河流水质实时监测系统

水是人类生产生活的重要资源。目前，生态环境破坏严重，水体污染严重，水资源的保护和水污染的治理成为现代社会较为关注的问题之一。目前全国多数城市地表水受到一定程度的点状或面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，还对我国正在实施的可持续发展战略带来严重影响。另外，随着河流水质的不断恶化，严重制约了农业经济的发展，影响了粮食和其他农作物的产量和质量。因此，环保部门实时、有效和方便地对河流水质进行监测就显得十分必要。

本文设计并制作了基于单片机和无线传输技术的河流水质实时监测系统。该系统以MSP430F149低功耗单片机为核心，通过24位模-数转换芯片AD7793对双极性pH传感器和温度传感器信号进行采集，由单片机控制无线模块发送实时监测所得并进行温度补偿后的pH值。所设计系统、装置便于实现对河流水质的监测，并采用太阳能电池供电。与传统的人工检测方法相比，本系统具有检测数据精度高、传感器可灵活更换、节能、实时监测和无线通信等特点。

1 系统结构

河流水质监测系统的结构包括以下几个部分：

(1) 传感器模块。由pH传感器和温度传感器将河水的pH值和水温值转换为电信号。

(2) 调理电路模块。调理电路将电信号处理为单片机所能接收的电压信号，并送至A/D转换电路。

(3) A/D模块。A/D转换电路利用24位Σ-Δ模数转换器将模拟电压信号高精度地转换为数字电压量，并送至单片机处理。

(4) 控制模块。单片机根据当前温度值对所测pH值进行温度补偿和软件校准，最终得到准确的pH值，并将此 pH值通过无线模块发送至上位机。

(5) 其他功能模块。报警模块根据按键输入pH报警阈值，判断当前pH值，若超过此阈值，则启动报警模块；太阳能供电模块带有电池监测功能，可以实时监测太阳能电池的剩余电量，若剩余电量过少，则自动进入节能工作模式；显示模块由LCD显示当前温度和pH值、报警阈值、当前日期和时间等信息。

2 系统硬件设计

2.1 传感器

2.1.1 pH传感器

E-201-C型pH传感器测液部分为玻璃复合电极，在测量溶液的酸碱度时，当被测溶液的氢离子浓度发生变化，玻璃电极与参比电极之间的电动势也随之发生变化。通过调配不同酸碱度的溶液，室温（25 ℃）条件下用某型pH计通过实验测量发现电极电压与pH值近似成线性关系，并根据能斯特方程，利用MATLAB将所测样本点拟合成一次线性函数。

2.1.2 温度传感器

两线PT100铂电阻温度传感器[8]是一种以白金(Pt)制作成的电阻式温度传感器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式R=Ro(1+αT)，理论上α=0.003 92，Ro为100 Ω(在0 ℃的电阻值)，T为摄氏温度。经测量的电阻实测值与理论值存在略微偏移，故根据实验校准修正的关系式为：

R=100(1+0.003 92T-4.74×10-7)  (Ω)(3)

2.2 pH调理电路

由于E-201-C型pH传感器的输出电量为-400 mV~400 mV范围内的双极性电压信号，需要进行放大和偏置调理。电路将pH传感器的输出电压放大2倍，并通过1.2 V基准电压芯片LM385加上1.2 V的偏置。由此可将-400 mV~400 mV的电压范围变换成0.4 V~2.0 V的电压范围。

2.3 模数转换器

本设计采用ADI公司的24位三通道Σ-Δ型模-数转换芯片AD7793，实现对传感器模拟信号的高精度A/D转换。AD7793内置可编程激励电流源和仪表放大器，将激励电流源配置成1 mA输出并与pt100串联，取得的电压信号再经过片内仪表放大器获得16倍增益，最终获得1.6 V附近的电压值。A/D转换模块如图4所示，AD7793采用外部2.5 V基准参考电压，将调理电路送来的pH值模拟量和水温值模拟量进行数字转换，并通过三线SPI接口将转换后的数字量送至单片机进行处理。

2.4 无线通信模块

nRF905单片无线收发器工作在433/868/915 MHz 的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。通过单片机IO口模拟SPI通信协议来配置nRF905的片内寄存器，实现对无线模块的收发控制。当系统监测到的pH值发生变化时，单片机调用nRF905发送最新的监测数据。

2.5 按键、电池监测和蜂鸣器电路

系统的pH报警阈值和电池电压报警阈值通过按键电路设置，通过中断方式与单片机连接。当监测的pH值超过了阈值，系统即触发中断进入中断服务程序，蜂鸣报警。

VCC为电池电压，经电阻分压输入电压跟随器再输入单片机内部A/D转换器。当电池电量减少，电压VCC下降到设定的电压阈值时，触发单片机内部中断，工作模式自动从实时工作模式切换至定时断续测量的低功耗工作模式。

2.6 时钟、LCD、EEPROM电路

时钟芯片为低功耗时钟芯片DS1302,可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能。

LCD为低功耗工业字符型液晶1602，能同时显示16列2行共32个字符。单片机控制LCD1602显示当前日期、时间、pH值、温度值及pH报警阈值。

EEPROM为两线串行芯片AT24C04，用于存储用户设置的pH、电池电压阈值。此外，当监测的pH值超过阈值时，系统将对应的日期、时间和pH值记录到EEPROM中。

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