环境水质自动监测系统研究

2021-01-11 11:24:51

       水污染在我国已经成为严重的环境问题，而现存的水质监测系统大多采用手工操作的方法，一个断面每季度监测1次，每年4次，监测数据代表性差，无法真实反映水污染的变化情况，满足不了环境管理的要求。能够对监测断面自动采样、自动分析、全天24小时连续工作的水质监测系统的研制显得尤为迫切。 

　　一、水质监测分析方法 

　　选择合适的水质监测分析方法，是获得准确结果的关键因素之一。选择分析方法应遵循的原则是：灵敏度能满足定量要求；方法成熟、准确；操作简便，易于普及；抗干扰能力好。我国对各类水体中不同污染物质的分析方法主要有以下三个层次，它们相互补充，构成完整的监测分析方法体系：国家标准分析方法、统一分析方法、等效方法。 

　　二、水质监测方案的制定 

　　 水质监测方案的确定步骤：进行采样前的调查研究，明确监测目的，收集资料；确定监测项目；设定监测网点（设置监测断面和采样点）；确定采样时间和频率；选择采样及监测的技术；数据处理；提出监测报告要求；制订质量保证程序、措施及方案实施计划。 

　　三、水质在线监测技术 

　　水质在线监测系统，又称为水质自动监测系统或水质实时监测系统，是指将集多项水质指标的自动分析仪器和传感器组合起来配以先进的控制芯片、网络通信和软件技术，把从采样、分析到记录、传输、处理数据的整个过程组合成高度自动化的流程，从而实现在线多参数实时、快速、自动监测的技术。水质在线监测系统是环境监测原理、现代传感器技术、自动控制技术、网络通信、软件工程、大型数据库系统和环境评价管理交叉发展的产物。 

　　1、传感器技术 

　　（1）化学传感器，化学传感器是利用化学反应产生的电信号或其他信息（如光效应、热效应、场效应及质量变化等）来进行测定的。被分析物透过选择性薄膜后发生特定化学反应，产生的信息被相应的化学或物理换能器转变成可定量或可处理的电信号，经过二次放大后的到显示。这类传感器是在水质自动监测中应用最广的传感器。 

　　 （2）光导纤维传感器。 

　　（3）生物传感器，是指用固化生物催化剂等识别元件与化学物质之间产生的生物化学反应来测定。依靠电化学器件有选择地测定所产生的或被消耗的化学物质，并将测定结果交换为电信号。 

　　2、水质自动分析仪器的发展 

　　水质自动分析仪器表现了分析仪器的智能化方向发展。发展趋势主要表现在：基于微电子技术和计算机技术的应用，实现了分析仪器的自动化；通过计算机控制器和数字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理，提高了分析仪器数据处理能力；数字图像处理系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展；分析仪器的联用技术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发展。 

　　四、 通信传输及接口技术 

　　水质在线监测系统主要涉及三个层次的通信传输技术，即各水质分析仪与现场控制系统主控芯片(或现场PC)的数据和指令传输；现场与监控中心之间数据与指令的双向传输；监控中心数据库与用户的网络的连接，第一、二个层次最为重要。水质分析仪与现场控制系统主控芯片（或现场PC）目前主要依赖RS―485异步通信接口和模/数(A/D)转换器来实现。现场控制系统与监控中心之间的通信有GSM无线通信、MODEM电话拨号连接、有线网络连接和卫星通信等多种方式，前两种已有较为成熟的技术实例且成本较低。后端数据处理软件技术后端数据处理在整个水质在线监测系统中发挥着“信息中心”的作用，是整个系统的信息出口，主要发挥数据记录、表达和存储的功能。一般这类软件都是基于WINDOWS平台开发，采用模块化设计思想，具有较好的模块性、可移植性和可维护性。 

　　五、基于单片机的水质监测系统设计 

　　 设计思路：以单片机为主要控制器件设计一种水质监测系统，主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要包括传感器的选取，单片机的选取与应用，A/D转换的选用，电源设计，显示部分设计等；软件设计主要包括主程序设计和子程序设计，监测结果通过显示模块显示。 

　　 1、 监测项目 

　　水质主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、pH值、电导率、溶解氧等；另一类是毒物质的监测，如铅、汞和有机农药等。这次设计选择的监测项目为反映水质状况的综合性指标水质pH值。水中的PH值主要是由水中的氢离子数量的多寡决定。pH值反映了溶液中各溶解性化合物达到的酸碱平衡状态，主要是碳酸氢盐、碳酸盐、二氧化碳的平衡。氢离子浓度指数一般在0～14之间。水中的PH值可以体现出水中的酸碱度，湖水中水的PH值从一定的程度上反映了水质的好坏。所以，水中的PH对于生活在水中的动植物有着重要的影响。人体健康与PH间的直接关系不明显，一般pH值在6.5～9.5范围内时不太影响健康。生活饮用水pH值的国家标准是6.5～8.5之间。 

　　2、硬件设计与选择 

　　(1)单片机的选择 

　　单片机也称为微控制器或嵌入式微控制器。内部结构由中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出（I/O）3大基本部分构成。单片机内有两个存储器，是程序存储器和数据存储器(也称寄存器)。在寄存器中有一部分寄存器具有特殊功能，称为特殊功能寄存器(如P0端口寄存器)，单片机的主要功能时通过向特殊功能寄存器写入0或1二进制数来实现的。本次设计即是选用AT89C51单片机。单片机振荡电路石英晶体振荡器频率选12MHz，则振荡周期= 1/（12MHz）,机械周期=12×振荡周期=1μs。 

　　 (2)传感器的选用 

　　传感器是直接进行测量的环节。本次选用的传感器是化学传感器，化学传感器是指利用化学反应产生的电信号或其他信息（如光效应、热效应、场效应及质量变化等）来进行测定的传感器。本文选用的是玻璃电极，其测量的线性范围是1~9.5pH。 

　　（3）模拟/数字转换器的选用 

　　信号输入端可以是转换器或传感器的输出。转换器的输出信号可提供给微处理器。本次设计选用的是使用较广泛的8位连续渐进式模拟/数字转换器ADC0804。将单片机与ADC0804连接时，因单片机需要对ADC0804作沟通，所以需要单片机的两个Port，一个口作数据总线，另一个口作为控制端口用。如下页图9中所示，端口0与ADC连接作数据总线；P2.0接至ADC的/RD、/WR引脚，方便控制；P2.1接至/INTR引脚，以判断是否转换完成。本次设计采用的是非中断方式。 

　　 (4)显示模块设计 

　　本次设计的显示部分采用两个数码管的共阳极连接，采用动态显示驱动。R是限流电阻。如下图9中所示，端口1连接数码管，以显示输入模拟电压转换后的数字值。Q1和Q2是两只共阳极数码显示管的控制三极管，三极管的基极分别接在单片机P2端口的P2.6和P2.7引脚上。也就是，P.6输出为0时三极管Q1导通，与其相连的共阳极数码管显示器开始工作；P2.6输出为1时三级管Q1截止，与其相连的数码管显示器停止工作。三极管Q2的工作与Q1三级管相同。 

产品中心

PRODUCT CENTER