引言

隨著科技和工業(yè)的迅猛發(fā)展，水污染現象日益嚴重，保護水資源、防止水污染是人們越來越重視的環(huán)境問題。保證人們日常生活用水的質量是尤為重要的，關系到人們日常用水的安全問題，這就需要水質檢測工作，這項工作既需要檢測人員對工作重視而且認真，還需要人們對水質安全問題的極大關注，只有認真地對水質檢測工作進行把關，人們日常用水的質量才能得到保障。

一般水質測試由使用專門裝備的專業(yè)部門的專業(yè)技術人員進行，但這些技術一般只適用于自來水公司或政府專業(yè)測試機構。在日常生活中，對日常普通人來說，這樣的工作是不現實的。中國在多參數水質檢測儀技術開發(fā)和產品生產方面成果較好，可自動檢測pH、溶解氧、水溫、濁度和導電率等5種參數，但是價格較高，不適宜在民用生活中使用。為了保證飲用水的水質安全，不僅需要在水源處對水質檢測進行把關，還需要將水質檢測工作落實到千家萬戶中去，這樣才能真正的保證飲用水的安全。作為民用產品，便攜式及低廉的產品價格是基本要求，滿足這一要求的水質測試儀應具有小型、低成本、便捷和實用性特點，因此，本設計以單片機技術為基礎，采用內嵌式AD轉換模塊實現模數的轉換，從而實現小型便攜式的智能水質檢測器。

1 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)主要以STC8A8K64S4A12單片機為主控芯片，圍繞單片機設計了電源模塊、溫度采集模塊、pH值采集模塊、TDS采集模塊、WiFi通信模塊、OLED顯示模塊等，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

1.1 主控制器的選型

擬采用STC8系列的單片機。由于STC8系列MCU使用了比現有的8051快12倍的超高速8051核心。不需要外部晶振和外部復位電路，減小體積的同時，也極大地方便了設計。內置15通道的12bits高精度ADC，速度最快可達800K，對于水質檢測儀中模擬量輸出的傳感器具有良好的采集能力。所有的GPIO均支持4種模式，分別為高阻輸入、開漏輸出、強推挽輸出和準雙向口。在數字信號采集和處理中有速度和穩(wěn)定性的雙重優(yōu)勢。故本設計選擇型號為STC8A8K64S4A12的單片機作為主控芯片。

1.2 pH檢測電路設計

pH檢測模塊電路設計如圖2所示，pH電極測量后產生的mV信號通過BNC接口輸出，輸出到pH模塊通過電路來實現信號的濾波放大，將極小的mV電壓信號放大為0～5V電壓信號，放大后的信號由J2端口輸出到單片機。

其中LM2 660M為開關電容轉換器，可將輸出電壓穩(wěn)定在1.5～5.5V范圍內，這是電壓信號的最佳狀態(tài)。CA3104AMZ運算放大器可以將微弱的mV電壓信號放大，它是結合了高壓PMOS晶體管和高壓雙極晶體管在單片芯片上優(yōu)點的產品，可以給電路提供一個特別高的輸入阻抗以及特別低的輸入電流，同時它還有特別高的效率。輸出信號的比值關系為59.16 mV/pH，在25℃時0V單片機接收到的pH為7。pH探頭輸出的信號大小與溫度成比例關系，液體溫度越高影響越大，R6電阻的作用是溫度補償。從pH=7開始，集成放大器CA3104AMZ將接收到的探頭信號放大，輸出電壓為正負100 mV/pH的信號。然后第2級反相和偏置運放TL081BCDG4的作用是調整探頭輸出信號，使信號在一個有效的區(qū)間內，使輸出信號能一直與pH成比例關系。D1是靜電保護二極管也是通電指示燈，R5的作用是在溫度補償不足時根據標準液手動調節(jié)輸出大小。pH值檢測電路由J2端口輸出電壓Vout為：

1.3 TDS檢測電路設計

本文設計采用數字TDS水質傳感器，其電路原理圖3所示，內部集成高精密放大電路、溫度測量校準電路和低壓差線性穩(wěn)壓電路。溫度一直是影響pH值測量的重要因素，pH的精度和測量長期穩(wěn)定性大部分是由溫度決定的，因此本設計在AD采集電路中設計了預處理電路，具有低溫漂、高穩(wěn)定性和高精度的特點。本文設計采用的是低偏置電流、低失調漂移信號放大器LMV324,LMV324四路低電壓軌至軌輸出運算放大器是專門為低壓操作而設計的，它有4個頻道數，典型偏移量5μV，輸入偏置電流最大值250 000pA，共模抑制比65dB。

TPS60400DBVR電荷泵為放大電路提供負輸入電壓，它可以將1.6～5.5V的輸入電壓直接轉置為固定的負輸出電壓。由于它可以接受輸入電壓范圍較大，一般只要有5或3.3V的預置整理電源供電，本文設計直接由模塊上的VCC供電。ME6206A30M3G是一種低壓差線性穩(wěn)壓芯片，它具有高精度、低功耗的特點，它能提供具有顯著小電壓降的電流，它將輸入的5V電壓降為3V后線性穩(wěn)定輸出給放大電路。探針的信號由J1端口流入，信號放大整理后J2端口輸出到單片機。

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