環(huán)境水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-07
水污染在我國(guó)已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問題，而現(xiàn)存的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用手工操作的方法，一個(gè)斷面每季度監(jiān)測(cè)1次，每年4次，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表性差，無法真實(shí)反映水污染的變化情況，滿足不了環(huán)境管理的要求。能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)斷面自動(dòng)采樣、自動(dòng)分析、全天24小時(shí)連續(xù)工作的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制顯得尤為迫切。
選擇合適的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析方法，是獲得準(zhǔn)確結(jié)果的關(guān)鍵因素之一。選擇分析方法應(yīng)遵循的原則是：靈敏度能滿足定量要求；方法成熟、準(zhǔn)確；操作簡(jiǎn)便，易于普及；抗干擾能力好。我國(guó)對(duì)各類水體中不同污染物質(zhì)的分析方法主要有以下三個(gè)層次，它們相互補(bǔ)充，構(gòu)成完整的監(jiān)測(cè)分析方法體系：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法、統(tǒng)一分析方法、等效方法。
二、水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案的制定
水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案的確定步驟：進(jìn)行采樣前的調(diào)查研究，明確監(jiān)測(cè)目的，收集資料；確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；設(shè)定監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)（設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面和采樣點(diǎn)）；確定采樣時(shí)間和頻率；選擇采樣及監(jiān)測(cè)的技術(shù)；數(shù)據(jù)處理；提出監(jiān)測(cè)報(bào)告要求；制訂質(zhì)量保證程序、措施及方案實(shí)施計(jì)劃。
三、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)
水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，又稱為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是指將集多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的自動(dòng)分析儀器和傳感器組合起來配以先進(jìn)的控制芯片、網(wǎng)絡(luò)通信和軟件技術(shù)，把從采樣、分析到記錄、傳輸、處理數(shù)據(jù)的整個(gè)過程組合成高度自動(dòng)化的流程，從而實(shí)現(xiàn)在線多參數(shù)實(shí)時(shí)、快速、自動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是環(huán)境監(jiān)測(cè)原理、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件工程、大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和環(huán)境評(píng)價(jià)管理交叉發(fā)展的產(chǎn)物。
1、傳感器技術(shù)
?。?）化學(xué)傳感器，化學(xué)傳感器是利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)或其他信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)及質(zhì)量變化等）來進(jìn)行測(cè)定的。被分析物透過選擇性薄膜后發(fā)生特定化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息被相應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量或可處理的電信號(hào)，經(jīng)過二次放大后的到顯示。這類傳感器是在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最廣的傳感器。
（2）光導(dǎo)纖維傳感器。
（3）生物傳感器，是指用固化生物催化劑等識(shí)別元件與化學(xué)物質(zhì)之間產(chǎn)生的生物化學(xué)反應(yīng)來測(cè)定。依靠電化學(xué)器件有選擇地測(cè)定所產(chǎn)生的或被消耗的化學(xué)物質(zhì)，并將測(cè)定結(jié)果交換為電信號(hào)。
2、水質(zhì)自動(dòng)分析儀器的發(fā)展
水質(zhì)自動(dòng)分析儀器表現(xiàn)了分析儀器的智能化方向發(fā)展。發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在：基于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了分析儀器的自動(dòng)化；通過計(jì)算機(jī)控制器和數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、分析、處理，提高了分析儀器數(shù)據(jù)處理能力；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分析儀器數(shù)字圖像處理功能的發(fā)展；分析儀器的聯(lián)用技術(shù)向測(cè)試速度超高速化、分析試樣超微量化、分析儀器超小型化的方向發(fā)展。
四、 通信傳輸及接口技術(shù)
水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涉及三個(gè)層次的通信傳輸技術(shù)，即各水質(zhì)分析儀與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)主控芯片(或現(xiàn)場(chǎng)PC)的數(shù)據(jù)和指令傳輸；現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)與指令的雙向傳輸；監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)與用戶的網(wǎng)絡(luò)的連接，第一、二個(gè)層次最為重要。水質(zhì)分析儀與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)主控芯片（或現(xiàn)場(chǎng)PC）目前主要依賴RS―485異步通信接口和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與監(jiān)控中心之間的通信有GSM無線通信、MODEM電話撥號(hào)連接、有線網(wǎng)絡(luò)連接和衛(wèi)星通信等多種方式，前兩種已有較為成熟的技術(shù)實(shí)例且成本較低。后端數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)后端數(shù)據(jù)處理在整個(gè)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著“信息中心”的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的信息出口，主要發(fā)揮數(shù)據(jù)記錄、表達(dá)和存儲(chǔ)的功能。一般這類軟件都是基于WINDOWS平臺(tái)開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，具有較好的模塊性、可移植性和可維護(hù)性。
五、基于單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
? 設(shè)計(jì)思路：以單片機(jī)為主要控制器件設(shè)計(jì)一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括硬件電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。硬件電路主要包括傳感器的選取，單片機(jī)的選取與應(yīng)用，A/D轉(zhuǎn)換的選用，電源設(shè)計(jì)，顯示部分設(shè)計(jì)等；軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過顯示模塊顯示。
? 1、 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
水質(zhì)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可分為兩大類：一類是反映水質(zhì)狀況的綜合指標(biāo)，如溫度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等；另一類是毒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)，如鉛、汞和有機(jī)農(nóng)藥等。這次設(shè)計(jì)選擇的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為反映水質(zhì)狀況的綜合性指標(biāo)水質(zhì)pH值。水中的PH值主要是由水中的氫離子數(shù)量的多寡決定。pH值反映了溶液中各溶解性化合物達(dá)到的酸堿平衡狀態(tài)，主要是碳酸氫鹽、碳酸鹽、二氧化碳的平衡。氫離子濃度指數(shù)一般在0～14之間。水中的PH值可以體現(xiàn)出水中的酸堿度，湖水中水的PH值從一定的程度上反映了水質(zhì)的好壞。所以，水中的PH對(duì)于生活在水中的動(dòng)植物有著重要的影響。人體健康與PH間的直接關(guān)系不明顯，一般pH值在6.5～9.5范圍內(nèi)時(shí)不太影響健康。生活飲用水pH值的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是6.5～8.5之間。
2、硬件設(shè)計(jì)與選擇
(1)單片機(jī)的選擇
單片機(jī)也稱為微控制器或嵌入式微控制器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器和輸入/輸出（I/O）3大基本部分構(gòu)成。單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)存儲(chǔ)器，是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(也稱寄存器)。在寄存器中有一部分寄存器具有特殊功能，稱為特殊功能寄存器(如P0端口寄存器)，單片機(jī)的主要功能時(shí)通過向特殊功能寄存器寫入0或1二進(jìn)制數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。本次設(shè)計(jì)即是選用AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)振蕩電路石英晶體振蕩器頻率選12MHz，則振蕩周期= 1/（12MHz）,機(jī)械周期=12×振蕩周期=1μs。
(2)傳感器的選用
傳感器是直接進(jìn)行測(cè)量的環(huán)節(jié)。本次選用的傳感器是化學(xué)傳感器，化學(xué)傳感器是指利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)或其他信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)及質(zhì)量變化等）來進(jìn)行測(cè)定的傳感器。本文選用的是玻璃電極，其測(cè)量的線性范圍是1~9.5pH。
?。?）模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的選用
信號(hào)輸入端可以是轉(zhuǎn)換器或傳感器的輸出。轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)可提供給微處理器。本次設(shè)計(jì)選用的是使用較廣泛的8位連續(xù)漸進(jìn)式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC0804。將單片機(jī)與ADC0804連接時(shí)，因單片機(jī)需要對(duì)ADC0804作溝通，所以需要單片機(jī)的兩個(gè)Port，一個(gè)口作數(shù)據(jù)總線，另一個(gè)口作為控制端口用。如下頁(yè)圖9中所示，端口0與ADC連接作數(shù)據(jù)總線；P2.0接至ADC的/RD、/WR引腳，方便控制；P2.1接至/INTR引腳，以判斷是否轉(zhuǎn)換完成。本次設(shè)計(jì)采用的是非中斷方式。
(4)顯示模塊設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的顯示部分采用兩個(gè)數(shù)碼管的共陽(yáng)極連接，采用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。R是限流電阻。如下圖9中所示，端口1連接數(shù)碼管，以顯示輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值。Q1和Q2是兩只共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管的控制三極管，三極管的基極分別接在單片機(jī)P2端口的P2.6和P2.7引腳上。也就是，P.6輸出為0時(shí)三極管Q1導(dǎo)通，與其相連的共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示器開始工作；P2.6輸出為1時(shí)三級(jí)管Q1截止，與其相連的數(shù)碼管顯示器停止工作。三極管Q2的工作與Q1三級(jí)管相同。
