CN113589747A - 一种新型的水质在线监控设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的水质在线监控设备，包括主控制器、供电模块、RS‑485通信模块、PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块。主控制器负责采集水质的PH、ORP、电导率、温度的数字信号，负责测量电导率时激励外部阻抗的频率发生器的控制，负责与上位机进行数据和命令的交互与解析；PH信号采集模块、ORP和温度信号采集模块、电导率信号采集模块输出各参数对应的数字信号；RS‑485通信模块实现设备的通讯。将几种监控参数一体化，解决了PH、ORP、电导率之间的相互干扰问题；各个模块独立存在，数据之间隔离通讯，避免了外界环境的干扰，确保了各项数据的采集精度和设备的稳定性。

Description

一种新型的水质在线监控设备

技术领域

本发明属于水质在线监控设备，具体地说是一种实现对水质中的PH、ORP、电导率、温度进行在线实时监控的设备，

背景技术

随着经济的发展，水质污染的问题越发严重，各行各业都会面临水质相关问题，例如工业水系统在使用过程中会面临结垢、微生物和沉积等问题，造成水资源的极大浪费、设备损坏，最终导致水系统不能正常运行。为了对水质问题进行更好的监控，国家出台了多项政策，积极推动相关水质监控的实施。

PH、ORP、电导率、温度是水质领域常用的几种参数，广泛应用于工业、农业、食品、医疗、环保等领域。PH为溶液的酸碱度的指标，PH值对溶液的物理化学及生成物有很大的影响，PH已经成为水质领域不可缺少的忠言参数；ORP氧化还原电位就是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化还原性。这一指标虽然不能作为某种氧化物质与还原物质浓度的指标，但有助于了解水体的电化学特征，分析水体的性质；电导率是一个基本的电解质溶液的电化学参数，通过电导率来测量含水量、水质纯净度等。温度顾名思义是水质的温度。

目前，监测设备PH、ORP、电导率一体化后，存在数据之间的相互干扰问题，影响了各项数据的采集精度和设备的稳定性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种新型的水质在线监控设备，包括主控制器、供电模块、RS-485通信模块、PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块；上述所有器件和模块的结构及相互之间的连接关系如下：

所述主控制器用于采集经过模数转换后的水质的PH、ORP、电导率、温度的数字信号，负责测量电导率时激励外部阻抗的频率发生器的控制，负责与上位机进行数据和命令的交互与解析；所述RS-485通信模块采用RS-485标准接口的串口通信，用于与上位机进行数据和命令的交互，从而将采集数据传输到接收端；

所述PH信号采集模块包括PH电极探头和PH信号采集电路；所述PH信号采集电路包括放大电路A、基准电压电路A、电压抬升电路A、一阶低通滤波电路A、模数转换采样电路A、信号隔离电路A、电源隔离电路A和线性稳压电路A；所述PH电极探头输出电压信号，经过放大电路A将信号放大，放大电路A的输出信号和基准电压电路A输出的基准电压，经过电压抬升电路A将负电压转换成正电压，再依次经过一阶低通滤波电路A和模数转换采样电路A进行滤波和模数转换采样电路，从而输出与PH对应的数字信号；

所述ORP和温度信号采集模块包括ORP电极探头、温度传感器和ORP和温度信号采集电路；所述ORP和温度信号采集电路包括放大电路B、基准电压电路B、电压抬升电路B、一阶低通滤波电路B、模数转换采样电路B、信号隔离电路B、电源隔离电路B、线性稳压电路B和分压电路；所述ORP电极探头输出电压信号，经过放大电路B将信号放大，放大电路B的输出信号和基准电压电路B输出的基准电压，所述电压抬升电路B将负电压转换成正电压，再依次经过一阶低通滤波电路B和模数转换采样电路B进行滤波和模数转换后输出与ORP对应的数字信号；所述温度传感器为热敏电阻，所述热敏电阻与一个普通薄膜电阻进行串联组成分压电路，该分压电路采用5V供电；所述模数转换采样电路B采集所述热敏电阻的分压电压值，通过电压值计算出所述热敏电阻对应的电阻阻值，通过温度阻值对照表，换算出对应的温度；

所述电导率信号采集模块包括电导率电极探头、频率发生器、电压跟随器和电导率信号采集电路；所述电导率信号采集电路包括高通滤波电路、IV转换电路、放大电路C、模数转换采集电路C；信号隔离电路C、电源隔离电路C和线性稳压电路C；

所述主控制器控制所述的频率发生器发出交流信号，该交流信号经过所述高通滤波电路并重新偏压，之后利用所述超低阻抗的运算放大器做电压跟随器进行缓冲，所述电压跟随器输出的信号作用于所述电导率电极探头，所述电导率电极探头输出的电流信号，经过所述IV转换电路和放大电路C后，进入所述模数转换采集电路C，从而输出与电导率对应的数字信号；

所述供电模块包括与供电电源相连的电源隔离电路D，所述供电模块为系统供电，并分别连接至电源隔离电路A、电源隔离电路B和电源隔离电路C，并分别通过线性稳压电路A、线性稳压电路B和线性稳压电路C为所述的PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块提供稳定的电压；

所述RS-485通信模块包括与485通信电路相连的电源隔离电路E和信号隔离电路E；

所述的信号隔离电路A、信号隔离电路B、信号隔离电路C、信号隔离电路E、电源隔离电路D和电源隔离电路E均与所述的主控制器相连。

进一步讲，本发明所述的水质在线监控设备，其中：

所述信号隔离电路A、信号隔离电路B和信号隔离电路C均分别通过IIC总线与所述的主控制器相连；所述485通信电路通过USART总线与所述的电源隔离电路E和信号隔离电路E连接。

所述的主控制器采用STM32F103C8T6芯片；所述STM32F103C8T6芯片连接有5个外围滤波电容，分别记为C20、C21、C22、C23、C24；所述的C20、C21、C22、C23、C245分别与所述STM32F103C8T6芯片的3.3V和GND相连；所述STM32F103C8T6芯片的OSC_IN引脚和OSC_OUT引脚之间连接有晶振Y1、且所述的OSC_IN引脚通过电容C10接地，所述的OSC_OUT引脚通过电容C15接地；所述STM32F103C8T6芯片的BOOT0引脚通过电阻R5后接地，BOOT1引脚通过电阻R6后接地。

所述供电模块中，所述电源隔离电路D采用隔离稳压DC-DC模块，所述隔离稳压DC-DC模块采用URB2405S-6WR3芯片，该芯片为隔离稳压DC-DC单端输出，输入滤波电容Cin与隔离稳压DC-DC的Vin和GND相连；输出滤波电容Cout与隔离稳压DC-DC的+Vo和0V相连。

所述485通信电路包括隔离RS-485收发器，所述隔离RS-485收发器是ADM2682EBRIZ芯片；所述的电源隔离电路E和信号隔离电路E集成在所述ADM2682EBRIZ芯片内部；所述ADM2682EBRIZ芯片连接有8个滤波电容和上下拉电阻，所述ADM2682EBRIZ芯片的3引脚RxD连接至所述主控制器的31引脚USART1_RX；所述ADM2682EBRIZ芯片的6引脚TxD连接至所述主控制器的30引脚USART1_TX；所述ADM2682EBRIZ芯片的4、5引脚RE/DE为控制脚，连接至所述主控制器的32引脚。

所述PH信号采集电路中，所述放大电路A包括前级运算放大器和两个精密运算放大器；所述前级放大器选用高阻抗的运放U1，所述的运放U1采用CA3140AE芯片，两个精密运算放大器分别是精密运算放大器U3和U5、均采用OP07CS芯片；所述基准电压电路A选用基准电压源U6，所述基准电压源U6采用ADR5040BRTZ芯片；所述模数转换采样电路A选用模数转换器U7，所述模数转换器U7采用ADS1115IDGSR芯片，所述信号隔离电路A选用IIC隔离器U8，所述IIC隔离器U8采用ADuM1250ARZ芯片；所述电源隔离电路A采用采用隔离稳压DC-DC模块U20，所述隔离稳压DC-DC模块U20采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路A采用线性稳压模块U19，所述线性稳压模块U19采用ADP7104ARDZ-5.0芯片；当PH值小于7时，所述的运放U1输出为正电压，当PH值大于7时，所述的运放U1输出为负电压；所述的运放U1的1脚和5脚之间设有由电阻R3和电阻R4构成的调零电路，通过该调零电路来调节输入信号为零时的电路输出；电阻R2的一端和电阻R1的一端串联，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的另一端连接至所述运放U1的6引脚OUT，所述电阻R2和电阻R1相连接的引脚连接至所述运放U1的2引脚-IN，通过调整电阻R2和电阻R1阻值的比例关系，来改变该运放U1的放大倍数；经过所述运放U1放大后的信号，经过精密运算放大器U5和与其连接的5个外围电阻组成的电压抬升电路A，通过同向求和的方法，将负电压转换成正电压，由电阻R9和基准电压源U6为所述电压抬升电路A提供基准电压；经过所述电压抬升电路A后的信号，经过精密运算放大器U3和其外围阻容电路组成的一阶低通滤波电路A进行滤波，滤波后的信号接入串行IIC通讯接口的模数转换器U7，所述的IIC隔离器U8的2引脚SDA1连接至主控制器的43引脚IIC1_SDA，所述IIC隔离器U8的3引脚SCL1连接至所述主控制器的42引脚IIC1_SCL；通过IIC隔离器U8与主控制器进行通讯，主控制器进行数据分析处理。

所述的ORP和温度信号采集电路中，所述放大电路B包括前级运算放大电路和两个精密运算放大器，所述前级运算放大电路是高阻抗的运放U9，所述的运放U9是是CA3140AE芯片；两个精密运算放大器分别是精密运算放大器U11和精密运算放大器U10，所述精密运算放大器U11和精密运算放大器U10均为OP07CS芯片；所述基准电压电路B选用基准电压源U12，所述基准电压源U12采用ADR5040BRTZ芯片；所述模数转换采样电路B选用模数转换器U13，所述模数转换器U13采用ADS1115IDGSR芯片，所述信号隔离电路B选用IIC隔离器U14，所述IIC隔离器U14采用ADuM1250ARZ芯片；所述热敏电阻采用NTC热敏电阻；所述电源隔离电路B采用采用隔离稳压DC-DC模块U21，所述隔离稳压DC-DC模块U21采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路B采用线性稳压模块U22，所述线性稳压模块U22采用ADP7104ARDZ-5.0芯片；所述的运放U9的1脚和5脚之间设有由电阻R26和电阻R27构成的调零电路，通过该调零电路来调节输入信号为零时的电路输出，电阻R25的一端和电阻R24的一端串联，所述电阻R24的另一端接地，所述电阻R25的另一端连接至所述运放U9的6引脚OUT，所述电阻R25和电阻R24相连接的引脚连接至所述运放U9的2引脚-IN，通过调整电阻R25和电阻R24阻值的比例关系来改变该运放U9的放大倍数；经过所述运放U9放大后的信号，经过精密运算放大器U11和与其连接的5个外围电阻组成的电压抬升电路B，通过同向求和的方法，将负电压转换成正电压，由电阻R37和基准电压源U12为所述电压抬升电路B提供基准电压；经过所述电压抬升电路B后的信号，经过精密运算放大器U10和其外围阻容电路组成的一阶低通滤波电路B进行滤波，滤波后的信号接入串行IIC通讯接口的模数转换器U13；采用NTC热敏电阻进行温度采集，热敏电阻的分压信号通过分压电路接入模数转换器U13，所述IIC隔离器U14的2引脚SDA1连接至所述主控制器U2的22引脚IIC2_SDA，所述IIC隔离器U14的3引脚SCL1连接至所述主控制器U2的21引脚IIC2_SCL，通过IIC隔离器U14与主控制器进行通讯，所述主控制器进行数据分析处理。

所述的电导率信号采集模块中，所述频率发生器选用阻抗测量芯片U17内部集成的频率发生器，所述阻抗测量芯片U17采用AD5933YRSZ芯片；所述放大电路C包括超低阻抗的运算放大器U18和精密运算放大器U16，所述超低阻抗的运算放大器U18采用AD820AR芯片，所述精密运算放大器U16采用AD8603AUJ-R2芯片，所述的模数转换采集电路集成在所述阻抗测量芯片U17内部；所述信号隔离电路C选用IIC隔离器U15，所述IIC隔离器U15采用ADuM1250ARZ芯片；所述电源隔离电路C采用采用隔离稳压DC-DC模块U23，所述隔离稳压DC-DC模块U23采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路C采用线性稳压模块U24，所述线性稳压模块U24采用ADP7104ARDZ-5.0芯片；所述频率发生器发出交流信号来激励水质阻抗，交流信号经过设置在所述阻抗测量芯片U17与所述超低阻抗的运算放大器U18之间的两个电容组成的所述高通滤波电路进行滤波，并通过与所述的超低阻抗的运算放大器U18相连的2个外围电阻进行重新偏压，之后利用所述的超低阻抗的运算放大器U18做电压跟随器进行缓冲，所述电压跟随器的输出信号作用于所述的电导率电极探头，所述电导率电极探头输出的电流信号，经过所述的精密运算放大器U16和其外围阻容组成的所述I-V转换电路，进行I-V转换，经过所述放大电路C后，进入阻抗测量芯片U17内部集成的模数转换采集电路C，所述的模数转换采集电路C输出电导率对应的数字信号；所述的IIC隔离器U15的2引脚SDA1连接至所述的主控制器的22引脚IIC2_SDA，所述的IIC隔离器U15的3引脚SCL1连接至所述的主控制器的21引脚IIC2_SCL，通过所述的IIC隔离器U15与主控制器进行通讯，主控制器进行数据分析处理。

所述的B0505S-1WR3芯片为隔离稳压DC-DC单端输出，输入滤波电容Cin与隔离稳压DC-DC的Vin和GND相连；输出滤波电容与隔离稳压DC-DC的+Vo和0V相连；所述的ADP7104ARDZ-5.0芯片为低噪声、LDO微功率稳压器，输出滤波电容与线性稳压器的Vout和GND相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可对水质中的PH、ORP、电导率、温度进行在线实时监控。与现有技术相比，该设备集成PH、ORP、电导率、温度几种监控参数一体化，并且有效地解决了PH、ORP、电导率之间的相互干扰问题，各个模块独立存在，数据之间隔离通讯，有效的避免了外界环境的干扰，而且同时确保了各项数据的采集精度和设备的稳定性。

附图说明

图1是本发明水质在线监控设备的系统构成示意图；

图2是本发明监测设备中供电模块的电路图；

图3是本发明监测设备中主控制器电路图；

图4是本发明监测设备中RS-485通信模块的电路图；

图5是本发明监测设备中PH信号采集模块的电路图；

图6是本发明监测设备中ORP和温度信号采集模块的电路图；

图7是本发明监测设备中电导率信号采集模块的电路图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明提出的一种新型的水质在线监控设备，包括主控制器、供电模块、RS-485通信模块、PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块，各个模块之间隔离通讯。

所述主控制器用于采集经过模数转换后的水质的PH、ORP、电导率、温度的数字信号，负责测量电导率时激励外部阻抗的频率发生器的控制，负责与上位机进行数据和命令的交互与解析。

所述RS-485通信模块采用RS-485标准接口的串口通信，目的是用于与上位机进行数据和命令的交互，从而有效的将采集数据传输到接收端。

所述PH信号采集模块包括PH电极探头和PH信号采集电路；所述PH信号采集电路包括放大电路A、基准电压电路A、电压抬升电路A、一阶低通滤波电路A、模数转换采样电路A、信号隔离电路A、电源隔离电路A和线性稳压电路A；所述PH电极探头输出电压信号，经过放大电路A将信号放大，放大电路A的输出信号和基准电压电路A输出的基准电压，经过电压抬升电路A将负电压转换成正电压，再依次经过一阶低通滤波电路A和模数转换采样电路A进行滤波和模数转换采样电路，从而输出与PH对应的数字信号。

所述ORP和温度信号采集模块包括ORP电极探头、温度传感器和ORP和温度信号采集电路；所述ORP和温度信号采集电路包括放大电路B、基准电压电路B、电压抬升电路B、一阶低通滤波电路B、模数转换采样电路B、信号隔离电路B、电源隔离电路B、线性稳压电路B和分压电路；所述ORP电极探头输出电压信号，经过放大电路B将信号放大，放大电路B的输出信号和基准电压电路B输出的基准电压，所述电压抬升电路B将负电压转换成正电压，再依次经过一阶低通滤波电路B和模数转换采样电路B进行滤波和模数转换后输出与ORP对应的数字信号；所述温度传感器为热敏电阻，所述热敏电阻与一个普通薄膜电阻进行串联组成分压电路，该分压电路采用5V供电；所述模数转换采样电路B采集所述热敏电阻的分压电压值，通过电压值计算出所述热敏电阻对应的电阻阻值，通过温度阻值对照表，换算出对应的温度。

所述电导率信号采集模块包括电导率电极探头、频率发生器、电压跟随器和电导率信号采集电路；所述电导率信号采集电路包括高通滤波电路、IV转换电路、放大电路C、模数转换采集电路C；信号隔离电路C、电源隔离电路C和线性稳压电路C。

所述主控制器控制所述的频率发生器发出交流信号，该交流信号经过所述高通滤波电路并重新偏压，之后利用所述超低阻抗的运算放大器做电压跟随器进行缓冲，所述电压跟随器输出的信号作用于所述电导率电极探头，所述电导率电极探头输出的电流信号，经过所述IV转换电路和放大电路C后，进入所述模数转换采集电路C，从而输出与电导率对应的数字信号。

所述供电模块包括与供电电源相连的电源隔离电路D，所述供电模块为系统供电，并分别连接至电源隔离电路A、电源隔离电路B和电源隔离电路C，并分别通过线性稳压电路A、线性稳压电路B和线性稳压电路C为所述的PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块提供稳定的电压。

本发明中，所述的信号隔离电路A、信号隔离电路B、信号隔离电路C、信号隔离电路E、电源隔离电路D和电源隔离电路E均与所述的主控制器相连；所述信号隔离电路A、信号隔离电路B和信号隔离电路C均分别通过IIC总线与所述的主控制器相连；所述485通信电路通过USART总线与所述的电源隔离电路E和信号隔离电路E连接。

如图2所示，所述供电模块中，所述供电模块隔离DC-DC，为整个系统提供电源。所述供电模块中的所述电源隔离电路D采用隔离稳压DC-DC模块，所述隔离稳压DC-DC模块采用URB2405S-6WR3芯片，该芯片为隔离稳压DC-DC单端输出，输入滤波电容Cin与隔离稳压DC-DC的Vin和GND相连；输出滤波电容Cout与隔离稳压DC-DC的+Vo和0V相连。

如图3所示，本发明中的主控制器模块的主控制器U2作为系统的核心控制器，其采用STM32F103C8T6芯片；所述STM32F103C8T6芯片连接有5个外围滤波电容，分别记为C20、C21、C22、C23、C24；所述的C20、C21、C22、C23、C245分别与所述STM32F103C8T6芯片的3.3V和GND相连；所述STM32F103C8T6芯片的OSC_IN引脚和OSC_OUT引脚之间连接有晶振Y1、且所述的OSC_IN引脚通过电容C10接地，所述的OSC_OUT引脚通过电容C15接地；所述STM32F103C8T6芯片的BOOT0引脚通过电阻R5后接地，BOOT1引脚通过电阻R6后接地，电阻R5、R6为主控制器工作模式选通电阻。

如图4所示，所述RS-485通信模块包括与485通信电路相连的电源隔离电路E和信号隔离电路E。所述485通信电路包括隔离RS-485收发器，所述隔离RS-485收发器是ADM2682EBRIZ芯片；所述的电源隔离电路E和信号隔离电路E集成在所述ADM2682EBRIZ芯片内部；所述ADM2682EBRIZ芯片连接有8个滤波电容(电容C11、C12、C13、C14、C16、C17、C18、C19)和上下拉电阻R8、R9，所述ADM2682EBRIZ芯片的3引脚RxD连接至所述主控制器的31引脚USART1_RX；所述ADM2682EBRIZ芯片的6引脚TxD连接至所述主控制器的30引脚USART1_TX；所述ADM2682EBRIZ芯片的4、5引脚RE/DE为控制脚，连接至所述主控制器的32引脚。

如图5所示，所述PH信号采集模块的PH信号采集电路中，所述放大电路A包括前级运算放大器和两个精密运算放大器；所述前级放大器选用高阻抗的运放U1，所述的运放U1采用CA3140AE芯片，两个精密运算放大器分别是精密运算放大器U3和U5、均采用OP07CS芯片。

所述基准电压电路A选用基准电压源U6，所述基准电压源U6采用ADR5040BRTZ芯片；所述模数转换采样电路A选用模数转换器U7，所述模数转换器U7采用ADS1115IDGSR芯片，所述信号隔离电路A选用IIC隔离器U8，所述IIC隔离器U8采用ADuM1250ARZ芯片；所述电源隔离电路A采用采用隔离稳压DC-DC模块U20，所述隔离稳压DC-DC模块U20采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路A采用线性稳压模块U19，所述线性稳压模块U19采用ADP7104ARDZ-5.0芯片。

隔离稳压DC-DC模块U20与电压输入滤波电容C30、C32，和电压输出滤波电容C31、C33组成电源隔离电路A，为PH信号采集模块提供隔离供电。线性稳压模块U19与控制电源通断电阻R56，和电压输出滤波电容C28、C29，组成线性稳压电路A，为PH信号采集模块提供稳定的低噪声的线性电压。PH电极探头实际就是一个高阻抗毫伏计，由于PH电极的阻抗特别大，所以电路设计上PH信号检测电路的前级运算放大电路选用高阻抗的运放U1。由于测量PH值得不同，PH电极输出电压有正有负。

当PH值小于7时，所述的运放U1输出为正电压，当PH值大于7时，所述的运放U1输出为负电压；所述的运放U1的1脚和5脚之间设有由电阻R3和电阻R4构成的调零电路，通过该调零电路来调节输入信号为零时的电路输出；电阻R2的一端和电阻R1的一端串联，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的另一端连接至所述运放U1的6引脚OUT，所述电阻R2和电阻R1相连接的引脚连接至所述运放U1的2引脚-IN，通过调整电阻R2和电阻R1阻值的比例关系，来改变该运放U1的放大倍数；由于选用的模数转换芯片U7不能采集负电压，所以，经过所述运放U1放大后的信号，需要经过精密运算放大器U5和与其连接的5个外围电阻(电阻R11、R13、R16、R17、R18)组成的电压抬升电路A，通过同向求和的方法，将负电压转换成正电压，由电阻R9和基准电压源U6为所述电压抬升电路A提供基准电压。经过所述电压抬升电路A后的信号，经过精密运算放大器U3和其外围阻容(三个电阻R10、R12、R15和一个电容C1)电路组成的一阶低通滤波电路A进行滤波，滤波后的信号接入串行IIC通讯接口的模数转换器U7，所述的IIC隔离器U8的2引脚SDA1连接至主控制器的43引脚IIC1_SDA，所述IIC隔离器U8的3引脚SCL1连接至所述主控制器U2的42引脚IIC1_SCL；通过IIC隔离器U8与主控制器进行通讯，主控制器进行数据分析处理。

如图6所示，所述ORP和温度信号采集模块的所述的ORP和温度信号采集电路中，所述放大电路B包括前级运算放大电路和两个精密运算放大器，所述前级运算放大电路是高阻抗的运放U9，所述的运放U9是是CA3140AE芯片；两个精密运算放大器分别是精密运算放大器U11和精密运算放大器U10，所述精密运算放大器U11和精密运算放大器U10均为OP07CS芯片；所述基准电压电路B选用基准电压源U12，所述基准电压源U12采用ADR5040BRTZ芯片；所述模数转换采样电路B选用模数转换器U13，所述模数转换器U13采用ADS1115IDGSR芯片，所述信号隔离电路B选用IIC隔离器U14，所述IIC隔离器U14采用ADuM1250ARZ芯片；所述热敏电阻采用NTC热敏电阻。

所述电源隔离电路B采用采用隔离稳压DC-DC模块U21，所述隔离稳压DC-DC模块U21采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路B采用线性稳压模块U22，所述线性稳压模块U22采用ADP7104ARDZ-5.0芯片。

隔离稳压DC-DC模块U21与电压输入滤波电容C35、C37，和电压输出滤波电容C36、C38组成电源隔离电路B，为ORP和温度信号采集模块提供隔离供电。线性稳压模块U22与控制电源通断电阻R57，和电压输出滤波电容C34、C39，组成线性稳压电路B，为ORP和温度信号采集模块提供稳定的低噪声的线性电压。ORP电极探头实际就是一个高阻抗毫伏计，由于ORP电极的阻抗特别大，所以电路设计上ORP信号检测电路的前级运算放大电路选用高阻抗的运放U9。由于PH电极输出电压有正有负，所以运放U9的1脚和5脚之间加入了调零电路，电阻R25的一端和电阻R24的一端串联，所述电阻R24的另一端接地，所述电阻R25的另一端连接至所述运放U9的6引脚OUT，所述电阻R25和电阻R24相连接的引脚连接至所述运放U9的2引脚-IN，通过调整电阻R25和电阻R24阻值的比例关系来改变该运放U9的放大倍数。由于选用的模数转换芯片U13不能采集负电压，所以，经过所述运放U9放大后的信号，经过精密运算放大器U11和与其连接的5个外围电阻(电阻R29、R31、R34、R35、R36)组成的电压抬升电路B，通过同向求和的方法，将负电压转换成正电压，由电阻R37和基准电压源U12为所述电压抬升电路B提供基准电压；经过所述电压抬升电路B后的信号，经过精密运算放大器U10和其外围阻容(三个电阻R28、R30、R33和一个电容C3)电路组成的一阶低通滤波电路B进行滤波，滤波后的信号接入串行IIC通讯接口的模数转换器U13；采用NTC热敏电阻进行温度采集，热敏电阻的分压信号通过分压电路接入模数转换器U13，所述IIC隔离器U14的2引脚SDA1连接至所述主控制器U2的22引脚IIC2_SDA，所述IIC隔离器U14的3引脚SCL1连接至所述主控制器U2的21引脚IIC2_SCL，通过IIC隔离器U14与主控制器进行通讯，所述主控制器进行数据分析处理。

如图7所示，所述的电导率信号采集模块中，所述频率发生器选用阻抗测量芯片U17内部集成的频率发生器，所述阻抗测量芯片U17采用AD5933YRSZ芯片；所述放大电路C包括超低阻抗的运算放大器U18和精密运算放大器U16，所述超低阻抗的运算放大器U18采用AD820AR芯片，所述精密运算放大器U16采用AD8603AUJ-R2芯片，所述的模数转换采集电路集成在所述阻抗测量芯片U17内部；所述信号隔离电路C选用IIC隔离器U15，所述IIC隔离器U15采用ADuM1250ARZ芯片；所述电源隔离电路C采用采用隔离稳压DC-DC模块U23，所述隔离稳压DC-DC模块U23采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路C采用线性稳压模块U24，所述线性稳压模块U24采用ADP7104ARDZ-5.0芯片。

隔离稳压DC-DC模块U23与电压输入滤波电容C41、C43，和电压输出滤波电容C42、C44组成电源隔离电路C，为电导率信号采集模块提供隔离供电。线性稳压模块U24与控制电源通断电阻R58，和电压输出滤波电容C40、C45，组成线性稳压电路C，为电导率信号采集模块提供稳定的低噪声的线性电压。测量水质电导率，采用阻抗测量芯片U17内部集成的频率发生器发出交流信号来激励水质阻抗，并选择合适的激励频率。交流信号经过C9和C25组成的高通滤波电路进行滤波，并通过R53和R55进行重新偏压，之后利用超低阻抗的运算放大器U18做电压跟随器进行缓冲，所述电压跟随器的输出信号作用于电导率电极探头，所述电导率电极探头输出的电流信号，经过精密运算放大器U16和其外围阻容组成的I-V转换电路，进行I-V转换，经过所述放大电路C后，进入阻抗测量芯片U17内部集成的模数转换采集电路C，所述的模数转换采集电路C输出电导率对应的数字信号。通过IIC隔离器U15与主控制器进行通讯，主控制器进行数据分析处理。IIC隔离器U15的2引脚SDA1连接主控制器U2的22引脚IIC2_SDA，IIC隔离器U15的3引脚SCL1连接主控制器U2的21引脚IIC2_SCL。

如图5、图6和图7所示，本发明中，所述的B0505S-1WR3芯片为隔离稳压DC-DC单端输出，输入滤波电容Cin与隔离稳压DC-DC的Vin和GND相连；输出滤波电容与隔离稳压DC-DC的+Vo和0V相连；所述的ADP7104ARDZ-5.0芯片为低噪声、LDO微功率稳压器，输出滤波电容与线性稳压器的Vout和GND相连。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种新型的水质在线监控设备，包括主控制器、供电模块、RS-485通信模块、PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块；其特征在于：

所述主控制器用于采集经过模数转换后的水质的PH、ORP、电导率、温度的数字信号，负责测试电导率的频率发生器的控制，负责与上位机进行数据和命令的交互与解析；所述RS-485通信模块采用RS-485标准接口的串口通信，用于与上位机进行数据和命令的交互，从而将采集数据传输到接收端；

所述PH信号采集模块包括PH电极探头和PH信号采集电路；所述PH信号采集电路包括放大电路A、基准电压电路A、电压抬升电路A、一阶低通滤波电路A、模数转换采样电路A、信号隔离电路A、电源隔离电路A和线性稳压电路A；所述PH电极探头输出电压信号，经过放大电路A将信号放大，放大电路A的输出信号和基准电压电路A输出的基准电压，经过电压抬升电路A将负电压转换成正电压，再依次经过一阶低通滤波电路A和模数转换采样电路A进行滤波和模数转换采样电路，从而输出与PH对应的数字信号；

所述ORP和温度信号采集模块包括ORP电极探头、温度传感器和ORP和温度信号采集电路；所述ORP和温度信号采集电路包括放大电路B、基准电压电路B、电压抬升电路B、一阶低通滤波电路B、模数转换采样电路B、信号隔离电路B、电源隔离电路B、线性稳压电路B和分压电路；所述ORP电极探头输出电压信号，经过放大电路B将信号放大，放大电路B的输出信号和基准电压电路B输出的基准电压，所述电压抬升电路B将负电压转换成正电压，再依次经过一阶低通滤波电路B和模数转换采样电路B进行滤波和模数转换后输出与ORP对应的数字信号；所述温度传感器为热敏电阻，所述热敏电阻与一个普通薄膜电阻进行串联组成分压电路，该分压电路采用5V供电；所述模数转换采样电路B采集所述热敏电阻的分压电压值，通过电压值计算出所述热敏电阻对应的电阻阻值，通过温度阻值对照表，换算出对应的温度；

所述电导率信号采集模块包括电导率电极探头、频率发生器、电压跟随器和电导率信号采集电路；所述电导率信号采集电路包括高通滤波电路、IV转换电路、放大电路C、模数转换采集电路C；信号隔离电路C、电源隔离电路C和线性稳压电路C；

所述主控制器控制所述的频率发生器发出交流信号，该交流信号经过所述高通滤波电路并重新偏压，之后利用所述超低阻抗的运算放大器做电压跟随器进行缓冲，所述电压跟随器输出的信号作用于所述电导率电极探头，所述电导率电极探头输出的电流信号，经过所述IV转换电路和放大电路C后，进入所述模数转换采集电路C，从而输出与电导率对应的数字信号；

所述供电模块包括与供电电源相连的电源隔离电路D，所述供电模块为系统供电，并分别连接至电源隔离电路A、电源隔离电路B和电源隔离电路C，并分别通过线性稳压电路A、线性稳压电路B和线性稳压电路C为所述的PH信号采集模块、电导率信号采集模块及ORP和温度信号采集模块提供稳定的电压；

所述RS-485通信模块包括与485通信电路相连的电源隔离电路E和信号隔离电路E；

所述的信号隔离电路A、信号隔离电路B、信号隔离电路C、信号隔离电路E、电源隔离电路D和电源隔离电路E均与所述的主控制器相连。

2.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述信号隔离电路A、信号隔离电路B和信号隔离电路C均分别通过IIC总线与所述的主控制器相连；所述485通信电路通过USART总线与所述的电源隔离电路E和信号隔离电路E连接。

3.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述的主控制器采用STM32F103C8T6芯片；

所述STM32F103C8T6芯片连接有5个外围滤波电容，分别记为C20、C21、C22、C23、C24；所述的C20、C21、C22、C23、C245分别与所述STM32F103C8T6芯片的3.3V和GND相连；

所述STM32F103C8T6芯片的OSC_IN引脚和OSC_OUT引脚之间连接有晶振Y1、且所述的OSC_IN引脚通过电容C10接地，所述的OSC_OUT引脚通过电容C15接地；

所述STM32F103C8T6芯片的BOOT0引脚通过电阻R5后接地，BOOT1引脚通过电阻R6后接地。

4.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述供电模块中，所述电源隔离电路D采用隔离稳压DC-DC模块，所述隔离稳压DC-DC模块采用URB2405S-6WR3芯片，该芯片为隔离稳压DC-DC单端输出，输入滤波电容Cin与隔离稳压DC-DC的Vin和GND相连；输出滤波电容Cout与隔离稳压DC-DC的+Vo和0V相连。

5.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述485通信电路包括隔离RS-485收发器，所述隔离RS-485收发器是ADM2682EBRIZ芯片；所述的电源隔离电路E和信号隔离电路E集成在所述ADM2682EBRIZ芯片内部；所述ADM2682EBRIZ芯片连接有8个滤波电容和上下拉电阻，所述ADM2682EBRIZ芯片的3引脚RxD连接至所述主控制器的31引脚USART1_RX；所述ADM2682EBRIZ芯片的6引脚TxD连接至所述主控制器的30引脚USART1_TX；所述ADM2682EBRIZ芯片的4、5引脚RE/DE为控制脚，连接至所述主控制器的32引脚。

6.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述PH信号采集电路中，

所述放大电路A包括前级运算放大器和两个精密运算放大器；所述前级放大器选用高阻抗的运放U1，所述的运放U1采用CA3140AE芯片，两个精密运算放大器分别是精密运算放大器U3和U5、均采用OP07CS芯片；

所述基准电压电路A选用基准电压源U6，所述基准电压源U6采用ADR5040BRTZ芯片；所述模数转换采样电路A选用模数转换器U7，所述模数转换器U7采用ADS1115IDGSR芯片，所述信号隔离电路A选用IIC隔离器U8，所述IIC隔离器U8采用ADuM1250ARZ芯片；所述电源隔离电路A采用采用隔离稳压DC-DC模块U20，所述隔离稳压DC-DC模块U20采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路A采用线性稳压模块U19，所述线性稳压模块U19采用ADP7104ARDZ-5.0芯片；

当PH值小于7时，所述的运放U1输出为正电压，当PH值大于7时，所述的运放U1输出为负电压；所述的运放U1的1脚和5脚之间设有由电阻R3和电阻R4构成的调零电路，通过该调零电路来调节输入信号为零时的电路输出；电阻R2的一端和电阻R1的一端串联，所述电阻R1的另一端接地，所述电阻R2的另一端连接至所述运放U1的6引脚OUT，所述电阻R2和电阻R1相连接的引脚连接至所述运放U1的2引脚-IN，通过调整电阻R2和电阻R1阻值的比例关系，来改变该运放U1的放大倍数；经过所述运放U1放大后的信号，经过精密运算放大器U5和与其连接的5个外围电阻组成的电压抬升电路A，通过同向求和的方法，将负电压转换成正电压，由电阻R9和基准电压源U6为所述电压抬升电路A提供基准电压；经过所述电压抬升电路A后的信号，经过精密运算放大器U3和其外围阻容电路组成的一阶低通滤波电路A进行滤波，滤波后的信号接入串行IIC通讯接口的模数转换器U7，所述的IIC隔离器U8的2引脚SDA1连接至主控制器U2的43引脚IIC1_SDA，所述IIC隔离器U8的3引脚SCL1连接至所述主控制器U2的42引脚IIC1_SCL；通过IIC隔离器U8与主控制器进行通讯，主控制器进行数据分析处理。

7.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述的ORP和温度信号采集电路中，

所述放大电路B包括前级运算放大电路和两个精密运算放大器，所述前级运算放大电路是高阻抗的运放U9，所述的运放U9是是CA3140AE芯片；两个精密运算放大器分别是精密运算放大器U11和精密运算放大器U10，所述精密运算放大器U11和精密运算放大器U10均为OP07CS芯片；所述基准电压电路B选用基准电压源U12，所述基准电压源U12采用ADR5040BRTZ芯片；所述模数转换采样电路B选用模数转换器U13，所述模数转换器U13采用ADS1115IDGSR芯片，所述信号隔离电路B选用IIC隔离器U14，所述IIC隔离器U14采用ADuM1250ARZ芯片；所述热敏电阻采用NTC热敏电阻；

所述电源隔离电路B采用采用隔离稳压DC-DC模块U21，所述隔离稳压DC-DC模块U21采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路B采用线性稳压模块U22，所述线性稳压模块U22采用ADP7104ARDZ-5.0芯片；

所述的运放U9的1脚和5脚之间设有由电阻R26和电阻R27构成的调零电路，通过该调零电路来调节输入信号为零时的电路输出，电阻R25的一端和电阻R24的一端串联，所述电阻R24的另一端接地，所述电阻R25的另一端连接至所述运放U9的6引脚OUT，所述电阻R25和电阻R24相连接的引脚连接至所述运放U9的2引脚-IN，通过调整电阻R25和电阻R24阻值的比例关系来改变该运放U9的放大倍数；经过所述运放U9放大后的信号，经过精密运算放大器U11和与其连接的5个外围电阻组成的电压抬升电路B，通过同向求和的方法，将负电压转换成正电压，由电阻R37和基准电压源U12为所述电压抬升电路B提供基准电压；经过所述电压抬升电路B后的信号，经过精密运算放大器U10和其外围阻容电路组成的一阶低通滤波电路B进行滤波，滤波后的信号接入串行IIC通讯接口的模数转换器U13；采用NTC热敏电阻进行温度采集，热敏电阻的分压信号通过分压电路接入模数转换器U13，所述IIC隔离器U14的2引脚SDA1连接至所述主控制器U2的22引脚IIC2_SDA，所述IIC隔离器U14的3引脚SCL1连接至所述主控制器U2的21引脚IIC2_SCL，通过IIC隔离器U14与主控制器进行通讯，所述主控制器进行数据分析处理。

8.根据权利要求1所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述的电导率信号采集模块中，

所述频率发生器选用阻抗测量芯片U17内部集成的频率发生器，所述阻抗测量芯片U17采用AD5933YRSZ芯片；所述放大电路C包括超低阻抗的运算放大器U18和精密运算放大器U16，所述超低阻抗的运算放大器U18采用AD820AR芯片，所述精密运算放大器U16采用AD8603AUJ-R2芯片，所述的模数转换采集电路集成在所述阻抗测量芯片U17内部；所述信号隔离电路C选用IIC隔离器U15，所述IIC隔离器U15采用ADuM1250ARZ芯片；所述电源隔离电路C采用采用隔离稳压DC-DC模块U23，所述隔离稳压DC-DC模块U23采用B0505S-1WR3芯片；所述线性稳压电路C采用线性稳压模块U24，所述线性稳压模块U24采用ADP7104ARDZ-5.0芯片；

所述频率发生器发出交流信号来激励水质阻抗，交流信号经过设置在所述阻抗测量芯片U17与所述超低阻抗的运算放大器U18之间的两个电容组成的所述高通滤波电路进行滤波，并通过与所述的超低阻抗的运算放大器U18相连的2个外围电阻进行重新偏压，之后利用所述的超低阻抗的运算放大器U18做电压跟随器进行缓冲，所述电压跟随器的输出信号作用于所述的电导率电极探头，所述电导率电极探头输出的电流信号，经过所述的精密运算放大器U16和其外围阻容组成的所述I-V转换电路，进行I-V转换，经过所述放大电路C后，进入阻抗测量芯片U17内部集成的模数转换采集电路C，所述的模数转换采集电路C输出电导率对应的数字信号；所述的IIC隔离器U15的2引脚SDA1连接至所述的主控制器的22引脚IIC2_SDA，所述的IIC隔离器U15的3引脚SCL1连接至所述的主控制器的21引脚IIC2_SCL，通过所述的IIC隔离器U15与主控制器进行通讯，主控制器进行数据分析处理。

9.根据权利要求6-8中任一所述的水质在线监控设备，其特征在于，所述的B0505S-1WR3芯片为隔离稳压DC-DC单端输出，输入滤波电容Cin与隔离稳压DC-DC的Vin和GND相连；输出滤波电容与隔离稳压DC-DC的+Vo和0V相连；所述的ADP7104ARDZ-5.0芯片为低噪声、LDO微功率稳压器，输出滤波电容与线性稳压器的Vout和GND相连。

Images