CN105675517A - 一种便携式水质快速检测设备及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式水质快速检测设备及检测方法，涉及水质检测设备技术领域。包括外壳以及装在外壳内部的检测系统，所述检测系统包括电源模块、人机交互界面模块、单片机模块、串口通信模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块；所述光/频率转换模块用于感应LED阵列控制模块经样品池后的光信号，并将感应的光信号转换成相对应的频率信号，所述光/频率转换模块感应和转换的频率信号经过整形后传送至单片机模块进行处理，单片机模块将处理后的信号反馈到人机交互界面模块进行显示。该检测设备体积小、便于携带、成本低，检测准确性及稳定性好，采用了大容量的锂电池提高了检测设备的续航能力。

Description

一种便携式水质快速检测设备及检测方法

技术领域

本发明涉及水质检测设备技术领域，尤其涉及一种便携式水质快速检测设备及检测方法。

背景技术

水是人类生存最基本的条件，获得安全饮用水是人类的基本需求，事关人们的身心健康和正常生活。据世界卫生组织的资料统计，在发展中国家，80％的疾病是由不安全的水和恶劣的卫生条件造成的。若水中含有有害细茵，如伤寒、霍乱、痢疾等病菌时，便会传播各种传染病。若水中存在大量浮游生物，如原生动物、藻类等，会影响水的物理性质，并产生臭味和水色。当水中含有某些矿盐杂质，也会引起各种病症，如饮用水中含氟过多，会使牙齿产生斑纹，从而引起“斑齿病，严重者可使牙齿完全溃坏。至于日常生活排出的污水，也会传播疾病。因此，测定水质是否符合饮用水的标准是保证人民健康和国家建设的重要任务。

针对自然灾害与突发事件对水质产生的影响，通常需要对现场水质进行快速检测，确保人们用水安全。目前，检测水质主要采用实验室法和大型仪器分析法。实验室检测水质需到现场取样，往往耗时多，不能及时公布水质的检测结果；大型仪器购买成本高、体积大，不易携带至现场快速检测水质。因此，研发一款小型的便携式水质快速检测设备很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种便携式水质快速检测设备，该检测设备体积小、便于携带、成本低，检测准确性及稳定性好，采用了大容量的锂电池提高了检测设备的续航能力。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种便携式水质快速检测设备，包括外壳以及装在外壳内部的检测系统，所述检测系统包括电源模块、人机交互界面模块、单片机模块、串口通信模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块；所述单片机模块分别与人机交互界面模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块控制连接，单片机模块可通过串口通信模块与PC机进行数据传输，所述电源模块为整个系统内的各个功能模块提供相适配的电压，所述LED阵列控制模块由若干个LED灯和各自的分压电阻线路并联组成，LED阵列控制模块由人机交互界面模块中的人机交互界面控制开关，所述光/频率转换模块用于感应LED阵列控制模块经样品池后的光信号，并将感应的光信号转换成相对应的频率信号，所述光/频率转换模块感应和转换的频率信号经过整形后传送至单片机模块进行处理，单片机模块将处理后的信号反馈到人机交互界面模块进行显示。

进一步优化的技术方案为所述光/频率转换模块包括型号为TSL238的光/频率转换器和用于分频和整形的D触发器；TSL238的光/频率转换器输出端与D触发器的输入端连接。

进一步优化的技术方案为所述单片机模块采用型号为STM32F103的芯片。

进一步优化的技术方案为所述电源模块包括12V锂电池、12V转5V电压转换及稳压电路、5V转3.3V电压转换及稳压电路；12V锂电池经12V转5V电压转换及稳压电路、5V转3.3V电压转换及稳压电路输出3.3V为单片机模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块供电；12V锂电池经12V转5V电压转换及稳压电路输出5V为机交互界面模块、串口通信模块供电；5V转3.3V电压转换及稳压电路采用型号为MP2303的芯片，5V转3.3V电压转换及稳压电路采用型号为AM1117-3.3芯片。

进一步优化的技术方案为所述串口通信模块由USB接口电路构成，采用型号为CH340G接口芯片组成，用于单片机模块与PC机进行数据交换。

进一步优化的技术方案为所述LED阵列控制模块采用波长为λ＝520nm与入＝640nm波长的LED灯。

进一步优化的技术方案为所述外壳的长、宽、高分别为25cm、25cm、30cm。

进一步优化的技术方案为所述的人机交互界面模块为水质检测软件系统的触摸显示屏。

进一步优化的技术方案为所述检测系统还包括无线数据通信模块，该检测系统可通过无线数据通信模块与智能手机终端进行数据交互。

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用便携式水质快速检测设备的检测方法，该检测方法操作简单、能结合便携式水质快速检测设备准确、快速的测量出待测水质的数据结果。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种应用便携式水质快速检测设备的检测方法，包括以下步骤：

1)在现场进行有效水质取样，放入样品池中，并确保水样不受污染；

2)启动便携式水质快速检测设备；

3)在设备的人机交互界面调试并设置水质检测参数，包括检测项目，取样体积，总体积，待测液体积，定容体积的设定；

4)对样品池中的水样进行未处理前的空白测量；

5)对样品池中的水样添加相应的试剂显色后，进行样品测量；

6)单片机模块将步骤4)和步骤5)中测量数值进行相减运算，并根据拟合的浓度的吸光度曲线，计算出对应的浓度值；

7)通过串口通信电路将浓度值发送到人机交互界面模块，显示出测量数据。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的便携式水质快速检测设备通过触摸屏进行数据采集的显示及控制，主要利用高灵敏度光-频率转感器，测量特定波长的光透射水质样品后光的强度，计算出水质样品的吸光度，从而计算该物质在水中的含量；同时该发明兼顾了设备便携性(体积小)及大容量锂电池供电(续航时间长)的方式，从而达到野外使用要求。检测方法主要分为两步，首先对样品进行没有处理过的空白测量，再对进行化学处理后的水样进行测试；将两次测出来的值进行相减，然后根据经验拟合的一个浓度的吸光度曲线，算出对应的浓度值，将浓度值发送到触摸屏进行显示。本发明对自然灾害与突发事件对水质的影响，能够迅速到达现场对水质进行快速检测，及时获得检测结果，确保人们用水安全。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是本发明光/频率转换模块的电路原理图；

图3是本发明12V转5V电压转换及稳压电路的电路原理图；

图4是本发明5V转3.3V电压转换及稳压电路的电路原理图；

图5是USB接口电路的电路原理图；

图6是LED阵列控制模块的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明是一种便携式水质快速检测设备，包括外壳以及装在外壳内部的检测系统，所述检测系统包括电源模块、人机交互界面模块、单片机模块、串口通信模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块；所述单片机模块分别与人机交互界面模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块控制连接，单片机模块可通过串口通信模块与PC机进行数据传输，所述电源模块为整个系统内的各个功能模块提供相适配的电压，所述LED阵列控制模块由若干个LED灯和各自的分压电阻线路并联组成，LED阵列控制模块由人机交互界面模块中的人机交互界面控制开关，所述光/频率转换模块用于感应LED阵列控制模块经样品池后的光信号，并将感应的光信号转换成相对应的频率信号，所述光/频率转换模块感应和转换的频率信号经过整形后传送至单片机模块进行处理，单片机模块将处理后的信号反馈到人机交互界面模块进行显示；所述单片机模块采用型号为STM32F103的芯片；相比传统主控采用的是NXP的LPC2136的是基于ARM7内核的芯片，CPUCLOCK最多只能到60MHz，且其功耗较高。改进后采用的基于Cortex-M3的STM32F103系列的芯片，其时钟最高可达72MHz，外设功能更加丰富，拥有更多的低功耗模式，以增加设备的续航能力。所述检测系统还包括无线数据通信模块，该检测系统可通过无线数据通信模块与智能手机终端进行数据交互；所示无线数据通信模块为一个蓝牙模块，同时在智能手机终端上开发相应的APP，从而使得在电池电量低的情况下，改用蓝牙连接，达到降低功耗，延长产品续航时间的目的。

如图2所示，所述光/频率转换模块包括型号为TSL238的光/频率转换器和用于分频和整形的D触发器；TSL238的光/频率转换器输出端与D触发器的输入端连接；TSL238测量LED阵列打过来的光的强度，当其感应到光后会输出频率，其频率的高低与光的强度成正比。其输出的频率为了更适合单片机测试，系统使用了一个D触发器将输出的频率进行了分频，同时对波形的输出有很好的调制作用。该设计采用了两路单板设计，节约了一定的成本。

如图3和图4所示，所述电源模块包括12V锂电池、12V转5V电压转换及稳压电路、5V转3.3V电压转换及稳压电路；12V锂电池经12V转5V电压转换及稳压电路、5V转3.3V电压转换及稳压电路输出3.3V为单片机模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块供电；12V锂电池经12V转5V电压转换及稳压电路输出5V为机交互界面模块、串口通信模块供电；5V转3.3V电压转换及稳压电路采用型号为MP2303的芯片，5V转3.3V电压转换及稳压电路采用型号为AM1117-3.3芯片；外部可以接一个12V的电源适配器，用于给设备供电及产品的锂电池充电。锂电池输出12V的电压，经过一个DC-DC芯片MP2303后输出5V，一路将其接到AM1117-3.3上，输出为3.3V用于控制系统及测量系统的供电。另一路用于显示系统的供电。

如图5所示，所述串口通信模块由USB接口电路构成，采用型号为CH340G接口芯片组成，用于单片机模块与PC机进行数据交换。

如图6所示，所述LED阵列控制模块由若干个LED灯和各自的分压电阻线路并联组成，所述LED阵列控制模块采用波长为λ＝520nm与λ＝640nm波长的LED灯。

进一步优化的实施例为所述外壳的长、宽、高分别为25cm、25cm、30cm；设备体积小，整体尺寸在25*25*30cm³左右，重量在3Kg左右，能够随身携带；能够脱离实验室的束缚，真正做到人走到哪里，可以带到哪里。

进一步优化的实施例为所述的人机交互界面模块为水质检测软件系统的触摸显示屏，使用的是STM32的ARM内核的控制器，接受人机交互界面模块中触摸控制传输过来的控制命令，控制相应波长LED灯，采用高灵敏度的光-频率转换器，实现数据的测量及传输。

本发明还包括一种应用便携式水质快速检测设备的检测方法，包括以下步骤：

1)在现场进行有效水质取样，放入样品池中，并确保水样不受污染；

2)启动便携式水质快速检测设备；

3)在设备的人机交互界面调试并设置水质检测参数，包括检测项目，取样体积，总体积，待测液体积，定容体积的设定；

4)对样品池中的水样进行未处理前的空白测量；

5)对样品池中的水样添加相应的试剂显色后，进行样品测量；

6)单片机模块将步骤4)和步骤5)中测量数值进行相减运算，并根据拟合的浓度的吸光度曲线，计算出对应的浓度值；

7)通过串口通信电路将浓度值发送到人机交互界面模块，显示出测量数据。

本发明的目的是对现场水质进行快速检测，尤其在自然灾害及突发事件发生的特殊背景下，它的应用更具有优越性。包括以下优点：

便携性强。能够便于携带，能够脱离实验室的束缚，真正做到人走到哪里，可以带到哪里。设备体积小，整体尺寸在25*25*30cm³左右，重量在3Kg左右，能够随身携带。

准确性及稳定性好。检测试验结果已经表明，设备具有较好的准确性及稳定性，虽然较国标的准确度还有差别，但已具备了较高的精度及稳定性，可以满足现场快速检测的要求，反映水质的基本状况。

触摸式操作系统。使用的是STM32的ARM内核的控制器，接受显示系统中触摸控制传输过来的控制命令，控制相应波长LED灯，采用高灵敏度的光-频率转换器，实现数据的测量及传输。

续航能力强。考虑到野外操作的特殊要求，一方面设计采用了大容量的锂电池，另一方面采用拥有多种低功耗模式的Cortex-M3的STM32F103系列芯片，具有较强的续航能力。

成本低。与目前市场上进口的水质快速检测设备相比，其仪器的制造成本要更低，仪器的使用成本包括硬件的损耗以及试剂的损耗也有大幅度的降低。该设备具有较高的经济优势。

Claims (10)

1.一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：包括外壳以及装在外壳内部的检测系统，所述检测系统包括电源模块、人机交互界面模块、单片机模块、串口通信模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块；所述单片机模块分别与人机交互界面模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块控制连接，单片机模块可通过串口通信模块与PC机进行数据传输，所述电源模块为整个系统内的各个功能模块提供相适配的电压，所述LED阵列控制模块由若干个LED灯和各自的分压电阻线路并联组成，LED阵列控制模块由人机交互界面模块中的人机交互界面控制开关，所述光/频率转换模块用于感应LED阵列控制模块经样品池后的光信号，并将感应的光信号转换成相对应的频率信号，所述光/频率转换模块感应和转换的频率信号经过整形后传送至单片机模块进行处理，单片机模块将处理后的信号反馈到人机交互界面模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述光/频率转换模块包括型号为TSL238的光/频率转换器和用于分频和整形的D触发器；TSL238的光/频率转换器输出端与D触发器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述单片机模块采用型号为STM32F103的芯片。

4.根据权利要1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述电源模块包括12V锂电池、12V转5V电压转换及稳压电路、5V转3.3V电压转换及稳压电路；12V锂电池经12V转5V电压转换及稳压电路、5V转3.3V电压转换及稳压电路输出3.3V为单片机模块、LED阵列控制模块和光/频率转换模块供电；12V锂电池经12V转5V电压转换及稳压电路输出5V为机交互界面模块、串口通信模块供电；5V转3.3V电压转换及稳压电路采用型号为MP2303的芯片，5V转3.3V电压转换及稳压电路采用型号为AM1117-3.3芯片。

5.根据权利要1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述串口通信模块由USB接口电路构成，采用型号为CH340G接口芯片组成，用于单片机模块与PC机进行数据交换。

6.根据权利要1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述LED阵列控制模块采用波长为λ＝520nm与λ＝640nm波长的LED灯。

7.根据权利要1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述外壳的长、宽、高分别为25cm、25cm、30cm。

8.根据权利要1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述的人机交互界面模块为水质检测软件系统的触摸显示屏。

9.根据权利要1所述的一种便携式水质快速检测设备，其特征在于：所述检测系统还包括无线数据通信模块，该检测系统可通过无线数据通信模块与智能手机终端进行数据交互。

10.一种应用权利要求1所述的一种便携式水质快速检测设备的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在现场进行有效水质取样，放入样品池中，并确保水样不受污染；

2)启动便携式水质快速检测设备；

3)在设备的人机交互界面调试并设置水质检测参数，包括检测项目，取样体积，总体积，待测液体积，定容体积的设定；

4)对样品池中的水样进行未处理前的空白测量；

5)对样品池中的水样添加相应的试剂显色后，进行样品测量；

6)单片机模块将步骤4)和步骤5)中测量数值进行相减运算，并根据拟合的浓度的吸光度曲线，计算出对应的浓度值；

7)通过串口通信电路将浓度值发送到人机交互界面模块，显示出测量数据。