CN106370806B - 一种水质监测与调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质监测与调节系统，包含：由主过滤管路及两条支过滤管路的过滤子系统，主过滤管路的进水端与市政水源通过管道连接，主过滤管路的出水端被分为两路分别连接两条支过滤管路的进水端，两条支过滤管路的出水端合并后，被配置为过滤子系统的出水口；近端控制终端，包含一主控制器及用于检测支过滤管路水质信息的两个水质检测模块、用于调节支过滤管路出水量的两个流量调节组件、用于检测过滤子系统的出水口处水质信息的水质检测模块，水质检测模块及流量调节组件分别与主控制器连接。本发明通过对水质进行溶解性总固体值、酸碱度值、温度值等多参数检测，并根据这些参数自动调节水质，能够满足不同人对不同水质的要求。

Description

一种水质监测与调节系统

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种水质监测与调节系统。

背景技术

随着生活质量的不断提高，人们对饮用水水质的要求也越来越高，目前市面上的净水设备，其缺点在于，大部分都是单一的过滤，出水的水质很难满足部分人的要求；有部分产品实现了两种水质出水，但出水要分别选择，同时每种出水水质差别大，计数不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水质监测与调节系统，通过对水质进行溶解性总固体值、酸碱度值、温度值等多参数检测，并根据这些参数自动调节水质，能够满足不同人对不同水质的要求，在口感及人体所需微量元素等各方面可以得到很好的权衡。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种水质监测与调节系统，其特点是，包含：

过滤子系统，所述的过滤子系统包含主过滤管路、第一支过滤管路及第二支过滤管路，所述的主过滤管路的进水端与市政水源通过管道连接，被配置为过滤子系统的进水口，所述的主过滤管路的出水端被分为两路分别连接第一支过滤管路的进水端及第二支过滤管路的进水端，所述的第一支过滤管路的出水端及第二支过滤管路的出水端合并后，被配置为过滤子系统的出水口；

近端控制终端，所述的近端控制终端包含一主控制器及用于检测第一支过滤管路水质信息的第一水质检测模块、用于调节第一支过滤管路出水量的第一流量调节组件、用于检测第二支过滤管路水质信息的第二水质检测模块、用于调节第二支过滤管路出水量的第二流量调节组件、用于检测过滤子系统的出水口处水质信息的第三水质检测模块，所述的第一水质检测模块、第二水质检测模块、第三水质检测模块、第一流量调节组件及第二流量调节组件分别与主控制器连接，所述的第一水质检测模块、第二水质检测模块及第三水质检测模块将检测到水质信息实时发送至主控制器；

当所述的主控制器接收一设定出水水质信息的控制指令时，所述的主控制器根据控制指令控制第一流量调节组件及第二流量调节组件的开度，调节出水量，所述的第三水质检测模块对设定的出水水质信息进行反馈。

所述的主过滤管路上设有一超滤复合过滤器；所述的第一支过滤管路上设有一微过滤器，靠近所述的过滤子系统的进水口；所述的第二支过滤管路上设有一反渗透过滤器，靠近所述的过滤子系统的进水口。

所述的水质监测与调节系统还包含一与所述的近端控制终端通信连接的远程控制终端，所述的远程控制终端接收近端控制终端发送的水质信息，以及向所述的近端控制终端发送控制指令。

所述的水质检测模块包含用于检测出水酸碱度值的pH检测单元、用于检测出水溶解性总固体值的TDS检测单元及用于检测出水水温的温度检测单元，所述的pH检测单元、TDS检测单元及温度检测单元分别与所述的主控制器连接。

所述的pH检测单元包含第一放大电路，与所述的第一放大电路的输入端连接的pH电极及参比电极，一与所述的第一放大电路输出端连接的pH值采样转换电路，所述的pH值采样转换电路的输出端连接所述的主控制器。

所述的TDS检测单元包含TDS激励及转换电路，所述的TDS激励及转换电路的输入端连接主控制器，接收主控制器发送的TDS_DIR激励信号和TDS_PWM脉冲调制波信号，所述的TDS激励及转换电路的信号采集端分别连接第一TDS探针和第二TDS探针，所述的TDS激励及转换电路的输出端通过一第二放大器连接至主控制器。

所述的温度检测单元包含惠斯通电桥电路、第三放大电路及温度采样转换电路，所述的惠斯通电桥电路的信号采集端连接三根热敏电阻的电极，所述的惠斯通电桥电路的输出端连接至第三放大电路的输入端，所述的第三放大电路的输出端连接至所述的温度采样转换电路的输入端，所述的温度采样转换电路的输出端连接至主控制器。

所述的流量调节组件包含电机、电动调节阀及一对无极电位器，所述的电机驱动电动调节阀转动，所述的一对无极电位器跟随所述的电机转动，所述的主控制器通过一多圈角度定位电路连接至电机及一对无极电位器，所述的多圈角度定位电路用于向电机发送控制信号及采集电位器信号。

所述的流量调节组件还包含一电流检测电路，所述的主控制器通过电流检测电路连接至电机，用于检测电机的电流。

所述的流量调节组件还包含一自锁电机电路，所述的主控制器通过自锁电机电路连接至电机，用于当电机完成转动角度后，切断电机驱动信号。

本发明一种水质监测与调节系统与现有技术相比具有以下优点：通过对水质进行溶解性总固体值、酸碱度值、温度值等多参数检测，并根据这些参数自动调节水质，能够满足不同人对不同水质的要求，在口感及人体所需微量元素等各方面可以得到很好的权衡；流量调节组件中的电机采用直流电机，具有扭矩大、转速快、转动角度大、效率高、功耗低的优点；流量调节组件中设有一多圈角度定位电路及一对无极电位器，可以将转角精确控制到0.01度；流量调节组件中设有一电流检测电路，有效克服由于电动调节阀卡死或损坏造成的电机烧毁问题；流量调节组件中设有一自锁电机电路，能有效减少不必要的耗能，并且使得电机的寿命增长。

附图说明

图1为本发明一种水质监测与调节系统的整体结构示意图；

图2为pH检测单元的整体结构示意图；

图3为TDS检测单元的整体结构示意图；

图4为温度检测单元的整体结构示意图；

图5为流量调节组件的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种水质监测与调节系统，包含：过滤子系统100，所述的过滤子系统100包含主过滤管路101、第一支过滤管路102及第二支过滤管路103，所述的主过滤管路101的进水端与市政水源400通过管道连接，被配置为过滤子系统100的进水口，所述的主过滤管路101的出水端被分为两路分别连接第一支过滤管路102的进水端及第二支过滤管路103的进水端，所述的第一支过滤管路102的出水端及第二支过滤管路103的出水端合并后，被配置为过滤子系统100的出水口；近端控制终端，所述的近端控制终端包含一主控制器201及用于检测第一支过滤管路102水质信息的第一水质检测模块202、用于调节第一支过滤管路102出水量的第一流量调节组件203、用于检测第二支过滤管路103水质信息的第二水质检测模块204、用于调节第二支过滤管路103出水量的第二流量调节组件205、用于检测过滤子系统100的出水口处水质信息的第三水质检测模块206，所述的第一水质检测模块202、第二水质检测模块204、第三水质检测模块206、第一流量调节组件203及第二流量调节组件205分别与主控制器201连接，所述的第一水质检测模块202、第二水质检测模块204及第三水质检测模块206将检测到水质信息实时发送至主控制器201；当所述的主控制器201接收一设定出水水质信息的控制指令时，所述的主控制器201根据控制指令控制第一流量调节组件203及第二流量调节组件205的开度，调节出水量，所述的第三水质检测模块206对设定的出水水质信息进行反馈。

在本实施例中，所述的主过滤管路101上设有一超滤复合过滤器1011；所述的第一支过滤管路102上设有一微过滤器1021，所述的微过滤器1021靠近所述的过滤子系统100的进水口，一第一单向阀1022，设置在所述的第一水质检测模块202与第一流量调节组件203；所述的第二支过滤管路103上设有一反渗透过滤器1031，所述的反渗透过滤器1031靠近所述的过滤子系统100的进水口，一第二单向阀1032，设置在所述的第二水质检测模块204与第二流量调节组件205。

如图1所示，在本实施例中，较佳地，本发明还包含一与所述的近端控制终端通信连接的远程控制终端300，所述的远程控制终端300接收近端控制终端发送的水质信息，以及向所述的近端控制终端发送控制指令。

在实际应用中，所述的水质监测与调节系统为设置在净水设备上，通过超滤复合过滤器1011、微过滤器1021及反渗透过滤器1031实现多级过滤，主控制器201为STM32F030C8T6主控芯片。

在实际应用中，远程控制终端300可以包括：智能手机、平板电脑、台式电脑、笔记本电脑等；比如，本发明可以实现通过一智能手机对净水设备进行控制。

本发明的近端控制终端与远程控制终端300通信连接，可以包括有线方式或者无线方式，近端控制终端中设有相应的一通信单元，通信单元与主控制器201连接。有线方式比如处于互联网网络中的连接，通信单元为RJ45接口网卡适配器；无线通信方式，比如移动无线通信网络(GPRS网络、3G网络、4G网络，通信单元采用SIM800CGPRS模块)、WiFi网络(通信单元采用ESP8266WiFi模块)、蓝牙网络等，通信单元具备对应的通信功能。但是，无论是哪种通信方式，用户在通过远程控制终端300取得对净水设备的操作时必须具备相应的权限。远程控制终端300上包含一个人机交互的界面，人机交互的界面上显示有当前的水质信息及设置出水水质的按钮，远程控制终端300可以设定过滤子系统100的出水口的水为某个溶解性总固体值(TDS值)或酸碱度值(PH值)，主控制器201接收到设定的某个TDS值或PH值，会控制第一流量调节组件203及第二流量调节组件205的开度，来调节第一支过滤管路102及第二支过滤管路103的出水量，得到设定的TDS值或PH值的水，第三水质检测模块206对设定的出水水质信息进行反馈。

在实际应用中，比如近端控制终端与远程控制终端300仅采用无线方式，近端控制终端利用GPRS或WiFi信号与互联网进行通信，近端控制终端利用软件实现GPRS与WiFi之间智能切换，当WiFi信号比较好的时候都利用WiFi连接互联网，当WiFi信号比较弱时，自动切换到GPRS信号，因GPRS信号连接网络就是需要消耗流量，当WiFi信号恢复之后，又自动切换到WiFi连接互联网，这样能够保证整个方法的实时性，与稳定性，且具有一定的经济性。用户通过远程控制终端300连接上互联网，互联网上把水质信息下发到用户，用户可以实时看到水质信息。

在实际应用中，当设定的值一直无法达到，或者是第三水质检测模块206反馈的出水水质达不到预设值，可以通过提醒的方式告知用户进行更换等滤芯操作。

在本实施例中，第一水质检测模块202、第二水质检测模块204及第三水质检测模块206为相同的水质检测模块，其包含用于检测出水酸碱度值的pH检测单元208、用于检测出水溶解性总固体值的TDS检测单元210及用于检测出水水温的温度检测单元212，所述的pH检测单元208、TDS检测单元210及温度检测单元212分别与所述的主控制器201连接。因为TDS值及pH值会受到周围环境温度的影响，所以需要温度做一个补偿算法，这样才能得到精确的TDS值及PH值。

如图2所示，所述的pH检测单元208包含第一放大电路2081，与所述的第一放大电路2081的输入端连接的pH电极2082及参比电极2083，一与所述的第一放大电路2081输出端连接的pH值采样转换电路(用于将初始pH值的模/数转换)2084，所述的pH值采样转换电路2084的输出端连接所述的主控制器201。在本实施例中，pH电极2082与参比电极2083需要在较近距离安装，或者采用复合电极(集成pH电极和参比电极)，且pH电极和参比电极皆为食用级，通过主控制器201进行算法换算得到pH值，再配合温度检测单元212采集到的温度值，完成补偿算法，得到最终精准的pH值。

如图3所示，所述的TDS检测单元210包含TDS激励及转换电路2101，所述的TDS激励及转换电路2101的输入端连接主控制器201，接收主控制器201发送的TDS_DIR激励信号和TDS_PWM脉冲调制波信号，所述的TDS激励及转换电路2101的信号采集端分别连接第一TDS探针TDS_1和第二TDS探针TDS_2，所述的TDS激励及转换电路2101的输出端通过一第二放大器2102连接至主控制器201。现有技术中是利用正负电源，间隔一定时间分别给出脉冲信号，这样的实现方法电路简单，程序简单，但是大大影响了测量精度，因为两个端口给信号，是无法保证两个脉冲信号的一致性，最终还是容易产生极化现象以及电解反应。本发明利用一个电源交替给TDS探针激励的方法，来解决上述问题。TDS_PWM激励信号与TDS_DIR脉冲调制波信号是主控制器201提供的激励信号，TDS_PWM是PWM波(脉冲调制波)信号，提供电压幅值2.5V的电信号，给第一TDS探针TDS_1激励，从第二TDS探针TDS_2采集信号，通过程序定时器，每隔一段时间给一次TDS_DIR信号使TDS_PWM信号给第二TDS探针TDS_2激励，从第一TDS探针TDS_1采集信号，一直这样交替往复，可以减弱极化现象和电解现象，提高了测量的精准性。再将采集的信号经过第二放大器2102进行放大，最终通过主控制器201进行算法换算得到TDS值。再配合温度检测单元212采集到的温度值，完成补偿算法，得到最终精准的TDS值。

如图4所示，所述的温度检测单元212包含惠斯通电桥电路2121、第三放大电路2122及温度采样转换电路2123，所述的惠斯通电桥电路2121的信号采集端连接三根热敏电阻的电极(PT100_1、PT100_2、PT100_3)，所述的惠斯通电桥电路2121的输出端连接至第三放大电路2122的输入端，所述的第三放大电路2122的输出端连接至所述的温度采样转换电路((用于温度值的模/数转换))2123的输入端，所述的温度采样转换电路2123的输出端连接至主控制器201。主控制器201最终采集AD值，通过算法换算成具体温度值，可以精确到0.2摄氏度。为TDS检测与pH检测，提供了良好的基础，使得补偿算法更加精准。

在本实施例中，第一流量调节组件203及第二流量调节组件205为相同的流量调节组件，如图5所示，其包含电机(直流电机并配减速齿轮)2071、电动调节阀2072及一对无极电位器2073，所述的电机2071驱动电动调节阀2072转动，所述的一对无极电位器2073跟随所述的电机2071转动，所述的主控制器201通过一多圈角度定位电路2074连接至电机2071及一对无极电位器2073，所述的多圈角度定位电路2074用于向电机2071发送控制信号及采集电位器信号。

在实际应用中，当近端控制终端或者远程控制终端300设定一出水的TDS值或者PH值时，就可以通过算法，精确的算出每个电机需要转动多少角度，例如，当需要TDS值比较低的出水时，就将第二支过滤管路103的第二流量调节组件205的电动调节阀2072的开度调的大一些，将第一支过滤管路102的第一流量调节组件203的电动调节阀2072的开度调的小一些；相反，当需要TDS比较高的出水时，就将第二支过滤管路103的第二流量调节组件205的电动调节阀2072的开度调的小一些，将第一支过滤管路102的第一流量调节组件203的电动调节阀2072的开度调的大一些，同理进行pH值的设定。并且，电机(直流电机)具有扭矩大，转速快的优点，可以快速完成调节水质。并且将每次转动的角度存储到主控制器201的闪存上(内部FLASH)，这样在突然断电的情况下，等到再次上电时，可以知道电机已经转了多少角度，还有多少角度没有转，主控制器201再将剩下的角度信息输出给电机，使电机再转相应角度的自动复位功能，这样使得整个系统更加稳定，具有转动角度大，转速快，效率高，功耗低等优点。

传统的步进电机，具有转换效率低、转速低、成本高、无法获知已经转过的角度等缺点，所以本发明中放弃使用步进电机作为动力驱动电动调节阀。此外，舵机具有良好的扭矩与转速，但是其转向角度小(小于270度)，需要通过软件调节零点位置才能够安装使用等缺点，所以本发明也放弃使用舵机。为了解决上述问题，本发明采用多圈角度定位电路配合直流电机使用，可以将最小转角精确控制到0.01度，精确细致的角度控制能够保证最后出水的水质值与设定值在允许误差范围内，且误差会非常小。为了达到此目的，首先需要解决获知电机转动角度的问题，本发明中多圈角度定位电路中包含了电机控制信号与无极电位器信号读取电路，通过两个无极电位器跟随电机转动，读取电位器信号，来识别电机转动角度。一个无极电位器，有转动角度180度，与60度的死角的不足，再用另一个无极电位器配合使用，可以弥补上述不足。并且还可以通过算法能够算出电机转动的圈数，本发明中电机设计成能够转动0度到180度，能够满足大多数电动调节阀的需求。

在实际应用中，电动调节阀2072易出现卡死与损坏的问题，这样会使得电机2071转动堵死，从而烧毁电机2071。为了解决该问题，本发明中所述的流量调节组件还包含一电流检测电路2075，如图5所示，所述的主控制器201通过电流检测电路2075连接至电机2071，用于检测电机2071的电流。当电动调节阀2072卡死或损坏时，电流变大，当超过阈值后，会自动给电机2071断电，发出警报，并发送至远程控制终端300。

在实际应用中，净水设备周遭环境发送震动，会引起水流流速过大，电机2071会自己转动。为了解决这个问题，本发明流量调节组件还包含一自锁电机电路2076，如图5所示，所述的主控制器201通过自锁电机电路2076连接至电机2071，用于当电机2071完成转动角度后，切断电机2071驱动信号；较佳的，在本发明中，当完成转动角度后，利用继电器控制一个机械拨片卡住电机2071且切断直电机2071驱动信号，当要再次需要转动时，再用继电器将机械拨片移开，这样能够减少许多不必要的耗能，并且使得电机2071寿命增长。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种水质监测与调节系统，其特征在于，包含：

过滤子系统，所述的过滤子系统包含主过滤管路、第一支过滤管路及第二支过滤管路，所述的主过滤管路的进水端与市政水源通过管道连接，被配置为过滤子系统的进水口，所述的主过滤管路的出水端被分为两路分别连接第一支过滤管路的进水端及第二支过滤管路的进水端，所述的第一支过滤管路的出水端及第二支过滤管路的出水端合并后，被配置为过滤子系统的出水口；

近端控制终端，所述的近端控制终端包含一主控制器及与主控制器连接的一通信单元、用于检测第一支过滤管路水质信息的第一水质检测模块、用于调节第一支过滤管路出水量的第一流量调节组件、用于检测第二支过滤管路水质信息的第二水质检测模块、用于调节第二支过滤管路出水量的第二流量调节组件、用于检测过滤子系统的出水口处水质信息的第三水质检测模块，所述的第一水质检测模块、第二水质检测模块、第三水质检测模块、第一流量调节组件及第二流量调节组件分别与主控制器连接，所述的第一水质检测模块、第二水质检测模块及第三水质检测模块将检测到水质信息实时发送至主控制器；

当所述的主控制器接收一设定出水水质信息的控制指令时，所述的主控制器根据控制指令控制第一流量调节组件及第二流量调节组件的开度，调节出水量，所述的第三水质检测模块对设定的出水水质信息进行反馈。

2.如权利要求1所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的主过滤管路上设有一超滤复合过滤器；所述的第一支过滤管路上设有一微过滤器，靠近所述的过滤子系统的进水口；所述的第二支过滤管路上设有一反渗透过滤器，靠近所述的过滤子系统的进水口。

3.如权利要求1所述的水质监测与调节系统，其特征在于，进一步包含一与所述的近端控制终端通信连接的远程控制终端，所述的远程控制终端接收近端控制终端发送的水质信息，以及向所述的近端控制终端发送控制指令。

4.如权利要求1所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的水质检测模块包含用于检测出水酸碱度值的pH检测单元、用于检测出水溶解性总固体值的TDS检测单元及用于检测出水水温的温度检测单元，所述的pH检测单元、TDS检测单元及温度检测单元分别与所述的主控制器连接。

5.如权利要求4所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的pH检测单元包含第一放大电路，与所述的第一放大电路的输入端连接的pH电极及参比电极，一与所述的第一放大电路输出端连接的pH值采样转换电路，所述的pH值采样转换电路的输出端连接所述的主控制器。

6.如权利要求4所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的TDS检测单元包含TDS激励及转换电路，所述的TDS激励及转换电路的输入端连接主控制器，接收主控制器发送的TDS_DIR激励信号和TDS_PWM脉冲调制波信号，所述的TDS激励及转换电路的信号采集端分别连接第一TDS探针和第二TDS探针，所述的TDS激励及转换电路的输出端通过一第二放大器连接至主控制器。

7.如权利要求4所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的温度检测单元包含惠斯通电桥电路、第三放大电路及温度采样转换电路，所述的惠斯通电桥电路的信号采集端连接三根热敏电阻的电极，所述的惠斯通电桥电路的输出端连接至第三放大电路的输入端，所述的第三放大电路的输出端连接至所述的温度采样转换电路的输入端，所述的温度采样转换电路的输出端连接至主控制器。

8.如权利要求1所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的流量调节组件包含电机、电动调节阀及一对无极电位器，所述的电机驱动电动调节阀转动，所述的一对无极电位器跟随所述的电机转动，所述的主控制器通过一多圈角度定位电路连接至电机及一对无极电位器，所述的多圈角度定位电路用于向电机发送控制信号及采集电位器信号。

9.如权利要求8所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的流量调节组件还包含一电流检测电路，所述的主控制器通过电流检测电路连接至电机，用于检测电机的电流。

10.如权利要求8所述的水质监测与调节系统，其特征在于，所述的流量调节组件还包含一自锁电机电路，所述的主控制器通过自锁电机电路连接至电机，用于当电机完成转动角度后，切断电机驱动信号。