一种智能水质检测仪设计（一）

引言

随着科技和工业的迅猛发展，水污染现象日益严重，保护水资源、防止水污染是人们越来越重视的环境问题。保证人们日常生活用水的质量是尤为重要的，关系到人们日常用水的安全问题，这就需要水质检测工作，这项工作既需要检测人员对工作重视而且认真，还需要人们对水质安全问题的极大关注，只有认真地对水质检测工作进行把关，人们日常用水的质量才能得到保障。

一般水质测试由使用专门装备的专业部门的专业技术人员进行，但这些技术一般只适用于自来水公司或政府专业测试机构。在日常生活中，对日常普通人来说，这样的工作是不现实的。中国在多参数水质检测仪技术开发和产品生产方面成果较好，可自动检测pH、溶解氧、水温、浊度和导电率等5种参数，但是价格较高，不适宜在民用生活中使用。为了保证饮用水的水质安全，不仅需要在水源处对水质检测进行把关，还需要将水质检测工作落实到千家万户中去，这样才能真正的保证饮用水的安全。作为民用产品，便携式及低廉的产品价格是基本要求，满足这一要求的水质测试仪应具有小型、低成本、便捷和实用性特点，因此，本设计以单片机技术为基础，采用内嵌式AD转换模块实现模数的转换，从而实现小型便携式的智能水质检测器。

1 系统硬件电路设计

系统主要以STC8A8K64S4A12单片机为主控芯片，围绕单片机设计了电源模块、温度采集模块、pH值采集模块、TDS采集模块、WiFi通信模块、OLED显示模块等，其系统结构框图如图1所示。

1.1 主控制器的选型

拟采用STC8系列的单片机。由于STC8系列MCU使用了比现有的8051快12倍的超高速8051核心。不需要外部晶振和外部复位电路，减小体积的同时，也极大地方便了设计。内置15通道的12bits高精度ADC，速度最快可达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。所有的GPIO均支持4种模式，分别为高阻输入、开漏输出、强推挽输出和准双向口。在数字信号采集和处理中有速度和稳定性的双重优势。故本设计选择型号为STC8A8K64S4A12的单片机作为主控芯片。

1.2 pH检测电路设计

pH检测模块电路设计如图2所示，pH电极测量后产生的mV信号通过BNC接口输出，输出到pH模块通过电路来实现信号的滤波放大，将极小的mV电压信号放大为0～5V电压信号，放大后的信号由J2端口输出到单片机。

其中LM2 660M为开关电容转换器，可将输出电压稳定在1.5～5.5V范围内，这是电压信号的最佳状态。CA3104AMZ运算放大器可以将微弱的mV电压信号放大，它是结合了高压PMOS晶体管和高压双极晶体管在单片芯片上优点的产品，可以给电路提供一个特别高的输入阻抗以及特别低的输入电流，同时它还有特别高的效率。输出信号的比值关系为59.16 mV/pH，在25℃时0V单片机接收到的pH为7。pH探头输出的信号大小与温度成比例关系，液体温度越高影响越大，R6电阻的作用是温度补偿。从pH=7开始，集成放大器CA3104AMZ将接收到的探头信号放大，输出电压为正负100 mV/pH的信号。然后第2级反相和偏置运放TL081BCDG4的作用是调整探头输出信号，使信号在一个有效的区间内，使输出信号能一直与pH成比例关系。D1是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：

1.3 TDS检测电路设计

本文设计采用数字TDS水质传感器，其电路原理图3所示，内部集成高精密放大电路、温度测量校准电路和低压差线性稳压电路。温度一直是影响pH值测量的重要因素，pH的精度和测量长期稳定性大部分是由温度决定的，因此本设计在AD采集电路中设计了预处理电路，具有低温漂、高稳定性和高精度的特点。本文设计采用的是低偏置电流、低失调漂移信号放大器LMV324,LMV324四路低电压轨至轨输出运算放大器是专门为低压操作而设计的，它有4个频道数，典型偏移量5μV，输入偏置电流最大值250 000pA，共模抑制比65dB。

TPS60400DBVR电荷泵为放大电路提供负输入电压，它可以将1.6～5.5V的输入电压直接转置为固定的负输出电压。由于它可以接受输入电压范围较大，一般只要有5或3.3V的预置整理电源供电，本文设计直接由模块上的VCC供电。ME6206A30M3G是一种低压差线性稳压芯片，它具有高精度、低功耗的特点，它能提供具有显著小电压降的电流，它将输入的5V电压降为3V后线性稳定输出给放大电路。探针的信号由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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