所近年来研究开发出了基于光电比色分析原理的 MPT-201型便携式多参数水质分析仪，此仪器可检测COD、浊度，可测参数少。
[0007] 上海设计出型号为6309PDT的工业式微电脑型酸碱度(pH)/溶解氧/溫度控制器。 可同时测量和控制酸碱度、溶解氧及溫度。其溫度、PH值的测量范围较宽，pH值为-2.00~ 16.00，但不能同时检测COD和浊度。
[000引北京某公司生产的5B-3B型COD多参数测定仪，可测定COD、氨氮、总憐、浊度，其测 定范围为2~5000mg/L，但不能同时检测PH值、溫度等。
[0009] 浙江生产的SWA-2000便携式水质监测系统可W实现连续在线监测水体中的COD浓 度、pH值、电导率、浊度等，并对测量的数据进行有效管理。但此检测系统容易受到环境溫度 的影响。
[0010] 国外检测设备一般系统庞大、价格偏高，国内在线监测分析仪表品种比较单一，易 受外部环境溫度影响。
[0011] 且目前所有水质检测仪的共同问题是信息化程度不高，与互联网少有组合。 【实用新型内容】
[0012] 本实用新型所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所设及到的缺陷，提供一种多 参数水质检测系统。
[0013] 本实用新型为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0014] 多参数水质检测系统，包含数据分析模块和若干个数据采集模块；
[0015] 所述数据采集模块包含采集控制单元、溶液溫度测量单元、溶液酸碱度测量单元、 溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元，其中，采集控制单元 分别和溶液溫度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单 元、电源单元、第一通信单元电气相连；
[0016] 所述数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元和存储单元， 其中，数据分析控制单元分别和第二通信单元、显示单元、存储单元电气相连；
[0017] 所述采集控制单元用于将采集到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信 单元发送至第二通信单元；
[0018] 所述数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电 导率存储至存储单元中，并控制显示单元显示溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率。
[0019] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液溫度测量单元 采用DS18B20溫度传感器忍片。
[0020] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液酸碱度测量单 元包含酸碱度电极和酸碱度调理电路，所述酸碱度电极通过酸碱度调理电路与所述采集控 制单元相连。
[0021] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述酸碱度电极采用雷 磁E-201-C电极。
[0022] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液浊度测量单元 包含浊度传感器和浊度调理电路，所述浊度传感器通过浊度调理电路与所述采集控制单元 相连。
[0023] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述溶液电导率测量单 元包含电导率电极和电导率调理电路两部分，所述电导率电极通过电导率调理电路与所述 采集控制单元相连。
[0024] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，所述电导率电极采用雷 磁DJS-IOE电极。
[0025] 作为本实用新型多参数水质检测系统进一步的优化方案，采集控制单元采用混合 信号处理器MSP430F5529。
[0026] 本实用新型采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0027] 1.对水的溫度、酸碱度、浊度、电导率运四个水质核屯、参数的检测，得出水体的质 量状况，为水资源的规划、管理、开发、利用和水污染防治提供科学依据；
[0028] 2.跨越硬件平台的限制，方法可在多种采集控制单元、平台上使用。
【附图说明】
[0029] 图1是数据采集模块结构图；
[0030] 图2是数据分析模块结构图；
[0031] 图3是抑调理电路电路图；
[0032] 图4是电导率测量电路电路图；
[0033] 图5是采集控制单元软件流程示意图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
[0035] 本实用新型公开了一种多参数水质检测系统，包含数据分析模块和若干个数据采 集模块；
[0036] 如图1所示，所述数据采集模块包含采集控制单元、溶液溫度测量单元、溶液酸碱 度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元，其中，采 集控制单元分别和溶液溫度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导 率测量单元、电源单元、第一通信单元电气相连；
[0037] 如图2所示，所述数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元 和存储单元，其中，数据分析控制单元分别和第二通信单元、显示单元、存储单元电气相连；
[0038] 所述采集控制单元用于将采集到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信 单元发送至第二通信单元；
[0039] 所述数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液溫度、酸碱度、浊度、电 导率存储至存储单元中，并控制显示单元显示溶液溫度、酸碱度、浊度、电导率。
[0040] 溶液溫度测量模块采用原装进口 DS18B20溫度传感器忍片，忍片每个引脚均用热 缩管隔开，防止短路，内部封胶，优质不诱钢管封装。防水、防潮、防生诱。每个探头经过严格 测试。感溫范围宽-55°C~+125°C，精确度0.1摄氏度，符合国家标准。
[0041] DS18B20拥有独特的单线接口方式，在与采集控制单元连接时仅需要一条口线即 可实现采集控制单元与DS18B20的双向通讯。
[0042] 溶液酸碱度测量模块包括酸碱度电极和酸碱度调理电路两部分。
[0043] 酸碱度电极采用雷磁E-201-C电极，该电极性能十分优越。检测浓度范围PH0-14， 响应时间《5S，稳定时间《60S，元件功耗《0.5W，工作溫度-10~50°C (标称溫度20°C )，工 作湿度95%畑(标称湿度65%畑），使用寿命3年。
[0044] 由酸碱度电极采集到的信号经过电容滤波后传到P的周理电路，如图3所示，由于酸 碱度电极在中性(PH=7)时不产生电压，酸碱度电极在酸性(PH<7)时产生负向电压，酸碱度 电极在碱性(PH〉7)时产生正向电压，但采集控制单元仅能采集正向电压，故需要给一个正 向偏置，此处由定值电阻RP化和RPH2、稳压忍片化43IACD、可调电位器RP册四个元器件分压 得到该正向偏置，由于使用了可调电位器RPH5,根据分压电路特点可知，加到放大器 TLC4502引脚3的偏置电压是可调的。根据我们的理论推算和实际测量，我们设置偏置电压 为IV多，且是可调的，使得所有酸碱度所对应的电压都是正电压。同时，由于酸碱度电极产 生的电信号比较微弱，在几毫伏到几十毫伏，采集控制单元采集太小的信号会产生很大的 误差(相对误差较大），所W需要放大器进行放大，本设计使用化C4502进行放大，最终信号 讲过送入采集控制单元的AD采集引脚。
[0045] 溶液浊度测量模块包括浊度传感器和浊度调理电路两部分。
[0046] 溶液浊度传感器响应时间巧OOms，操作溫度-30°C -80°C，存储溫度-10-80°C。基 本原理是一个发光二极管在发光，光线通过一段液体并发生反射、折射现象，在发光二极管 一段距离旁放置一个光敏电阻。当溶液浑浊，二极管发射的许多光线都被反射、折射，到达 光敏电阻的光线较少，光敏电阻阻值较大，通电后其上的电压较大；当溶液清澈透明，二极 管发射的少部分光线都被反射、折射，到达光敏电阻的光线较多，光敏电阻阻值较小，通电 后其上的电压较小。我们通过采集不同的电压得知溶液的浑浊程度。
[0047] 溶液浊度调理电路主要是将不在采集控制单元采集电压范围的浊度传感器输出 电压变换为符合采集控制单元A/D电压采集范围的电压。
[0048] 溶液电导率测量模块包括电导率电极和电导率测量电路两部分。
[0049] 电导率电极采用雷磁DJS-IOE电极，该电极性能优越，可靠性高。
[0050] 电导率电极是无源器件，需要外部给激励。如图4所示，波形产生电路核屯、采用ADI 公司的AD9833。采集控制单元产生的方波作为AD9833的系统时钟(参考时钟）。混合信号采 集控制单元MSP430F5529通过向SCLK，SDATA，FSYNC引脚向AD9833写入命令字，获取我们需 要的正弦波作为激励。
[0051] 本设计采用变频法测量水体的电导率。变频法是在将电导池等效电路进行极度简 化之后，可W得到并联模型和串联模型。从理论计算上，双频(或变频)都可W消除电容的影 响。本设计选取500Hz和1000化的双极性正弦波作为激励信号。
[0052] AD9833产生的变频正弦波加到电导率电极上，电极输出的信号通过滤波、运算放 大器0PA2704后，得到处理后的交流信号。由于采集控制单元只能采集一个很小范围（0V- 2.5V)的直流电压，所W此处需要将交流信号变换为直流信号。为了提高系统的精度，本系 统设计中选用了 ADI公司的真有效值忍片AD637。让交流信号通过AD637忍片，将交流信号转 变为其对应的直流有效值信号，此时的直流给到采集控制单元的A/D采集端口，采集控制单 元采集后进行响应计算，得到最终的水体电导率值。
[0053] 采集控制单元采用TI公司的混合信号处理器MSP430F5529,该处理器提供了丰富 的内置硬件模块和良好的处理器性能。该单片机最突出的特点是低电压、低功耗，适用于低 功耗需求的场合。关于单片机程序，如图5，开机后处理器从主程序指令开始执行，完成相应 的初始化功能，同时显示开机界面，待系统初始化完成后，进入主界面，处理器关闭进入低 功耗模式，待有中断事件(用户指令)后方重新开始运行。用户指令完成后又进入关闭状态， 周而复始，从而完成整个系统任务。
[0化4] 电源单元使用了电源管理忍片将+12V，-12V通用电压转变为+3.3￥、+4.1￥、巧￥等 供各元器件使用。
[0055] 第一通信单元包括SIM900A忍片和天线，采集控制单元通过给SIM900A发送指令， 并将水质数据传送给SIM900A，SIM900A接收到指令和水质数据后，通过天线将水质数据发 出。
[0056] 第二通信单元将数据接收后，在数据分析控制单元的控制下，将数据存入存储单 J L O
[0057] 数据分析控制单元除了对第二通信单元、存储单元、显示单元进行控制，还可W对 水质数据进行智能评级，评级的方法是SJ水质评级方法。SJ水质评级方法用于水质状况的 评级，有通用性、全面性、广泛性等特点。本方法考虑到了测量项目种类、测量项数量、测量 项目浓度等多个方面，并允许用户自定义一些参数(阔值），W便适应不同场合的水质评测。 方法综合W上四个部分，给出水质评估结果。
[005引水质评级方法可W采用W下步骤：
[0059] 步骤1)，将采集到的溶液溫度与预设的溫度标准值进行比较；
[0060] 步骤1. 1)，如果采集到的溶液溫度等于预设的溫度标准值，则将溶液的溫度系数 值赋值为0;
[0061 ]步骤1.2)，如果采集到的溶液溫度不等于预设的溫度标准值；
[0062] 步骤1.2.1)，将采集到的溶液溫度减去预设的溫度标准值后取绝对值，并将该绝 对值除W预设的溫度标注值，得到溶液的溫度误差倍数；
[0063] 步骤1.2.2)，将溶液的溫度误差倍数分别与预设的第一溫度倍数阔值、预设的第 二溫度倍数阔值进行比较，所述预设的第一溫度倍数阔值小于预设的第二溫度倍数阔值；
[0064] 步骤1.2.2.1 )，如果溶液的溫度误差倍数小于等于预设的第一溫度倍数阔值，将 溶液的溫度系数值赋值为1;
[0065] 步骤1.2.2.2)，如果溶液的溫度误差倍数大于预设的第一溫度倍数阔值小于预设 的第二溫度倍数阔值，将溶液的溫度系数值赋值为5;
[0066] 步骤1.2.2.3)，如果溶液的溫度误差倍数大于预设的第二溫度倍数阔值，将溶液 的溫度系数值赋值为9;
[0067] 步骤2)，将采集到的溶液酸碱度与预设的酸碱度标准值进行比较；
[0068] 步骤2.1)，如果采集到的溶液酸碱度等于预设的酸碱度标准值，则将溶液的酸碱 度系数值赋值为0;
[0069] 步骤2.2)，如果采集到的溶液酸碱度不等于预设的酸碱度标准值；
[0070] 步骤2.2.1 )，将采集到的溶液酸碱度减去预设的酸碱度标准值后取绝对值，并将 该绝对值除W预设的酸碱度标注值，得到溶液的酸碱度误差倍数；
[0071] 步骤2.2.2)，将溶液的酸碱度误差倍数分别与预设的第一酸碱度倍数阔值、预设 的第二酸碱度倍数阔值进行比较，所述预设的第一酸碱度倍数阔值小于预设的第二酸碱度 倍数阔值；
[0072] 步骤2.2.2.1)，如果溶液的酸碱度误差倍数小于等于预设的第一酸碱度倍数阔 值，将溶液的酸碱度系数值赋值为1;
[0073] 步骤2.2.2.2)，如果溶液的酸碱度误差倍数大于预设的第一酸碱度倍数阔值小于 预设的第二酸碱度倍数阔值，将溶液的酸碱度系数值赋值为5;
[0074] 步骤2.2.2.3)，如果溶液的酸碱度误差倍数大于预设的第二酸碱度倍数阔值，将 溶液的酸碱度系数值赋值为9;
[0075] 步骤3)，将采集到的溶液浊度与预设的浊度标准值进行比较；
[0076] 步骤3.1 )，如果采集到的溶液浊度等于预设的浊度标准值，则将溶液的浊度系数 值赋值为0;
[0077] 步骤3.2)，如果采集到的溶液浊度不等于预设的浊度标准值；
[0078] 步骤3.2.1 )，将采集到的溶液浊度减去预设的浊度标准值后取绝对值，并将该绝 对值除W预设的浊度标注值，得到溶液的浊度误差倍数；
[0079] 步骤3.2.2)，将溶液的浊度误差倍数分别与预设的第一浊度倍数阔值、预设的第 二浊度倍数阔值进行比较，所述预设的第一浊度倍数阔值小于预设的第二浊度倍数阔值；
[0080]步骤3.2.2.1)，如果溶液的浊度误差倍数小于等于预设的第一浊度倍数阔值，将 溶液的浊度系数值赋值为1;
[0081 ]步骤3.2.2.2)，如果溶液的浊度误差倍数大于预设的第一浊度倍数阔值小于预设 的第二浊度倍数阔值，将溶液的浊度系数值赋值为5;
[0082] 步骤3.2.2.3)，如果溶液的浊度误差倍数大于预设的第二浊度倍数阔值，将溶液 的浊度系数值赋值为9;
[0083] 步骤4)，将采集到的溶液电导率与预设的电导率标准值进行比较；
[0084] 步骤4.1)，如果采集到的溶液电导率等于预设的电导率标准值，则将溶液的电导 率系数值赋值为0;
[0085] 步骤4.2)，如果采集到的溶液电导率不等于预设的电导率标准值；
[0086] 步骤4.2.1 )，将采集到的溶液电导率减去预设的电导率标准值后取绝对值，并将 该绝对值除W预设的电导率标注值，得到溶液的电导率误差倍数；
[0087] 步骤4.2.2)，将溶液的电导率误差倍数分别与预设的第一电导率倍数阔值、预设 的第二电导率倍数阔值进行比较，所述预设的第一电导率倍数阔值小于预设的第二电导率 倍数阔值；
[0088] 步骤4.2.2.1)，如果溶液的电导率误差倍数小于等于预设的第一电导率倍数阔 值，将溶液的电导率系数值赋值为1;
[0089] 步骤4.2.2.2)，如果溶液的电导率误差倍数大于预设的第一电导率倍数阔值小于 预设的第二电导率倍数阔值，将溶液的电导率系数值赋值为5;
[0090] 步骤4.2.2.3)，如果溶液的电导率误差倍数大于预设的第二电导率倍数阔值，将 溶液的电导率系数值赋值为9;
[0091] 步骤5)，将溶液的溫度系数值、酸碱度系数值、浊度系数值、电导率系数值相加，得 到溶液的水质系数值；
[0092] 步骤6)，在预先建立的水质系数与水质等级对照表中查询溶液水质系数值对应的 水质等级，得到溶液的水质等级。
[0093] 水质等级包含四个等级:标准、轻度污染、中度污染和重度污染。水质分析完毕后， 数据分析控制单元控制显示单元，将存储器中的水质数据和水质等级显示在屏幕上。
[0094] 氷质系数与氷质等级对照表中两者的对照关系如下：
[00M]本技术领域技术人员可W理解的是，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意 义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上 下文中的意义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来 解释。
[0096] W上所述的【具体实施方式】，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，W上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于 限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 多参数水质检测系统，其特征在于，包含数据分析模块和若干个数据采集模块； 所述数据采集模块包含采集控制单元、溶液温度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液 浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电源单元和第一通信单元，其中，采集控制单元分别 和溶液温度测量单元、溶液酸碱度测量单元、溶液浊度测量单元、溶液电导率测量单元、电 源单元、第一通信单元电气相连； 所述数据分析模块包含数据分析控制单元、第二通信单元、显示单元和存储单元，其 中，数据分析控制单元分别和第二通信单元、显示单元、存储单元电气相连； 所述采集控制单元用于将采集到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率通过第一通信单元 发送至第二通信单元； 所述数据分析控制单元用于将第二通信单元接收到的溶液温度、酸碱度、浊度、电导率 存储至存储单元中，并控制显示单元显示溶液温度、酸碱度、浊度、电导率。2. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液温度测量单元采 用DS18B20温度传感器芯片。3. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液酸碱度测量单元 包含酸碱度电极和酸碱度调理电路，所述酸碱度电极通过酸碱度调理电路与所述采集控制 单元相连。4. 根据权利要求3所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述酸碱度电极采用雷磁 E-201-C电极。5. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液浊度测量单元包 含浊度传感器和浊度调理电路，所述浊度传感器通过浊度调理电路与所述采集控制单元相 连。6. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述溶液电导率测量单元 包含电导率电极和电导率调理电路两部分，所述电导率电极通过电导率调理电路与所述采 集控制单元相连。7. 根据权利要求6所述的多参数水质检测系统，其特征在于，所述电导率电极采用雷磁 DJS-10E 电极。8. 根据权利要求1所述的多参数水质检测系统，其特征在于，采集控制单元采用混合信 号处理器MSP430F5529。
【文档编号】G01N33/18GK205720196SQ201620174127
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】贾子赫, 翟会, 张旭东, 孙铭杰, 臧裕斌
【申请人】南京航空航天大学
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