白亮亮

（新疆工程學(xué)院信息工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830000）

0 引言

水庫隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，受氣候、動(dòng)物以及人類生活等影響，污染物會(huì)逐漸在水體中累積，如果不對(duì)水源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不定時(shí)清理水體中的污染物，將會(huì)對(duì)水庫的正常使用造成巨大影響。經(jīng)研究調(diào)查，在不同存在形式、分布特征的污染物中，懸浮態(tài)污染物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和有害有毒物質(zhì)的吸附率最高，所以開展對(duì)懸浮物的研究，對(duì)水源水庫的水質(zhì)的檢測(cè)，對(duì)水源水庫的水質(zhì)檢測(cè)具有非常重要的價(jià)值[1-2]。

自動(dòng)化設(shè)備投入監(jiān)測(cè)與使用提升了管理效率，中科院海洋研究所設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集器，該設(shè)備主要面向應(yīng)用對(duì)象為海洋的水環(huán)境，該系統(tǒng)存在成本高等問題[3]。王士明提出了一種基于Zig Bee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，系統(tǒng)采集的參數(shù)有實(shí)質(zhì)溶解氧、PH 值等數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，通過labview 進(jìn)行顯示，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，對(duì)象側(cè)重點(diǎn)在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)λ簧疃?，水質(zhì)渾濁度及水流速進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，同時(shí)采用labview 進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，該系統(tǒng)成本低，顯示界面良好。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所使用的硬件設(shè)備STM32F103R8T6 單片機(jī)、深度傳感器、TS-300B 濁度模塊、水流速傳感器、USB 接口模塊、個(gè)人計(jì)算機(jī)，整體框架圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

1.1 深度傳感器

本次使用的水位測(cè)量傳感器（見圖2），該水位傳感器是一款簡(jiǎn)單易用、性價(jià)比較高的水位/水滴識(shí)別檢測(cè)傳感器，該傳感器模塊是一個(gè)模擬傳感器，通過一系列的暴露的平行導(dǎo)線完成水滴的測(cè)量，因?yàn)樗哂袑?dǎo)電特性，當(dāng)水覆蓋了傳感器的表面時(shí)，引起傳感器的電壓發(fā)生改變，后面經(jīng)過ADC 的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而完成水位的測(cè)量。

圖2 水位測(cè)量傳感模塊

1.2 濁度傳感器

本次實(shí)驗(yàn)采用的是TS-300B 濁度模塊（見圖3），該裝置是根據(jù)散射光線強(qiáng)度這一原理進(jìn)行，采用紅外光作為光源能夠進(jìn)行干擾的抵抗，同時(shí)在該模塊中集成了溫度的補(bǔ)償系統(tǒng)，這樣在復(fù)雜環(huán)境下傳感器的穩(wěn)定性還是能夠得到進(jìn)一步的保障。同時(shí)在具體的測(cè)量值可以進(jìn)行一定的保存，與一些CPU 控制模塊相互配合可以進(jìn)行濁度的閾值設(shè)定與報(bào)警。該模塊也是一種低能耗模塊，利用鋰電池就可以驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)正常的工作。

1.3 流速傳感器

本次設(shè)計(jì)使用的流速傳感器（見圖3），設(shè)計(jì)的過程中采用的工藝有塑料閥門，水流轉(zhuǎn)子和霍爾傳感器。當(dāng)水流通過轉(zhuǎn)子的時(shí)候推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因而在霍爾傳感器接收信號(hào)的時(shí)候產(chǎn)生脈沖信號(hào)根據(jù)脈沖信號(hào)的強(qiáng)弱判斷控制器水流量的大小，從而對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。

圖3 TS-300B 濁度模塊

圖4 水流量傳感器

1.4 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的流程圖（見圖5），在初始化函數(shù)中使用到的模塊有串口模塊，ADC 模塊和三種必須的傳感器模塊，和計(jì)時(shí)器模塊。單片機(jī)中采集深度和渾濁度數(shù)據(jù)，均是通過ADC 循環(huán)采樣模塊進(jìn)行采樣，采集流速信息則是通過設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)則中斷加一，以此來計(jì)算水流量。

圖5 主程序流程圖

LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼，系統(tǒng)部分程序框圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)程序框圖

2 結(jié)論

設(shè)計(jì)的硬件部分通過調(diào)試，使用STM32 單片機(jī)，以及TS-300B 濁度模塊、水位測(cè)量傳感器、水流量傳感器。能通過串口通信的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從單片機(jī)向上位機(jī)界面的傳送，并且硬件設(shè)備從水中測(cè)量水體深度、測(cè)量水中的濃度及水流量誤差不大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)將采集到的信息上傳到上位機(jī)中，并在LabVIEW 中能夠?qū)⑦@三者變量用折線圖進(jìn)行展現(xiàn)，在LabVIEW 上位機(jī)中也能正常顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，基本達(dá)到了預(yù)期的要求，

設(shè)計(jì)在完成基本功能的同時(shí)，依然有許多不足之處需要進(jìn)行進(jìn)一步的完善與改進(jìn)，如在具體的使用時(shí)能測(cè)量的水位高度有限，因?yàn)闈衩魝鞲衅鳒y(cè)得的水位畢竟有限。在進(jìn)行濁度測(cè)量的時(shí)候，使用了反射光線強(qiáng)度的表征方式來量化水體的濁度，所以在實(shí)際測(cè)量時(shí)日光或者日光燈對(duì)測(cè)量精度影響很大，同時(shí)傳感器的表面需要時(shí)刻保持潔凈。同時(shí)本次設(shè)計(jì)僅能采集數(shù)據(jù)，并不能通過LabVIEW 上位機(jī)來控制傳感器參數(shù)，設(shè)計(jì)功能不夠全面。

1.5 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的一種語言，同時(shí)提出了虛擬儀器這一概念，提出軟件即儀器的思想。LabVIEW語言的功能不斷被擴(kuò)充，因?yàn)槠鋵?duì)功能的打包，使得其開發(fā)周期縮短，LabVIEW 提供圖形化編程語言，并提供大量的控件給用戶使用，很大程度上模擬了現(xiàn)實(shí)世界，使得沒有編程基礎(chǔ)的人也能使用?；贚abVIEW 編程的上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)還有很多其他的特點(diǎn)，LabVIEW 運(yùn)行機(jī)制是基于數(shù)據(jù)流進(jìn)行的，程序在運(yùn)行的時(shí)候，都會(huì)由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)到達(dá)節(jié)點(diǎn)后，才能被執(zhí)行。

系統(tǒng)LabVIEW 應(yīng)用程序包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。該設(shè)計(jì)的前面板見圖6。