创客技术助力科学实验 | 测一测TDS
前 言
图1
几年前，家里安装了一台净水器，当时赠送了可供两年使用的滤芯。只要净水器上的提醒器一响，我就会按提示换上某个型号的滤芯。后来，滤芯用完了，提醒器上的电池也没电了，时间一长就淡忘了。直到这个暑假，闲下来时想起滤芯已经好久没换了。已经远远超过了两年，所以整套滤芯都换了。
当时心里想，换套滤芯花了几百元钱，能不能真正起到净水的作用呢？于是，想到该测一测净水的效果。正好手上有一个模拟TDS传感器，那就先测一测TDS吧。在使用创客器材制作了一个TDS检测仪后，除了检测经过净水器净化前后的自来水TDS值外，还进行了一些关于TDS的实验。
演示视频
https://v.qq.com/x/page/a3304qz9cvo.html
知识链接
01 什么是TDS？
“TDS”是“Total dissolved solids”的缩写，中文译名溶解性总固体，又称溶解性固体总量，测量单位为毫克/升（mg/L）,它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。TDS值越高，就表示水中含有的溶解物越多，但这些物质中可能含有对人体有益的矿物质，所以仅凭TDS值并不能判断水质的好坏。但是TDS值过高，水质肯定不好。我国的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）对于TDS一项的标准规定为不高于1000mg/L。图2为各种水与TDS值的对照表。
图2
一般情况下，自来水经过净水器的过滤后，TDS值会降低，这次实验就是依据这一点来验证我家用的这个净水器的净水效果。
02 关于TDS传感器
图3
本次实验采用的TDS传感器（见图3）是DFRorobot出品的，可用于Arduino和Micro:bit主控板，配合图形化编程软件Mind+使用，十分方便，适合中小学生使用。其支持3.3--5.5V的宽电压供电，测量范围为：0--1000ppm*。
注：ppm为溶液百万分率浓度单位，指100万毫升溶液中含有溶质的毫升数或表明100万克溶液中含有溶质克数。换算关系：1ppm=1mg/L。
在使用时，探头不能用于55℃以上的水中检测，而且不要太靠近容器的边缘，以免影响检测结果。由于是入门级产品，这款TDS传感器没有自带温度补偿功能，所以要想获得较高的精度，需要在外加温度传感器后使用含有温度补偿算法的程序进行自动温度补偿。但是这样做，无疑增加了使用难度，特别是对于习惯于使用图形化编程软件的人来说。
那有没有其他简单的办法呢？我留意到，这款传感器的精度是在25℃的水温下进行标定的。所以，在使用时，我们只要让受测水在检查时温度维持为25℃就可以了。
实验方案
首先，利用 Arduino Uno作为主控板，外接TDS传感器、DS18B20温度传感器、LED显示屏制作一个TDS检测仪。为了实验更加便利，增加了一个由三个180°舵机驱动的机械臂来夹持两个探头进行工作，同时使用了语音识别模块和语音合成模块来执行下达指令和语音播报的任务。可以说，这是一个智能程度很高的TDS检测仪。
然后，利用这个检测仪，进行一系列的对比实验，获取不同温度下水的TDS值、自来水净化前后的TDS值、开水和未烧过的水的TDS值、市售瓶装水的TDS值等等。
创客器材清单
图4
（1）Arduino Uno1块（2）IO扩展板 1块（3）模拟TDS传感器 1个（4）DS18B20温度传感器 1个（5）OLED显示屏1块（6）180°舵机3个（7）语音识别模块 1个（8）语音合成模块 1个
实验过程
01 制作TDS检测仪
NO.1硬件搭建
图5
将扩展板插到主控板上，然后将各种电子模块连接到扩展板的引脚上。如图5所示，语音合成模块连接到引脚0、1，三个舵机分别连接到引脚4、6、8，DS18B20温度传感器连接到引脚A0，TDS传感器连接到引脚A2，OLED显示屏和语音识别模块分别连接到两个IIC引脚。图6为连接好的硬件图。
图6
NO.2
编写程序
图7
使用Mind+软件进行编程，完整程序如图7所示。要实现的功能是：（1）当听到指令“开始检测”指令时，机械臂运转起来，将两个探头移动到指定位置；当听到指令“检测完毕”指令时，机械臂运转起来，将两个探头移动到初始位置；（2）不断检测水的温度和TDS值，将结果显示在显示屏上。（3）在当温度高于或者低于25℃时，语音提醒降温或者加温；当温度正好等于25℃时，播报当时的检测到的TDS值。
NO.3
设计结构
图8
用LaserMaker软件进行建模，其中机械臂部分的结构图使用了开源图纸进行修改。
图9
利用激光切割机对椴木板（3mm）切割加工，切割好的制件如图9所示。
NO.4
组装调试
图10
组装好底盒，将电子材料固定在预设位置（见图10）。
图11
组装机械臂（见图11）。
图12
将机械臂安装在底盒的顶板上（见图12）。
图13
接好数据线，合上顶板（见图13）。
图14
将TDS传感器、温度传感器探头固定在机械臂末端（见图14）。
图15
通电测试（见图15），看探头放入水中前后数据是否有变化。
02 进行实验
实验1 温度对TDS值的影响
如前所述，TDS检测时一般要做温度补偿，那就说明水温对TDS检测结果数据是有影响的。所以，首先得验证一下。
图16
准备三杯同样的自来水（如图16所示），将其中一杯连带杯子放入装有温水的水槽中放置一会儿，其中一杯放入冰箱中放置一会儿，一杯保持常温状态。然后分别检测三杯水的温度和TDS值，并记录下来。
图17
检测结果如图17所示。从这个结果可以看出：同样的水，水温不同，TDS数据也不同；温度越高，TDS越高。
如此看来，后面的实验将受测水的温度控制在25℃是十分有必要的。
实验2 自来水净化前后TDS值的变化
图18
准备两杯自来水，其中一杯是直接放出的自来水，其中一杯是经过净水器净化过的自来水。然后分别检测两杯水的温度和TDS值。如果水温不是25℃，则使用语音提示进行加温（放入有温水的水槽中）或者降温（放入有冰水的水槽中）处理，如图19所示。当温度为25℃时，检测到的TDS值方为有效数据，将其记录下来。（注：本地当季自然状态的自来水的温度为20℃左右，进行了加温处理，后面的实验相同。）
图19
图20
检测结果如图20所示。从这个结果可以看出：我家的自来水本来的TDS值较理想，经过净化后，虽然数值下降不多，但是仍能看出净水器取到了一定的作用。
实验3 自来水与开水的TDS值对比
准备两杯水，其中一杯是自来水，另一杯是烧开后冷却之后的水。分别检测两杯水在温度为25℃时的TDS值，将检测数据记录下来。
图21
检测结果如图21所示。从这个结果可以看出：自来水在烧开了之后TDS没有变化。但是这个实验是基于TDS值为30.74ppm的自来水，不同水质的实验结果是否相同，有待进一步验证。
实验4 市售瓶装水TDS值对比
图22
准备若干种瓶装水，分别倒入量杯中（如图22所示），进行检测。记录下水温为25℃时的TDS值。
图23
检测结果如图23所示。从这个结果可以看出：矿泉水的TDS值最高，纯净水的TDS值最低。这个结果与这些水的成分构成、生产工艺都是相符的。
拓展建议
如果我们要进一步利用创客技术辅助研究水质问题，还可以利用PH传感器、水质浊度传感器等电子模块配合主控板制成检测仪进行更多的实验。我们也可以使用继电器、小水泵等器材制作取水的工具，走向户外，检测各种自然水的水质。
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