一种水质监测仪的制作方法
【专利摘要】一种水质监测仪，其特征在于包括单片机、带有一对距离固定的电极的检测导电率的测量电路、温度传感器、显示装置，测量电路的导电率输出电信号与单片机的电流值电信号输入相连，温度传感器的温度电信号输出与单片机的温度值电信号输入相连，单片机的水质电信号输出与显示装置相连，检测时，先检测水的导电率，然后依据导电率及温度推算出水中的溶解固体含量，依据该水中的溶解固体含量就能获得水质情况。本发明与已有技术相比，具有能实时准确检测水质的，以便人们能依据实时检测的水质数据做出及时反应的优点。
【专利说明】
一种水质监测仪
技术领域 [0001] :本发明涉及一种检测水质质量的技术。
[0002]
【背景技术】： 中国国土面积之广为居世界第三，而随之而得的是水资源总量大，约占世界总径流资 源的6%，但人口基数大这一基本国情使得我国的人均水资源占有量低，只等同于世界水平 的1/4,我国可说是名副其实的水资源紧张的国家。另外，因我国季风气候盛行，水资源的时 空分布相差很大，南方多洪涝，北方多干旱，如此一来，水资源就显得尤为重要了。但是，随 着近百年来经济的高速发展，我国的水环境现状也每况日下，前景让人心忧。工业用水和生 活用水没有经过检测与进一步的处理就直接排放等普遍现象，使我国水资源污染严重。经 济的飞速发展带来了环境被破坏的后果，相对的，环境被破坏又制约着经济的发展。因此， 中国要实现可持续发展，治理环境为重中之重。
[0003] 在工业发展方面，我们要对工业用水进行一定的检测和处理，才能将之排放出去； 在生活用水方面，人们对于饮用水的水质要求跟随着社会的发展和生活水平的提高在不断 提高。因此，对水质进行监测和分析，才能更好地控制污染，让人们能喝上干净的放心的水。 而长期以来，我国的水质检测多采用现场采样，实验室分析数据，手工绘制图表等手段，这 样不仅工作周期长，步骤繁复，而且数据处理慢，传输不及时，而且不能实现实时检测，导致 因为得不到实时检测的数据而不能及时做出反应。
[0004]
【发明内容】
： 本发明的发明目的在于提供一种能实时准确检测水质的，以便人们能依据实时检测的 水质数据做出及时反应的水质监测仪。
[0005] 本发明是这样实现的，包括单片机、带有一对距离固定的电极的检测导电率的测 量电路、温度传感器、显示装置，测量电路的导电率输出电信号与单片机的电流值电信号输 入相连，温度传感器的温度电信号输出与单片机的温度值电信号输入相连，单片机的水质 电信号输出与显示装置相连，检测时，先检测水的导电率，然后依据导电率及温度推算出水 中的溶解固体含量，依据该水中的溶解固体含量就能获得水质情况。
[0006] 衡量水体质量的最重要的指标之一是浑浊度，即水体中所含有的泥沙、微生物等 悬浮物质使光发生散射或吸收，导致无色透明的水产生浑浊的现象。而浑浊度可以用IDS来 表示，TDS为中的溶解固体含量，即一升溶液中所含有的溶解性固体的质量。TDS值代表了水 中溶解的杂质含量。基于定义，我们可以把被测溶液进行过滤、烘干后所得的固体残渣亦即 溶解性总固体进行一定的测量，就可以得到被测溶液的电导率。但此种方法测量周期长、过 程繁杂、成本较高，所以一般不采用此法来对水质进行IDS检测。
[0007] 众所周知，导体之所以能够导电是因为导体内部的自由电子能够在电场的作用下 做定向运动。所以导体的导电性质与导体的特性和形体有关。其关系式为：
式中:R为导体电阻（Q)，L为导体的有效长度(cm);S为导体的有效横截面积(cm2);P 为电阻率.cm) 〇
[0008]而电导表示导体的输电能力强弱，在数值上等于电阻的倒数。
令1/浐=K，K即为电导率，单位为每厘米西门子(S/cm)。电导率是用以表示导体导电性 能的指标，是指长度为lcm，横截面积为lcm2的导体所具有的电导值。对于电解质导体来说， 就相当于lcm 3的溶液在相隔lcm的电极间所具有的电导值。
[0010] 而电导是电阻的倒数，所以TDS与电导也有关，而在长度和横截面积一定的情况 下，求出电导率就可以估算出TDS值。其关系式为：
式中：TDS为水中溶解固体(m g /L); K为25°C时水的电导率(S /m)。
[0011] 3温度补偿原理 被测溶液的电导率随温度的变化而发生变化。被测溶液的温度变化时，杂质的溶解程 度发生变化，阻碍粒子运动的因素也发生改变，在电场的作用下，离子和自由电子等的定向 运动也发生变化，这时导电性能改变，使电导率也发生改变。由于电导率的变化是跟随温度 的增加而变大的，所以温度的变化直接影响电导率测量的精度。
[0012] 如果被测溶液的温度不等于基准温度25°C时，就须对其再作进一步的温度补偿处 理，这样才能降低测量误差。需要将测得的结果补偿到在基准温度下的数值。若溶液的温度 在25°C附近时，对其进行温度补偿的公式如下： Ks=Kt/[0.022t+0.45)] (7-4) 式中:Ks为25 °C下溶液的电导率，Kt为t °C下溶液的电导率，t为被测溶液的温度。
[0013]若溶液的温度不在25°C附近时，再使用（7-4)公式所计算则得不到精确的电导率 值，为了减少测量误差，需要针对不同范围的温度使用特定的计算公式进行数据处理。在不 同的范围内，温度的校正系数也不尽相同，以下为不同温度范围下的温度补偿公式： Ks=Kt/(0.0169t+0.5583) 1 °C 10°C (7-5) Ks=Kt/(0.018t+0.5473) 10°C^t^20°C (7-6) Ks=Kt/(0.0189t+0.5281) 20°C彡t彡30°C (7-7) Ks=Kt/(0.022t+0.45)其他温度范围 （7-8) 使用以上公式对测得的电导率值进行温度补偿后就能可得到可用于后面的IDS值计算 的精确的电导率值，即与在基准温度下所测得的值相同。
[0014] 本发明与已有技术相比，具有能实时准确检测水质的，以便人们能依据实时检测 的水质数据做出及时反应的优点。
[0015]
【附图说明】： 图1为本发明的结构示意图； 图2为本单片机的电路图； 图3为定时器的电路图； 图4为测量电路图； 图5为温度传感器电路图； 图6为水质检测流程图； 图7为电导率检测流程图； 图8为温度检测流程图； 图9为IDS计算流程图。
[0016]
【具体实施方式】： 现结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述： 如图所示，本发明包括单片机、带有一对距离固定的电极的检测导电率的测量电路、温 度传感器、LCD显示装置、上位机监控、按键，测量电路的导电率输出电信号与单片机的电流 值电信号输入相连，温度传感器的温度电信号输出与单片机的温度值电信号输入相连，单 片机的水质电信号输出与LCD显示装置相连，上位机监控的电信号传输端与单片机的电信 号传输端相连通，按键的输出与单片机的输入相连，检测时，先检测水的导电率，然后依据 导电率及温度推算出水中的溶解固体含量，依据该水中的溶解固体含量就能获得水质情 况，并通过IXD显示装置将水质状况显示出来，上位机监控对水质情况进行监控并依据水质 状况及时采取有效处理措施，按键对单片机的控制程序及关键参数进行科学调整。
[0017] 如图2所示，单片机采用STC89C52单片机，STC89C52是51系列单片机中性能最强的 一款。单片机最小系统主要包括单片机、震荡电路、时钟电路、复位电路、电源、地线等设备。
[0018] 复位电路由电容和电阻串联组成，根据电容的电压不能突然发生改变的性质可以 知道，一个系统上电或复位是，RST引脚默认为低电平，RC电路来规定高电平的时间。51单片 机在RST引脚上，施加一个长周期的高电平将使单片机进入复位状态，因此，RC值的选择在 复位电路设计中是非常重要的。只有选择适当的RC值，才能确保可靠的复位，根据t=R*C，t 要大于两个机器周期，选择电阻阻值为l〇k，电容容值为10uF。当然还有其他的参数组合，只 要满足原理使RC组合可以产生在RST引脚置高至少两个机器周期。至于如何具体量化的计 算，可以参考电路分析的书籍。
[0019] 在图2中，电容的容值为10uF，电阻阻值为10k。所以根据公式，充电电容器增大到 〇. 7倍电源电压，即设备电源是5V，充电电容器电压增长到5*0.7=3.5V这一过程所需要的时 间是 10K * 10UF = 0.1S。
[0020] 晶振电路是由振荡晶体和两个电容组成，为单片机提供指令时间计算。对于51系 统，11.0592MHz是最常用的晶振，因为它可以产生精准的机器周期，准确地得到串口通讯最 常用的9600bps和19200bps波特率，便于串口通讯的操作。晶振电路在PCB布线设计时一定 要尽量靠近单片机，并且两个引脚到单片机的走线尽量一样长，如果偏差太大会导致起振 不良，或者计时不准确。在电路设计中晶振地和单片机一定要共地，晶振频率直接影响单片 机工作的稳定性，在满足设计要求的前提下，尽可能降低晶振频率，晶振频率越低系工作的 统稳定性越好。所以并不是晶振频率越高越好，要根据实际情况对频率和功耗进行取舍。
[0021] 外部晶振如果单独跟单片机连接，理论上也是可以起振使单片机工作的，只是这 样的结构会使电路中产生很多其他频率的谐波，谐波会降低时钟振荡器的稳定性。因此，在 外部晶振的旁边会通过加一对起振电容去过滤谐波。起振电容的容值没有特别固定的值， 根据不同的单片机会有不同的选择范围，51系列单片机的起振电容一般在15~30pF。
[0022] 如图3所示，555定时器是由美国Signetics公司于1972年研发的，它用于取代机械 式定时器，是集合了数字电路和模拟电路的中规模集成电路。555定时器将模拟功能和逻辑 功能巧妙地结合了在一起，是构成单稳态触发器、多谐振荡器的主要器件。555定时器使用 灵活，简单实用，应用广泛，结构简单，可组成各种应用电路，广泛应用于自动控制、信号检 测分析等领域。
[0023]电导率的测量电路如图4所示。把在J1上插上的电极(电极探针)放进被测溶液中， 这时总体电路就形成了多谐震荡电路。此时在多谐震荡电路的输出端得到一个频率f，这个 频率与被测溶液的电导率相关。该多谐振荡电路是由555定时器(U3)、电极、开关晶体管、被 测溶液、电容构成的。而开关晶体管可提高电路的负载能力，确保了输出频率f的线性度。 [0024]电路工作原理：一开始时电路处在置位状态，引脚3输出高电平，Q1导通。充电过 程:VCC-Q1-电极J1 一 C4。电容两端电压按指数规律上升，当Uc上升到（2/3)Vcc时，555定 时器内部的高限比较器进行反转，输出为低电平，放电管导通，电路复位。放电过程:C4 一 J1 一7脚。电容两端电压按指数规律下降，当Uc下降到（l/3)Vcc时，555定时器内的低限比较 器进行反转，输出为高电平，放电管截止，电容再次充电。如此这般，上述过程不断地进行循 环，就可形成振荡频率f。经分析得出以下公式： f=0.772C4/Rx 式中：Rx为被测溶液的电阻值。
[0025] 由式(7-1)、（7_2)可得，f与电导率K存在一定关系。在本设计中，探针的体型固定， 所以L/S的值是一个常数。L是指探针之间的距离，S是指探针浸入溶液的体积，本设计中的 所使用的探针 L=0 ? 35cm，S=0 ? 56cm*0 ? 10cm=0 ? 056cm2，则 L/S=6 ? 25cm-1，C4=0 ? lyF。因此就能 够推导出电导率与定时器输出频率之间的关系，即： K=8.1*106f〇
[0026] 温度的测量电路如图5所示。数字式温度传感器的DQ引脚接在单片机P3.3 口上，而 上拉电阻的作用是令系统闲置时恒为高电平。数字式温度传感器采集到的模拟信号经内部 电路转换为数字信号，再上传到单片机之中。单片机将接受到的数字信号作进一步的处理 就可得到被测溶液的温度值，该温度值可精确到小数点后一位。
[0027] 本设计的主程序流程图如图6所示，系统初始化后，电导率的测量和温度的测量将 同步进行，然后把测量到得电导率值和温度值作数据处理，得到在基准温度下的精确的电 导率值，用于后面的IDS计算，得出结果后，把所有的结果都输入到LCD中进行显示。
[0028] 电导率的测量流程如图7所示，首先对定时器和外部中断进行设置，确定T0的定时 时间。等到定时时间一到，就统计外部中断接收到的脉冲的个数，进一步得出多谐震荡电路 的频率，这时可以利用电导率与频率的相关关系来得到电导率值。
[0029]在进行温度测量过程之前，单片机需要对数字式温度传感器发送信号，对传感器 系统进行初始化操作。温度传感器准备接收命令。单片机发送温度转换的命令，数字式温度 传感器进行温度转换，将转换后得到的温度值传输给单片机。单片机读取温度值。最后对数 据进行处理。图8为数字式温度传感器的温度测量流程图。
[0030] TDS值与电导率存在一定的关系。可通过测得的电导率值来计算出TDS的值，但首 先应把测得的电导率补偿到在基准温度下的电导率值才可减少测量误差，因此要对所测得 的电导率值进行温度补偿。TDS值的计算流程图如图9所示。
[0031] 上位机监控的功能有串口调试、图表显示和数据存储等。针对设计的功能，本设计 采用Visual Basic6.0软件开发平台，Visual Basic是面向对象的可视化程序设计语言。利 用Visual Basic中的ActiveX控件可方便地实现上位机监控与下位单片机之间的通信连 接。应用窗体的功能开发都是使用最基础的控件，可根据系统的控件工具，组成用户需要的 界面整体功能。程序中对温度、电导率、TDS进行数字实时显示，并可选择性的观察三者的历 史曲线。
【主权项】
1. 一种水质监测仪，其特征在于包括单片机、带有一对距离固定的电极的检测导电率 的测量电路、温度传感器、显示装置，测量电路的导电率输出电信号与单片机的电流值电信 号输入相连，温度传感器的温度电信号输出与单片机的温度值电信号输入相连，单片机的 水质电信号输出与显示装置相连，检测时，先检测水的导电率，然后依据导电率及温度推算 出水中的溶解固体含量，依据该水中的溶解固体含量就能获得水质情况。
【文档编号】G01N27/20GK106053553SQ201610593451
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月26日 公开号201610593451.X, CN 106053553 A, CN 106053553A, CN 201610593451, CN-A-106053553, CN106053553 A, CN106053553A, CN201610593451, CN201610593451.X
【发明人】张彩霞, 郭静, 王向东
【申请人】佛山科学技术学院