王玨敏

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

1 系統(tǒng)方案選擇與論證

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

簡易水情檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測水位高度、PH值、電源電壓并在液晶顯示屏上顯示的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)方案選擇與論證如下：

1) 單片機(jī)方案選擇

方案1：采用STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)加密性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，但因供電電壓為5 V，功耗大不滿足設(shè)計(jì)要求。

方案2：采用MSP430G2553單片機(jī)，因?yàn)樗╇姙?.3 V，低功耗且操作指令簡潔,自帶AD使用方便，運(yùn)行速度快，工作電流最小為20μA[1]。

由于方案1功耗達(dá)不到設(shè)計(jì)要求所以采用方案2。

2)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)方案論證，為滿足設(shè)計(jì)要求所以本系統(tǒng)采用以MSP430G2553單片機(jī)為核心，5VpH復(fù)合電極信號檢測溶液pH值、3.3 V壓力傳感器測量水位、3.3 VNOKIA5110液晶顯示屏顯示。

1.2 水情信號處理

1)pH復(fù)合電極信號處理方法

由于pH復(fù)合電極采集的電壓為毫伏級，所以我們將檢測的電壓與檢測的pH值進(jìn)行整理，經(jīng)過多次分析數(shù)據(jù)得出電極所處不同的pH溶液中，pH值與電壓間的關(guān)系式如式(1)所示，從而根據(jù)這個(gè)關(guān)系式得出pH值。

(1)

2) 壓力傳感器信號處理方法

壓力傳感器的使用方法簡單，精度高，供電為3.3 V且自帶AD芯片，將水位的高度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量與電壓間的關(guān)系，通過單片機(jī)計(jì)算處理得出水位的高度。

水位高度=水的質(zhì)量/每毫升水的質(zhì)量。

1.3 電壓檢測方法

根據(jù)在電源兩端串聯(lián)兩個(gè)10 kΩ電阻分壓，把電壓采樣經(jīng)AD處理把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由MSP430G2553單片機(jī)把數(shù)字信號處理并發(fā)送顯示信息給NOKIA5110進(jìn)行顯示[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及框圖

簡易水情檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 簡易水情檢測系統(tǒng)框圖

簡易水情檢測系統(tǒng)由6 V電池組、調(diào)壓電路、MSP430G2553單片機(jī)、電壓采樣電路、pH值檢測電路、水位測量電路、NOKIA5110液晶四行顯示電路共7部分電路組成。系統(tǒng)電源模塊選用6 V電池組經(jīng)過調(diào)壓電路給各個(gè)模塊供電，液體的高度通過壓力傳感器測量，水的酸堿狀況通過pH復(fù)合電極傳感器檢測，電路工作電壓通過電壓采樣電路實(shí)時(shí)地檢測，并將所采集的數(shù)據(jù)送到MSP430G2553單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終將水情檢測信息在NOKIA5110液晶顯示器上分四行顯示[3]。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由核心控制模塊、電源模塊、水位檢測模塊、電壓采樣模塊、pH值檢測模塊和顯示模塊等組成。

核心控制模塊MSP430G2553單片機(jī)為16位，3.3 V供電，內(nèi)置AD運(yùn)行速度快，低功耗工作電流最小為20 μA，片內(nèi)資源豐富。

電源模塊由6 V電池組和調(diào)壓電路組成。整個(gè)系統(tǒng)采用4節(jié)電池組6 V供電，再通過調(diào)壓電路轉(zhuǎn)換成3.3 V和5 V，調(diào)壓電路主要由TPS78001芯片組成，該芯片可以將6 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓和3.3 V電壓，3.3 V調(diào)壓電路為水位測量電路、MSP430G2553單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路提供電壓，5 V調(diào)壓電路為pH值測量電路提供電壓，這樣可以方便控制，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，提高檢測結(jié)果。

水位檢測模塊電路由稱重傳感器、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分主要由專用型高精度24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711實(shí)現(xiàn)；該傳感器稱重范圍為0 kg～5 kg，精確度為0.1 g，如圖2所示。

pH值檢測模塊采用pH復(fù)合電極信號處理方法，pH復(fù)合電極由氫離子玻璃電極和參比電極兩部分組成，將這兩個(gè)電極一起放入待測溶液就構(gòu)成了原電池。溫度一定時(shí)，參比電極是穩(wěn)定的，玻璃電極的電位取決于待測溶液pH值。因此通過測量電極間的電位差，來檢測被側(cè)液體的pH值，如圖3所示[4]。

圖2 水位檢測模塊

電壓采樣電路，使用分壓方式連接在電源中，以實(shí)時(shí)采樣電源的狀態(tài)，經(jīng)單片機(jī)處理分析在顯示器上顯示。

顯示模塊選取NOKIA5110液晶顯示屏，NOKIA5110采用串行接口與處理器進(jìn)行通信，接口線數(shù)量減少，采用低電壓供電，可以減小功耗，全像素點(diǎn)亮?xí)r最大工作電流為200 μA。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件主程序流程圖如圖4[5]。

4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析

在自來水中加入白醋，使用此方式測量，溶液pH值測試數(shù)據(jù)如表1所示，水位測量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 pH值檢測模塊

圖4 主程序流程圖

pH計(jì)測量值系統(tǒng)顯示值相對誤差pH計(jì)測量值系統(tǒng)顯示值相對誤差4.004.050.055.004.960.043.503.440.066.006.010.013.003.030.037.007.050.052.502.450.058.007.960.042.322.290.039.008.970.034.504.510.019.509.550.05

表2 水位測量數(shù)據(jù)結(jié)果

經(jīng)測試，pH檢測結(jié)果誤差最大為0.06，水位測量結(jié)果誤差不大于1 mm,電池組輸出電壓誤差0.01以內(nèi)，所以該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到并超過設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

該簡易水情檢測系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)便是節(jié)能減耗，電路消耗的電能很小，只需6V電池組便可以給系統(tǒng)各個(gè)模塊提供電能，尤其在戶外作業(yè)時(shí)，大大提高了系統(tǒng)的續(xù)航性能。同時(shí)液體pH測試結(jié)果的精度小于等于0.06，高度測試值誤差小于等于0.15 mm。該系統(tǒng)具有測試精度高、操作指令簡潔、運(yùn)行速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。