CN102680469B - 家庭饮用水水质多参数快速检测方法及检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家庭饮用水水质多参数快速检测方法及检测设备。采用试纸和颜色传感器的结合的方法，在密闭全黑的环境下，由稳定光源发出白光，照射到被测试纸上，试纸将其自身颜色的光反射给颜色传感器，颜色传感器将光信号转换为脉冲数，输出给单片机并由单片机处理，调用标准试剂实验建立的数据库，采用最小值逼近法算法，来检测水的氯离子浓度和pH值。采用分压、跟随、放大电路，用电极将水转换为变电阻，并用A/D转换器将电压模拟量转换为数字量，传输至单片机处理，来检测水的电导率。本发明用于检测家庭饮用水，具有氯离子浓度、pH值、电导率等多种参数的检测功能。电路简单，智能精确。

Description

家庭饮用水水质多参数快速检测方法及检测设备

技术领域

本发明涉及水质检测领域，特别涉及对家庭饮用水水质的检测，具体来说是一种用于检测家庭饮用水中包括氯离子浓度、pH值、电导率在内的多种参数的快速检测方法及检测设备。

背景技术

随着社会的发展，人们对饮用水的健康已经越来越重视，而且现在的人们对水质是否合格存在着一定的疑虑。目前市场上可用于家庭水质检测的设备几乎只有单参数的试液盒或检测笔，而多功能的水质检测仪，大都是大型昂贵的实验室仪器，用于实验室研究或者一些水产养殖。用于水产养殖的水质检测仪是采用分光光度的光电比色原理，应用试剂，水样放入试剂反应后几分钟读数，数字显示氨氮、溶解氧、亚硝酸盐等值，试剂包装为滴水瓶或真空包装，适用于实验室或野外现场定量测量。存在的缺陷是检测复杂，仪器价格昂贵。

目前饮用水中氯离子的检测方法都是用化学滴定方法，往试液中滴加硝酸，若有沉淀或气体生成，则继续滴加到无沉淀和气体生成，若有沉淀生成，则过滤。再往溶液里滴入过量的硝酸银直到无沉淀生成。过滤。烘干所得沉淀，测得沉淀质量即AgCl的质量，进而可以求出所取废水中所含的氯元素的质量和物质的量，也即氯离子的质量和物质的量。该方法只适用于实验室使用，检测过程十分复杂。

PH值的检测方法一般是用PH试纸，再与标准比色卡对比，得出PH值。该方法采用人眼识别存在一定的误差，且还需对照比色卡，较为繁复。

电导率的测量通常是溶液的电导率测量。固体导体的电阻率可以通过欧姆定律和电阻定律测量。电解质溶液电导率的测量一般采用交流信号作用于电导池的两电极板，由测量到的电导池常数K和两电极板之间的电导G而求得电导率σ。最常用的仪器有常数调节器、温度系数调节器和自动温度补偿器，在一次仪表领域有电导池和温度传感器组成，可以直接测量电解质溶液电导率。

基于上述现状，研究便捷式家庭快速水质检测装置，以便能快速准确地测试和及时处理饮用水，评价饮用水的安全性，已成为国内外普遍重视的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种家庭饮用水水质多参数快速检测方法及检测设备，使小型的检测仪器能走进一般家庭，检测饮用水的安全，让人们更加放心地饮用自来水。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种家庭饮用水水质多参数快速检测方法，包括对试纸的检测和对电导率的检测；对试纸的检测采用试纸和颜色传感器的结合，在密闭全黑的环境下，由稳定光源发出白光，照射到被测试纸上，试纸将其自身颜色的光反射给颜色传感器，颜色传感器将不同颜色的光信号转换为不同频率的脉冲，输出给单片机并由单片机处理，调用标准试剂实验建立的数据库，采用最小值逼近法算法，将测得的数值显示在数码管上；对电导率的检测采用电导电极测试被测液体，采用分压、跟随、放大电路，用电极将水转换为变电阻，并用A/D转换器将电压模拟量转换为数字量，传输至单片机处理和输出信号，由红绿黄三色LED灯分别显示不同水质。

本发明还提供一种实现上述方法的家庭饮用水水质多参数快速检测设备，包括外壳，所述外壳内设置有T槽式抽屉、T槽式抽屉下方的导轨以及导轨中间的凸轮柱；所述外壳上开设有孔，T槽式抽屉和凸轮柱的端部设置在所述孔处，T槽式抽屉和凸轮柱沿导轨运动可从所述孔中抽出；所述凸轮柱的截面半径不等，所述凸轮柱与T槽式抽屉的底部紧密贴合并可轴向转动；所述外壳中T槽式抽屉的上方具有密闭室，密闭室上方具有多块电路板，电路板上至少包括LED灯阵列和颜色传感器；所述电路板所对应的外壳上具有显示窗；所述外壳内设有可抽出的置液盒以及电导电极，电导电极的一端伸出外壳，另一端伸入置液盒内。

本发明的有益技术效果是：

本发明用于家庭水质检测。基于家庭饮用水安全，根据水质因素对人体健康的影响大小，主要定位氯离子浓度、pH值、电导率三方面的检测。将多种参数的检测功能集于一体，检测氯离子浓度和pH值的方法是试纸和颜色传感器相结合法，通过实验采样得到RGB值与pH值或氯离子浓度值的对应关系，分别建立pH值和氯离子的色卡库，通过检测得到的RGB值查表，采用最小值逼近法得到检测试液的pH值或氯离子浓度，并用数码管显示结果。检测电导率是利用分压电路，采用电导电极，将水转换为变电阻，得到电压值，并将电压模拟量转换为数字量，再经单片机处理并输出信号，来检测水的电导率。

基于颜色传感器的检测条件，设计适于放置五个颜色传感器和试纸配用的密闭空间和抽屉，氯离子试纸和PH试纸共用一槽，五格密闭室与氯离子试纸相对应，并用凸轮柱结构使之更好地密闭。仪器简单实用，检测精度高。根据《生活饮用水卫生标准》的国家标准：对氯离子浓度的要求定为小于250mg/L，若超过这个值，便认定该水质不符合饮用水标准，检测精度是5mg/L；对饮用水PH值的健康饮用范围定为6.5～8.5，检测精度是0.5；在电导率方面，利用特定的电导电极，经标定，电解池常数K＝1，则根据电导率的安全范围200到800us/cm，精度是20us/cm，根据公式R=ρ*L/S=k/σ，将电导率换算成电阻的范围为1250欧姆到5000欧姆。检测操作过程简单，智能精确，电路简单，检测灵敏，成本低廉。

本发明不但适合水质检测，也可以使用到任何有颜色变化的测试系统中，只要在实验前采集足够的标准数据以供查表。

附图说明

图1是本发明的总体原理框图。

图2是本发明检测设备的外部结构图。

图3是本发明检测设备的内部结构图。

图4是单片机电路图。

图5是LED灯阵列控制电路图。

图6是颜色传感器控制电路图。

图7是颜色传感器的引脚功能图。

图8是颜色传感器的引脚S0、S1及S2、S3的组合功能图。

图9是颜色传感器片选控制电路图。

图10是显示板电路图。

图11是数码管和LED灯位选控制电路图。

图12是数码管和LED灯段选控制电路图。

图13是电导率测量电路图。

图14是A/D转换电路图。

图15是24V转5V电压转换及稳压电路图。

图16是锂电池转换稳压电路图。

图17总的程序流程示意图。

图18氯离子检测子程序流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明方法的原理框图如图1所示。本发明包括两部分功能，一是对于试纸的检测，二是对于电导率的检测。

对试纸的检测部分，采用试纸和颜色传感器相结合的方法来实现。本实施例中以氯离子试纸和pH试纸的检测为例。氯离子试纸采用的是德国进口MN氯化物测试条。pH试纸采用的是PH1-14的广泛试纸。氯离子试纸和pH试纸因饮用水中不同的氯离子浓度、酸碱度而呈现规律性的颜色变化，用颜色传感器进行颜色检测，分辩出颜色的变化，输出不同频率的脉冲，被单片机接收并处理，再将测得的氯离子浓度值、pH值显示到数码管上。氯离子试纸具有五个显色格子，因此采用五个传感器与该五个格子对应；pH试纸只需两个传感器对应工作即可，两个传感器分别对pH试纸的中心及边缘进行检测，以消除色差的影响。在密闭全黑的环境下，稳定光源（LED灯阵列）发出白光，照射到上述试纸上，试纸将其自身颜色的光反射给颜色传感器。不同颜色的光，波长不同，频率也不同，颜色传感器将光信号转换为脉冲数，再输出传给单片机。单片机处理，调用标准试剂实验建立的数据库，采用最小值逼近法算法，将数值给数码管显示。

密闭黑色空间是试纸颜色检测的关键，因为在实验过程中主要想得到测试试纸颜色变化处的漫反射光，为了排除外界光源的影响，测试环境必须在完全隔光的密闭小空间完成。在非密闭环境下测得数据不稳定，密闭空间的设计，使实验数据比较稳定。

稳定的白亮光源是试纸颜色检测的关键。光源是试纸颜色测量所需的源信号，要求光源颜色稳定，即光源发出光束的频谱是稳定的。由于颜色检测器件采用的是RGB颜色传感器，因此所采用的光源其频谱宽度应至少包含绝大部分可见光波段。为了保证测量精度，减少仪器的系统误差，对测量光束光强在传感器接收面上的均匀性有一定要求，但由于传感器的光接收面很小，仅有1.15×1.15mm²，测量面上光的均匀性易于满足。因此，对于系统的光源，重点考虑的是光源的颜色稳定性。

对电导率的检测部分，采用传感器（铂黑电导电极）测试置液盒中的被测液体，采用的是分压、跟随、放大的电导率检测电路，用电极将水转换为变电阻，并用A/D转换器将电压模拟量转换为数字量，再被单片机处理和输出信号，再由三个LED灯分别显示，健康水为绿灯，可饮用水为黄灯，非可饮用水为红灯。

基于本发明原理所制作的检测设备如图2、图3所示，是一种适合于家用的小型一体化装置。其外部结构由图2示出，内部结构由图3示出。该检测设备包括外壳1，外壳1内装设有T槽式抽屉2、T槽式抽屉2下方的导轨5以及导轨5中间的凸轮柱3。外壳1上开设有孔，T槽式抽屉2和凸轮柱3可从这个孔中抽出。T槽式抽屉2用于放置被检测的试纸，导轨5的作用是使T槽式抽屉2滑动流畅，凸轮柱3的截面是不规则型，将其转动后可以将其上方的T槽式抽屉2提高或下降，从而调节密封性。外壳1中T槽式抽屉2的上方具有密闭室8，密闭室8上方具有多块电路板，电路板上至少包括LED灯阵列9和颜色传感器10。在密闭室8全黑的环境下，LED灯阵列9发出白光照射到被测试纸上，试纸将其自身颜色的光反射给颜色传感器10，进行颜色检测。电路板所对应的外壳1上具有显示窗7，用于显示测试结果。此外，外壳1内还具有可抽出的置液盒4以及电导电极6，电导电极6的一端伸出外壳1，另一端伸入置液盒4内。将电导电极6上提后可抽出置液盒4，在置液盒4内放置被测液体，然后推入置液盒4，下放电导电极6，通过电导电极6对被测液体的电导率进行检测。

本发明检测设备中的电路板由四块电路板（主板、显示板、传感器板、LED阵列板）组成。按电路功能划分，则包括图4的单片机电路、图5的LED阵列控制电路、图6的颜色传感器控制电路、图9的颜色传感器片选控制电路、图10的显示板电路、图11的数码管和LED灯位选控制电路、图12的数码管和LED灯段选控制电路、图13的电导率测量电路、图14的A/D转换电路、图15的锂电池转换稳压电路以及图16的24V转5V电压转换及稳压电路。

以下详细介绍各电路原理图：

单片机电路如图4所示，本实施例中的单片机选用的型号是80C52，其具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚分配见图3。此外，单片机也可选用AT89S51、AT89S52等型号。

LED灯阵列控制电路如图5所示，由5个LED灯以及分压电阻线路并联组成。图5的LED灯阵列控制电路直接由图10的显示板电路中的按键S5控制开关，当按下按键S5时，图5中的LED灯阵列工作。

颜色传感器控制电路如图6所示，本实施例中颜色传感器选用的型号是TCS230，其是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。此外，颜色传感器也可选用TCS3200等型号。

颜色传感器TCS230的引脚功能图见图7，其内部功能等效于一个光电二极管加一个电流到频率的转换器。颜色传感器TCS230的引脚S0、S1及S2、S3的组合功能见图8，引脚S0、S1的高低电平组合（H为高电平、L为低电平）决定输出频率标定。普通情况的应用下选择S0、S1全高100％的输出频率，当某些单片机输出频率太高，波形太密集数不过来时，可选择2％或20％的输出频率。引脚S2、S3的高低电平组合决定滤波器类型，分别为R、G、B三色滤波，在实际应用时分三次完成R、G、B三色的测试。

图6的颜色传感器控制电路由图9的颜色传感器片选控制电路中的锁存器74H573来控制片选，由图10的显示板电路中的按键S2来控制开关（本实施例中，图10中的S1～S4分别是白平衡、氯离子、ph值、电导率测试功能的控制开关）。例如当按下按键S2时，图9中的锁存器74H573使X1引脚为高电平，则片选图6中的传感器J1工作，以此类推。传感器J1～J5将转换的颜色频率信号传输给图4中的单片机后，经单片机处理，调用算法子程序，将结果用图10的显示板电路中的四位数码管DS1～DS4显示，数码管显示电路见图10。对所述数码管进行位选控制（we1～we5）的电路见图11，对所述数码管进行段选（a～g）控制的电路见图12。位选控制和段选控制均由锁存器74H573控制。

本发明的检测程序和算法：本测试设备进行数据处理的目的是对光强频率值与氯离子浓度和PH值做回归分析，得出回归曲线，并衡量配后曲线的好坏。算法为最小值逼近法：用颜色传感器采集到试纸的颜色分量RGB，传输给单片机储存。对于氯离子检测，由于氯离子试纸有五格，用五个传感器J1～J5分别采样3个数据，分别为红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B，可得15个数据。利用这五个数据与事先存储在色卡数据库中的颜色列表分别进行比较，得到最接近的颜色，进而得到该颜色对应的氯离子浓度。该算法采用颜色比较子程序，表达式为：

Temp=|R1-R_1|+|G1-G_1|+|B1-B_1|+|R2-R_2|+|G2-G_2|+|B2-B_2|+|R3-R_3|+|G3-G_3|+|B3-B_3|+|R4-R_4|+|G4-G_4|+|B4-B_4|+|R5-R_5|+|G5-G_5|+|B5-B_5|。

上式中的R1～R5、G1～G5、B1~B5为颜色传感器所采集到的数据，上式中的R_1~R_5、G_1～G_5、B_1～B_5为色卡数据库中的颜色列表数据。表达式中的R_1~R_5、G_1～G_5、B_1~B_5用不同的数据代入，从而得到多个Temp值。最后比较所得到的各Temp的值，其中最小的Temp对应的颜色所对应的氯离子浓度即为检测值。

pH值的检测方法与氯离子浓度检测相同，只是在检测pH值时，只需两个颜色传感器工作，分别检测pH试纸的中间和边缘，所以颜色比较算法中，只需6个值参与计算即可。

如图13所示，电导率检测部分采用分压、跟随、放大电路。图13中，R2代指水的电阻，与电阻R3分压，经四运算放大器LM324的1/4模块使电压跟随，再经四运算放大器LM324的另一1/4模块使电压放大。由于电压是模拟量，用图14中的A/D转换器AD7810将电压模拟量转换为数字量。AD7810是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。采用的是DIP封装形式，它的外围接线简单，AD7810的转换时间为2μs。AD为模拟量入口，P1.0给工作信号，P1.2控制工作方式，本发明选用的工作方式是低功耗模式，P1.2给一高电平后，维持低电平，图4中的单片机的P1.1接收数字信号，被单片机处理，将信号传输给图10中的LED灯显示，三个LED灯（GLED、YLED、RLED）的控制电路见附图10，三个LED灯的位选和段选的控制电路与数码管相同。检测结果健康水为绿灯（GLED）亮，可饮用水为黄灯（YLED）亮，非可饮用水为红灯（RLED）亮。

本发明的电源供给有三种方式，一是用5V供电，由于本发明检测设备所需要的供电电压为5V，本实施例中采用如图15所示的电源稳压芯片LM2596构成24V转5V电压转换及稳压电路，得到稳定电压。二是锂电池供电（在断电的情况下使用），本实施例中由电源稳压芯片MAX667构成锂电池转换及稳压电路，见图16。三是通过24v的开关电源供电。

由单片机完成的检测程序流程如图17所示。其中对于各项检测都包含其各自的子程序。以氯离子检测为例，其子程序流程如图18所示。

上述实施例电路中所述的各电子元器件均为市售商品。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种家庭饮用水水质多参数快速检测方法，其特征在于：包括对试纸的检测和对电导率的检测；

对试纸的检测采用试纸和颜色传感器的结合，在密闭全黑的环境下，由稳定光源发出白光，照射到被测试纸上，试纸将其自身颜色的光反射给颜色传感器，颜色传感器将不同颜色的光信号转换为不同频率的脉冲，输出给单片机并由单片机处理，调用标准试剂实验建立的数据库，采用最小值逼近法算法，将测得的数值显示在数码管上；

对电导率的检测采用电导电极测试被测液体，采用分压、跟随、放大电路，用电极将水转换为变电阻，并用A/D转换器将电压模拟量转换为数字量，传输至单片机处理和输出信号，由红绿黄三色LED灯显示不同水质；

所述最小值逼近法算法是：通过颜色传感器采集试纸的颜色分量RGB，传输给单片机储存；所述颜色传感器至少有五个，每个颜色传感器分别采样试纸的红色分量R、绿色分量G以及蓝色分量B；将采集到的数据与事先存储在色卡数据库中的颜色列表分别进行比较，得到最接近的颜色，进而得到该颜色对应的检测参数值，算法采用的颜色比较表达式为：

Temp=|R1-R_1|+|G1-G_1|+|B1-B_1|+|R2-R_2|+|G2-G_2|+|B2-B_2|+|R3-R_3|+|G3-G_3|+|B3-B_3|+|R4-R_4|+|G4-G_4|+|B4-B_4|+|R5-R_5|+|G5-G_5|+|B5-B_5|；

上式中的R1～R5、G1～G5、B1～B5为颜色传感器所采集到的数据，上式中的R_1～R_5、G_1～G_5、B_1～B_5为色卡数据库中的颜色列表数据；将表达式中的R_1～R_5、G_1～G_5、B_1～B_5用色卡数据库中的颜色列表代入，从而得到多个Temp值，比较所得到的各Temp的值，其中最小的Temp对应的颜色所对应的值即为检测值；

对于氯离子浓度的检测，采用五个传感器分别采样氯离子试纸五个色格的RGB数据；

对于pH值的检测，采用两个颜色传感器分别采样pH试纸的中间和边缘的RGB数据。

2.一种实现权利要求1所述家庭饮用水水质多参数快速检测方法的检测设备，其特征在于：包括外壳（1），所述外壳（1）内设置有T槽式抽屉（2）、T槽式抽屉（2）下方的导轨（5）以及导轨（5）中间的凸轮柱（3）；所述外壳（1）上开设有孔，T槽式抽屉（2）和凸轮柱（3）的端部设置在所述孔处，T槽式抽屉（2）和凸轮柱（3）沿导轨（5）运动可从所述孔中抽出；所述凸轮柱（3）的截面半径不等，所述凸轮柱（3）与T槽式抽屉（2）的底部紧密贴合并可轴向转动；所述外壳（1）中T槽式抽屉（2）的上方具有密闭室（8），密闭室（8）上方具有多块电路板，电路板上至少包括LED灯阵列（9）和颜色传感器（10）；所述电路板所对应的外壳（1）上具有显示窗（7）；所述外壳（1）内设有可抽出的置液盒（4）以及电导电极（6），电导电极（6）的一端伸出外壳（1），另一端伸入置液盒（4）内；

所述电路板包括：单片机电路、LED阵列控制电路、颜色传感器控制电路、颜色传感器片选控制电路、显示板电路、数码管和LED灯位选控制电路、数码管和LED灯段选控制电路、电导率测量电路、A/D转换电路、锂电池转换稳压电路以及24V转5V电压转换及稳压电路；

单片机电路由单片机80C52构成；LED灯阵列控制电路由5个LED灯各自的分压电阻线路并联组成，LED灯阵列控制电路由显示板电路中的按键控制开关；

颜色传感器控制电路由5个颜色传感器TCS230及传感器插座组成；每个颜色传感器TCS230的内部等效于一个光电二极管加一个电流到频率的转换器；颜色传感器TCS230的一组引脚S0、S1的高低电平组合决定输出频率标定，另一组引脚S2、S3的高低电平组合决定滤波器类型；颜色传感器控制电路由颜色传感器片选控制电路中的锁存器74H573来控制片选，由显示板电路中的按键来控制开关；颜色传感器TCS230将转换的颜色频率信号传输给单片机电路中的单片机80C52后，经单片机80C52处理，将结果用显示板电路中的四位数码管DS1～DS4显示；数码管和LED灯位选控制电路对所述数码管DS1～DS4进行位选控制，数码管和LED灯段选控制电路对所述数码管DS1～DS4进行段选控制；数码管和LED灯位选控制电路、由数码管和LED灯段选控制电路均由锁存器74H573构成；

电导率测量电路中水的电阻R2经电阻R3分压，经四运算放大器LM324的1/4模块使电压跟随，再经四运算放大器LM324的另一1/4模块使电压放大；用A/D转换电路中的A/D转换器AD7810将电压模拟量转换为数字量，经单片机80C52处理，将结果用显示板电路中的LED灯GLED、YLED、RLED显示，数码管和LED灯位选控制电路对所述LED灯GLED、YLED、RLED进行位选控制，数码管和LED灯段选控制电路对所述LED灯GLED、YLED、RLED进行段选控制；

24V转5V电压转换及稳压电路由电源稳压芯片LM2596构成，用于5V供电；锂电池转换及稳压电路由电源稳压芯片MAX667构成，用于在断电的情况下供电。