本实用新型属于监测设备
技术领域：
，特别是涉及一种安全饮用水监测控制系统。
背景技术：
：自来水从水厂出来到居民家中需要一定的时间与距离，这期间可能会接触到污染物，如果是悬浮状的，我们还可以看到，但如果里面含有微生物，普通老百姓是无法知道的。自来水中经常会检测出超标的大肠杆菌群、菌落，尤其是沙门氏菌。当代社会是物质和精神都非常丰富的。大家都想过健康美好的生活，人们对自身的安全都非常重视。尤其是我们在日常生活中的家庭用水问题。而目前都没有一种设备在家庭用水时实时检测水的安全，用水时随时都会给大家带来很大的危险性。目前只有在自来水公司有水质在线检测仪，都是进口的，价格非常贵。针对家庭用水安全的检测自动控制装置，暂时市场上还未出现此类产品。在2009年8月3日的各大省电视台的新闻中看到：内蒙古自治区赤峰市政府8月2日提供消息：截至1日17时，赤峰市新城区自来水受污染事件已致4307人就医。3从2日起，赤峰市对自来水污染事件所致病人的就诊程序做出相应调整，由8家医疗机构同时接诊转为梯次接诊。7月29日，赤峰市政府邀请的北京大学第三医院、北京地坛医院两名肠道疾病专家抵达赤峰，指导医疗救治工作，制订了医疗救治方案。赤峰市疾控中心继续派出流调组到各定点医疗机构和社区开展流行病学调查工作，实验室加班加点对陆续采集的样品进行检测。卫生部门通过检查共下发整改意见书58份，并派驻2名监督员进入新城区九龙供水有限责任公司，全天候监督检查，重点加强蓄水池、供水管道的消毒监管工作。这个事件震惊世人，4000多人因自来水污染而中毒，我们应该怎样面对这个用水安全的严峻问题，又可以用什么方法检测家庭用水的质量问题？因此，家庭用水安全非常关键。如何克服上述技术问题成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。技术实现要素：本实用新型的目的就是提供一种安全饮用水监测控制系统，能完全解决上述现有技术的不足之处。本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：一种安全饮用水监测控制系统，包括主控制板、传感器、自动水阀、警示装置和电源装置，所述主控制板分别连接传感器、自动水阀、警示装置和电源装置,所述传感器为水质检测传感器,所述自动水阀包括舵机和水阀,舵机用于对水阀的自动控制，所述舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、电子控制板组成，所述电子控制板连接直流电机，直流电机连接减速齿轮组，减速齿轮组连接舵盘和位置反馈电位计5k，所述位置反馈电位计5k连接电子控制板，用于反馈信号，所述主控制板包括单片机和电源电路，所述电源电路连接电源装置，电源电路分别为单片机、舵机、传感器和警示装置供电，所述电源电路包括二极管D2、二极管D3、LED灯、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电感L2、电阻和开关稳压器，所述二极管D2为防反接二极管，所述电容C9和电容C10均为滤波电容，所述二极管D2的正极连接电源装置输出接口的正极，二极管D2的负极分别连接开关稳压器的输入端、电容C9的正极端和电容C10的正极端，所述开关稳压器的输出端分别连接电感L2的一端和二极管D3的负极，电感L2的另一端分别连接电容C11的正极端、电容C12的正极端和开关稳压器的R端口，开关稳压器的R端口连接电阻的一端，电阻的另一端连接LED灯的正极，所述LED灯的负极、电容C12的负极端、电容C11的负极端、二极管D3的正极、电容C10的负极端、电容C9的负极端和电源装置输出接口的负极同时连接开关稳压器的OFF/ON端口，所述开关稳压器的接地端口连接OFF/ON端口并接地。进一步，所述开关稳压器的R端口连接有系统电源电路，系统电源电路包括SPX1117M-3.3稳压器、电容C13、电感L3、电解电容C15、电感L4和电容16，所述开关稳压器的R端口分别连接SPX1117M-3.3稳压器的输入端和电容C13的正极，所述SPX1117M-3.3稳压器的两个输出端同时分别连接电解电容C15的正极和电感L3的一端，电感L3的另一端连接电容C16的正极，电容C16的负极连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接、电解电容C15的负极和电容C13的负极同时连接SPX1117M-3.3稳压器的接地端并接地。进一步，所述单片机采用LPC2131。进一步，所述警示装置采用声光报警器。进一步，还包括LED显示屏，LED显示屏连接主控制板。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：结构简单，设计合理，在家里自来水总阀上安装水质检测传感器，实时检测水质安全；采用主控制板进行传感器信号分析并控制舵机打开或切断水源，同时发出警报，居民就可以根据警报暂停用水。一旦水质超标，本系统装置就会自动报警并切断水供应，居民就可以调整用水，实现了对居民健康、安全问题的保障。本实用新型具有巨大的潜在市场，可以广泛应用于工业和民用领域。特别是供水、食品、化工、制药等部分。稍加调整，也可以用于地沟油、再生机油等食品和工业安全的检测。附图说明图1是本实用新型的控制原理图；图2是主控制板的电源电路图；图3是12V电压电路图；图4是系统电源电路图；图5是电导率实验原理图；图6是舵机的工作原理图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。如图1和图6所示，一种安全饮用水监测控制系统，包括主控制板、传感器、自动水阀、警示装置和电源装置，所述主控制板分别连接传感器、自动水阀、警示装置和电源装置，所述电源装置为整个系统装置供电。所述传感器为水质检测传感器，优选导电率传感器，本实施例也以导电率传感器为例进行技术阐述。所述自动水阀包括舵机和水阀，利用舵机控制水阀的开启和关闭。所述舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、电子控制板组成，所述电子控制板连接直流电机，直流电机连接减速齿轮组，减速齿轮组连接舵盘和位置反馈电位计5k，所述位置反馈电位计5k连接电子控制板，用于反馈信号。所述警示装置采用声光报警器，包括蜂鸣器和LED报警灯。本装置还包括LED显示屏和定位装置等，LED显示屏和定位装置连接主控制板，LED显示屏用于检测结果的状态显示，定位装置用于定位，可连接自来水厂，通过定位装置确定问题水质所在区域，以便于整改。本系统的原理是，采用电导率传感器作为基本的水质检测元件，经过模拟数字转换电路后，将传感器的模拟信号转化为主控制板上的单片机(MCU)可以处理的数字信号，单片机接收并处理后，与设定的阈值(水质量最低安全标准值)比较，根据比较结果输出PWM(脉冲宽度调制)对舵机进行控制。如果水质超标，关闭水阀，红色LED报警灯闪亮，蜂鸣器响；水质正常，绿色LED报警灯闪亮，蜂鸣器停止。所述主控制板包括单片机和电源电路，所述单片机采用LPC2131，所述电源电路连接电源装置。电源电路分别为单片机、舵机、传感器和警示装置供电，以实现连接电源电路的不同元器件或组件等提供不同电压，本实施例例举了5V电压、12电压和3.3V电压的设计方案，并不仅仅局限于此，可举一反三。所述电源电路包括二极管D2、二极管D3、LED灯、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电感L2、电阻和开关稳压器，所述二极管D2为防反接二极管，所述电容C9和电容C10均为滤波电容，所述二极管D2的正极连接电源装置输出接口的正极，二极管D2的负极分别连接开关稳压器的输入端、电容C9的正极端和电容C10的正极端，所述开关稳压器的输出端分别连接电感L2的一端和二极管D3的负极，电感L2的另一端分别连接电容C11的正极端、电容C12的正极端和开关稳压器的R端口，开关稳压器的R端口连接电阻的一端，电阻的另一端连接LED灯的正极，所述LED灯的负极、电容C12的负极端、电容C11的负极端、二极管D3的正极、电容C10的负极端、电容C9的负极端和电源装置输出接口的负极同时连接开关稳压器的OFF/ON端口，所述开关稳压器的接地端口连接OFF/ON端口并接地。所述开关稳压器的R端口连接有系统电源电路，系统电源电路包括SPX1117M-3.3稳压器、电容C13、电感L3、电解电容C15、电感L4和电容16，所述开关稳压器的R端口分别连接SPX1117M-3.3稳压器的输入端和电容C13的正极，所述SPX1117M-3.3稳压器的两个输出端同时分别连接电解电容C15的正极和电感L3的一端，电感L3的另一端连接电容C16的正极，电容C16的负极连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接、电解电容C15的负极和电容C13的负极同时连接SPX1117M-3.3稳压器的接地端并接地。其中，所述主控制板采用PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核，单电源供电和LQFP64封装的LPC2131。主要实现：家庭用水水质电导率的检测、水阀舵机控制等。LPC2131特性：LPC2131是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU，并带有32k和512kB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率60MHz下运行；通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程(ISP/IAP)。单扇区或整片擦除时间为400ms。256字节行编程时间为1ms；RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitorTM软件对代码进行实时调试和高速跟踪；1个(LPC2131)或2个(LPC2138)8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44u；1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出(仅适用于LPC2138)；2个32位定时器/计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗；实时时钟具有独立的电源和时钟，可在节电模式中极大地降低功耗；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口(400kbit/s)、SPITM和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；向量中断控制器可配置优先级和向量地址；小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口(可承受5V电压)；多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚；通过片内PLL(100us的设置时间)可实现最大为60MHz的CPU操作频率；片内晶振频率范围：1～30MHz；低功耗模式：空闲和掉电；可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；单电源，具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路，CPU操作电压范围：3.0V～3.6V(3.3V±10﹪)，I/O口可承受5V的电压。主控制板的电源电路的主板为多组电源供电，其中电导率模块工作电压为9V，舵机为6V，单片机或CPU工作电压为3.3V，电池电源经由接口J4输入标准电压24V，经过开关稳压器LM2575-5将电源稳压到5V，然后通过SPX1117M-3.3将电源稳压得3.3V电压；24V经过LM2576-ADJ后得出3.8V电压，经LM7812得12V电压。主板上设计5V电源电路的稳压芯片为LM2575-5开关电源芯片。输入的24V电源经防反接二极管IN5819，滤波电容C9、C10后通过LM2575-5得5V电压设计，如图2所示。设计12V电源电路的稳压芯片为LM7812。输入的24V电源经防反接二极管IN5819，经过LM7812后得12V电压，如图3所示。如图4所示，LDO芯片采用SPX1117M-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高，由于LPC2131和LPC2138微控制器具有独立的模拟电源和模拟地引脚，为了降低噪声和出错几率，模拟电源和数字电源应该隔离，系统电源电路采用了10uH的电感L3和L4实现电源隔离。SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1％以内，还具有电流限制和热保护功能。使用时其输出端需要一个至少10uF的电容来改善瞬8态响应和稳定性。由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、始终源的稳定性可电源可靠性等多方面的要求更高。机器人主板的复位电路采用带I2C存储的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的可靠性，复位电路。本装置传感器主要是采用可以检测判断纯净水、蒸流水、自来水、一般河流水等的电导率传感器。电阻率的倒数为电导率，σ＝1/ρ。特别指明，电导率的测量温度是标准温度(25℃)。电导率与温度具有很大相关性，是影响电导率的主要因素。金属的电导率随着温度的增高而降低。半导体的电导率随着温度的增高而增高。在一段温度值域内，电导率可以被近似为与温度成正比。为了要比较物质在不同温度状况的电导率，必须设定一个共同的参考温度。电导率与温度的相关性，时常可以表达为，电导率对上温度线图的斜率。还有就是掺杂程度，固态半导体的掺杂程度会造成电导率很大的变化。增加掺杂程度会造成高电导率。水溶液的电导率高低相依于其内含溶质盐的浓度，或其它会分解为电解质的化学杂质。水样本的电导率是测量水的含盐成分、含离子成分、含杂质成分等等的重要指标。水越纯净，电导率越低(电阻率越高)。水的电导率时常以电导系数来纪录；电导系数是水在25℃温度的电导率。电导率的测量原理是将相互平行且距离是固定值L的两块极板(或圆柱电极)，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势(为了避免溶液电解，通常为正弦波电压，频率1～3kHz)。然后通过电导仪测量极板间电导。电导率的测量需要弄清两方面。一个是溶液的电导，另一个是溶液中1/A的几何关系。电导可以通过电流、电压的测量得到。这一测量原理在当今直接显示测量仪表中得到应用。而K＝L/AA——测量电极的有效极板；L——两极板的距离；这一值则被称为电极常数。在电极间存在均匀电场的情况下，电极常数可以通过几何尺寸算出。当两个面积为1cm的方形极板，之间相隔1cm组成电极时，此电极的常数K＝1cm-1。如果用此对电极测得电导值G＝1000μs，则被测溶液的电导率K＝1000μs/cm。一般情况下，电极常数必须用标准溶液进行确定。标准溶液一般都使用KCl溶液这是因为KCl的电导率的不同的温度和浓度情况下非常稳定，准确。0.1mol/l的KCl溶液在25℃时电导率为12.88ms/cm。其结果表明：在不同的水质中的变化有近1M欧的变化，电流很小的变化量我们采用常用的平衡电桥来检测电导电极的参数。设RX为电导电极阻抗变化量。如图5所示。其实验设备：控制板一块，12V直流电压一个，万用表一个，电压显示仪一台，水杯3个。实验条件：室温，常压。结果：水样导电率输出电压饮用水10.748V饮用水20.736V饮用水30.742V自来水11.262V自来水21.258V自来水31.265V污染水12.133V污染水22.527V经实验数据得出：在温度相同，常压下，电导率输出电压跟水质的变化接近线性。当水体受污染时，电导率输出电压的电压明显大于正常情况下输出的电压。因此，用测量水的电导率来监测水质是有科学依据的。通过查阅国家水质标准及实验中检测的实际情况，良好的水质一般电导率都低于1.280V，一旦电导率超过1.280V，则不符合安全饮用标准。为此，本系统需设定电导率超过1.280V即为报警界限，同时装置启动，切断水源。本系统装置采用常用水龙头自己改装并与舵机相结合的方式，进行水源的控制，可根据实际安装情况而定，只要能实现水源控制的功能即可，本所述仅限于研究实验所用，不做详细阐述。用水龙头经过水阀(实验开关)，扭力为11N左右。采用舵机来控制水阀，本舵机扭力为3.2KG/CM。一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、电子控制板等。其工作原理为：电子控制板接受来自信号线的控制信号控制直流电机转动，直流电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到电子控制板，进行反馈，然后电子控制板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的基本结构：例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。根据需要选用不同类型。舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。尺寸(Dimensions)：40.4×19.8×36.0mm重量(Weight)：37.2g工作速度(Operatingspeed)：0.23sec/60°(4.8V)、0.19sec/60°(6.0V)输出力矩(Outputtorque)：3.2kg.cm(4.8V)，4.1kg.cm(6.0V)同时舵机具有以下一些特点：体积紧凑，便于安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于和数字系统接口。正是因为舵机有很多优点，所以，现在不仅仅应用在航模运动中，已经扩展到各种机电产品中来，在机器人控制中应用也越来越广泛。舵机采用微单片机控制：正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机等。这里介绍利用51系列单片机产生舵机的控制信号来进行控制的方法，编程语言为C51。单片机并不是控制舵机的最好的方法，之所以介绍这种方法，只是因为研究时用2051实现过，但不做详述，仅做简要介绍，无论什么方法只要能实现本技术方案即可。2051有两个16位的内部计数器，我们就用它来产生周期20ms的脉冲信号，根据需要，改变输出脉宽。基本思路如下(请对照下面的程序)：晶振频率为12M，2051一个时钟周期为12个晶振周期，正好是1/1000ms，计数器每隔1/1000ms计一次数。以计数器1为例，先设定脉宽的初始值，程序中初始为1.5ms，在for循环中可以随时通过改变a值来改变，然后设定计数器计数初始值为a，并置输出p12为高位。当计数结束时，触发计数器溢出中断函数，就是voidtimer0(void)interrupt1using1，在子函数中，改变输出p12为反相(此时跳为低位)，在用20000(代表20ms周期)减去高位用的时间a，就是本周期中低位的时间，c＝20000-a，并设定此时的计数器初值为c，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。本电源装置可选用太阳能电池。太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在14该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是光子能量转换成电能的过程。组装及安装：组装：水龙头开关处安装法兰盘、法兰盘安装在舵机上、舵机固定在水槽上，并与主控制板相联、主控制板安装在水槽面上并与传感器相联、传感器电极安装于水槽边上便于检测水质。安装：本装置有一个进水口一个出水口，安装于家庭用水的总阀上。为了检验仪器的效果，设置了三组实验进行对比实验一：纯净水流动检测方法：取一桶纯净水使其流过装置，看装置的反应；结果：装置无反应；说明：纯净水中无污染物，电导率低，传感器无反应。实验二：普通自来水流动检测方法：在自来水管取一桶水，使其流过装置；结果：装置无反应；实验数据：水样送实验室检验，测得电导率为1.267V；说明：此自来水比较洁净。符合安全饮用条件的时候，装置是不会报警的。实验三：受污染的水流动检测方法：到池塘中取脏水一桶，使其流过装置，同时封存一瓶送实验室分析；结果：装置启动，水阀自动关闭，同时蜂鸣器大声发出报警。实验数据：实验室中对取来的水样进行检测分析，发现电导率为2.823V；说明：当水中污染物超标，不符合安全饮用条件时，本装置能灵活启动；综上所述实验，结论为：本装置能够很好的实现对自来水的实时检测。一旦水质超标，装置就会自动报警并切断水供应，居民就可以调整用水，实现了对居民健康、安全问题的保障。最后，在此进一步提出为何选用电导率来检测家庭用水：在最初的实验中是检测家庭用水的自来水中的微生物，可是自来水中的微生物检测方法如下：活菌计数法：将待测菌液进行梯度稀释，取一定体积的稀释菌液与合适的固体培养基在凝固前均匀混合，或将菌液涂布于已凝固的固体培养基平板上。保温培养后，用平板上出现的菌落数乘以菌液稀释度，即可算出原菌液的含菌数。一般以直径9cm的平板上出现50-500个菌落为宜。但方法比较麻烦，操作者需有熟练的技术。平板菌落计数法不仅可以得出菌液中活菌的含菌数，而且同时将菌液中的细菌进行了一次分离培养，获得了单克隆。以上方法很复杂，设备也很贵，时间长，又无法在线检测。所以确定采用检测纯净水中常用的电导率仪进行在线检测家庭用水。本安全饮用水检测控制系统具有巨大的潜在市场，可以广泛应用于工业和民用领域。特别是供水、食品、化工、制药等部分。稍加改进，还可用于地沟油、再生机油等食品和工业安全的检测。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 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