基于单片机和WIFI的无线式TDS水质测试仪设计

论文总字数：24347字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的主要内容及章节安排 3

1.4 设计要求 4

2 方案论证及设计 4

2.1 单片机的选择与论证 4

2.2 温度传感器的选择与论证 5

2.3 无线发射接收模块的选择与论证 5

2.4 系统整体结构的设计 6

3 系统的硬件电路设计与原理 6

3.1 STM32f103zgt6介绍 6

3.1.1 性能介绍 6

3.1.2 STM32复位电路 7

3.1.3 STM32晶振电路 8

3.1.4 SWD调试模块 8

3.2 TDS传感器 9

3.2.1 TDS传感器测量原理 9

3.2.2 TDS传感器概述 9

3.3温度传感器电路设计 10

3.3.1 温度补偿原理 10

3.3.2 DS18B20温度传感器结构 11

3.3.3 DS18B20温度传感器控制方法 11

3.3.4 DS18B20温度传感器性能 12

3.4 无线收发模块电路设计 12

3.4.1 ATK-ESP8266概述 12

3.4.2 ATK-ESP8266模块参数 13

3.5 报警电路 14

3.5.1 报警电路原理图 14

3.6 设计电路实现 14

3.6.1 原理图 14

3.6.2 PCB版图设计 15

3.6.3 焊接与调试 16

3.6.4 实物图 16

4 基于STM32的TDS测量仪的软件设计 16

4.1 系统总体流程图 16

4.2 电导率测量 17

4.3 DS18B20温度采集 18

4.4 TDS值测量 20

4.5 WIFI模块 22

4.6 软件设计 23

4.6.1 网络调试助手 23

4.6.2 运行程序 24

5 系统的测试与结果分析 24

5.1 温度补偿测试分析 24

5.1.1 测试材料及仪器 24

5.1.2 具体步骤 24

5.2 实验测量 28

5.2.1 测量数据 28

5.2.2 测量结果分析总结 28

6 总结与展望 29

附录 30

附录一：元器件清单 30

附录二：程序附录 30

参考文献 33

致谢 34

基于单片机和WIFI的无线式TDS水质测试仪设计

李琰

，China

Abstract：This paper intends to design a TDS tester system based on WIFI .This project get the TDS value through conductivity measurement circuit and get the temperature value through the temperature sensor.Temperature compensation can reduce the influence of conductivity measurement. Then the TDS value can be measured by the MCU.WIFI module make this design more efficient and portable, and the WIFI module send the value of TDS measuring system to the smart phone. The design includes the signal collect circuit,temperature measurement circuit WIFI module circuit and alarm circuit.This TDS measuring instrument is easy to operate and have simple structure and low cost.The measurement of TDS plays an important role in helping people judge the water quality.

Key words: TDS;MCU;conductivity;temperature compensation

1 绪论

1.1 研究背景及意义

水的地球上的所有生灵生命源泉，对人类来说，水不仅对我们身体机能起到至关重要的作用，也支撑着整个社会的发展。如今水污染日趋加深，出现了越来越多的如图1，2所示的严重污染湖泊，水质污染问题得到了更多的关注。而饮用水质的好坏对维持人体健康起着决定性的作用。衡量水质的一个重要标准就是TDS值。TDS是“Total Dissolved Solid”缩写，译为可溶解固体总量，它表明1升水中溶有的溶解性总固体的毫克数，可溶解固体即指溶解在水里的无机盐和有机物。TDS检测仪器能够帮助人们了解水质情况，保证合格的水质，对保持人们健康以及保护生态环境有着非常重要的意义^[1]。

图1 严重污染湖泊 图2 严重污染湖泊

1.2 国内外研究现状

目前存在的TDS数值一般通过称量法，分光光度法、荧光法、原子色谱法和电化学测定法测量^[2]。

称量法测定一般是将单位体积的待测溶液经过滤后，在标准温度下烘干（一般为105℃和180℃），直接求得TDS值。称量法虽然技术要求低，测量结果精确，但是操作繁琐，抗干扰能力差，且实时性差。

分光光度法、荧光法和原子色谱法估算水的TDS值是通过测量水质吸收的折射光谱。这几种方法虽然测量结果准确，但操作不便，实时性差且成本高昂。

电化学测定法是指将放置在待测溶液中的测量探头上接通电源，通过测量电流的大小间接溶液的电导率。与称量法相比，电化学测定法无需烘干被测的待测溶液，所以使用范围广泛，且成本低廉，测量方便，具有较好的实时性。

从俞宏波水质检测系统的研究中了解到，电化学测定常采用电桥法，振幅法以及电流法。电桥法是指利用测量探头和被测溶液之间形成的等效阻抗构成的一个电桥的桥臂，通过电桥输出数值间接得到被测溶液的电导率的变化情况，电桥法灵敏度虽高，但是测量范围较小；电流法是指电源在电极中产生的电流为被测电导率的正比，该电流经标准电阻产生了交流电压，该交流电压经过电路放大、整流、滤波后变为直流电压，根据电流法测定TDS值准确度高，并且传输误差小；由探头构成的多谐振荡电路将电导率的测量转化为电路的频率测量则为频率法，除了上面电流法的优点，频率法的测量电路结构简单，制作成本较低，可据此原理可制成便携设备^[3]。

对刘轶群对TDS检测电路的探讨中我们可总结得知，电化学测量法根据在探针接通交流电源还是直流电源而产生不同的效应。正是接通直流电源引起的极化效应，以及接通交流电源而引起的寄生电容使得以往的电导率检测仪测量结果不准确，我们可采用相应的方式尽量减小这些效应^[4]。

目前TDS值的检测大多用是在探针上接通直流电源的方式测量，即在探针两极接通电压。采用直流电路会使探针电极表面极化形成双电层产牛了极化电阻串人等效电路中使水的等效电阻值发生误差，严重影响采样电路测量结果的可靠性和准确性^[5]。极化现象有浓差极化和化学极化两种情况，其中浓差极化的产生大多是因为待测溶液没有搅拌均匀，溶液表面的离子浓度在电化学反应的作用下降低，而溶液主体的离子因不能快速的迁移至溶液表面，从而产生了极差电位。而化学极化是因为电解产生的离子在电极和溶液之间产生一个电势，该电势与外加电势方向相反，从而使电极间的电流减小，溶液的等效电阻增加，从而产生极化现象。为避免产生极化现象，电导测试仪一般不采用直流供电，而采用交流供电，采此交流电路较直流电路而言相对复杂，且实现成本较高。

寄生电容的产生是由于交流电流通过探针和溶液时，不仅出现了电阻特性还出现了电容特性。探头浸没在待测溶液中，探头和溶液间形成的电容与电阻串联，构成静电容。另一种电解质电容的产生的原因是电荷的互相运动作用于探头上所形成的电容与溶液电阻并联。静电容和电解质电容都会不仅造成相移，还会影响两探针之间的电阻大小，进而造成电导率测量结果误差。

图3 TDS测量笔 图4 TDS测量仪

刘伟对TDS水质测量仪的研究中说明，目前，市面上的TDS测量仪器大多如图3，4所示。图三为一款常用的TDS测量笔，其价格廉价，但不具备温度拟合功能，所以在不同环境下，测量结果的波动幅度较大，测量误差较大；图四所示为一款常见于实验室的TDS测量仪，它的性能优越，带有温度补偿，但其价格昂贵，体积较大，使用复杂，不适合家庭使用。因此，在设计时，我们需实现其既能克服各种上述产品的各种缺点，又能在保证TDS测量结果准确的前提下使用价格更加低廉的设计方案^[6]。

1.3 研究的主要内容及章节安排

理论上来说，在不同温度下，同一待测溶液测量出的TDS值应该是一致的，而不同温度下相同待测溶液的电导率值却是不同的，这是因为温度直接影响溶液中电离度，溶解度和离子运动速度，这些均影响溶液电导率的准确测量，进而影响测量的TDS值的精度。而该设计要求在不同温度条件下，同样的水质不同的温度下测量的TDS值相等，要达到这一要求，我们必须在设计中加入温度补偿，根据水温来矫正补偿TDS测量值，以此得到基准温度25度时的TDS测量值^[7]。

因此，本次设计中我们采用电导率法，使用交流电源进行测量，将探头置于检测样本中，通过测量电流的大小得到溶液的电阻率，进而可以间接得到可溶解固体总量的值。一般情况下，温度会对电导率的测量结果有一定影响，所以通常采用热敏电阻对温度进行补偿。通过origin软件拟合电导率和温度的经验公式，来补偿由于温度影响呈现非线性特性的TDS值^[8]。

因为待测溶液与插入其中的两根探针构成谐振检测电路，通过测量一个与电导率相关的频率值，可间接得到TDS值。在得到温度拟合后的TDS值后，经WIFI传输模块将数据传输到手机，并通过网络调试助手显示所测的TDS数值及水温^[9]。

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