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1、水质监测系统的研究与设计 答辩人：张俊课题简介我国不仅存在水资源短缺和空间、时间分布不平衡的严重问题，而且更普遍存在着水质性缺水危机（水质性缺水是大量排放的废污水造成淡水资源受污染而短缺的现象）。水质监测是水体污染防治工作和水环境保护工作的重要部分。但是，目前在我国水环境监测的实际工作中，大量采用的监测方法己经不能满足环保事业不断发展的社会需求，亟需要将现代的技术融入水环境质量的监测。本次设计对水质监测系统进行了初步的研究，论述了项目研究背景、国内外水质监测系统发展的现状。最后以51单片机为主要控制器件设计了一个水质PH值监测器，并用仿真软件protues仿真。毕业设计:水质监测系统的研究与设
2、计课题背景 水质监测办法 水质在线监测技术 基于单片机的水质监测系统设计 毕业设计:水质监测系统的研究与设计课题背景针对客观环境运用物理、生物或化学的现代科技手段，间断地或连续地对水体污物及其有关的组成成份鉴定和测试，通过仪器的检测或实验进行定性、定量和系统的描述，做出正确的环境质量评价称作水质监测。l1 国内水质监测技术的现状国内水质监测技术的现状许多年以来我国的环境监理工作一直采用传统的环境水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主。我国环境水质监测仪器以往主要依赖进口，从2000年开始，成熟的国产化设备才开始在全国范围内大规模推广。目前国家环保总局设置的水质监测断面，基本上分布在
3、水量相对充沛、监管相对严格的大江大河或主要水系的干流，对于支流的监测几乎属于空白领域。在小城镇以及广大农村地区，实际的污水排放量以及支流、内河的受污染程度，很可能要更为严重。水质监测现状揭示了我国水污染的严重程度和水质监测的建设的落后。因此，治理水污染，必须先做好水质监测。近年，水质自动监测技术在许多国家地表水监测中得到了广泛的应用，我国的水质自动监测站的建设也取得了较大的进展。但是，还没有可普遍应用于基层水环境在线监测与数据远程传输、处理的水质监测完备平台在国内产出。并且，近年发展起来的各式数据传输网络，大多数是上下环境监测部门之间的数据传输，基于基层水质的实时采集监测与水质分析系统环节还很
4、薄弱。毕业设计:水质监测系统的研究与设计l2 国外水质监测技术的现状国外水质监测技术的现状在国外早期的河流水质监测办法是选取河流断面定点定时采集水样，带至实验室分析。这人工抽查方法不能及时准确的掌握不断变化中的水质数据。为了尽早发现水质的异常变化，提高下游水质污染防治预报，及时追踪污染源，研究水的稀释及水环境的自我净化规律，国外在完善实验室监测同时，发展了水质移动监测系统和水质自动监测系统。水质移动监测系统是一个以移动监测车为基本监测单元，采用便携水质实验室及现场水质参数分析仪采集水质变化，运用GPS全球卫星定位系统和GPRS/GSM无线数据通讯装置进行信息通信的水质检测、分析系统。解决了偏远
5、地区及水域水质监测的困难。水质自动监测系统，常用在监测水质污染及一些特定指标。通过在片区域或一个水系放置若干有连续自动监测仪器的监测站来采集被检测物变化信息，再传送至统一的控制中心，随时对该片区域或一个水系的水质进行连续自动的监测。毕业设计:水质监测系统的研究与设计水质监测办法水质监测办法l1 水质标准与水质监测技术水质标准与水质监测技术水在自然界中循环的过程中不断的溶解杂质，如易溶于水的盐类、岩石风化形成的沙、动物残骸和微生物等有机体腐败分解的腐殖质等地球上各种化学过程及生物过程产物以及人类生产生活过程中排放的废弃物。其中尤其是人类排放的生产废水和生活污水，是污染水质的主要原因。这使得水质标
6、准不得不不断的细化和严格。水质监测技术发展的动力之一则来自水质标准的不断提高。水质标准的提高对水质监测技术的要求，主要体现在：对仪器方法的精度、精准度，尤其是检出限的要求越来越高：水质指标浓度的越来越低，要求仪器有更高的灵敏度；及对仪器方法的检测速度提出了越来越高要求：新的水质标准对于水质合格的保证率要求不断提高，要求监测系统的速率和频率的提高，从而保证水质合格率达到要求，这样的要求使得监测技术主要在两个方面提高监测速度，一是提高原有仪器监测方法的分析监测速度，缩短监测时间；另一个是使得仪器小型化和在线化，增加监测点和数据更新频率。毕业设计:水质监测系统的研究与设计l2 水质监测项目水质监测项
7、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、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生物需氧量等；另一类是毒物质的监测，如酚、铅、汞和有机农药等。为客观的评价江河和海洋水质的状况，除上述监测项目外，有时还需需进行流速和流量的测定。按照相关水的环境质量标准进行监测项目选定，可确定水质监测系统主要指标。l3 水质监测分析方法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
8、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。毕业设计:水质监测系统的研究与设计l4 水质监测方案的制定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。毕业设计:水质监测系统的研究与设计l5 水环境监测过程的质量控制水环境监测过程的质量控制 为了全面的反映水环境在一定时期或空间内的发展演变趋势和周期变化规律，使环境管理、污染源控制、环境规划等有据可依，是对水环境
9、监测过程进行质量控制的宗旨。水环境监测的质量控制和质量保证是水环境监测工作的重要组成部分。（1）水环境监测质量控制工作中的事前控制。水环境监测事前控制既预先控制，预防性控制使我们可以避免监测中的差错，尽量减少在监测过程中的纠正活动。（2）水环境监测质量控制工作中的事中控制，是指对实验室监测和现场监测过程的控制。应遵守既定操作流程，确保样品的质量。（3）水环境监测质量控制工作中的事后控制。完善质量控制体系。毕业设计:水质监测系统的研究与设计水质在线监测技术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
10、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。图1 水质在线监测系统基本框图 毕业设计:水质监测系统的研究与设计1 水质自动分析技术及仪器的发展现状水质自动分析技术及仪器的发展现状l（1）传感器技术）传感器技术 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
11、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。光导纤维传感器。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。选择性薄膜换能器二次仪表电信号化 学信息被分析物图2 化学传感器的技术原理图毕业设计:水质监测系统的研究与设计l(2)水质自动分析仪器的发展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
12、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。图3 多参数水质自动分析仪毕业设计:水质监测系统的研究与设计2 通信传输及接口技术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 （1）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；（2）现场与监控中心之间数据与指令的双向传输；（3）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
13、场PC）目前主要依赖RS485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。毕业设计:水质监测系统的研究与设计3 后端数据处理软件技术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。图4 ADCON监测网络设备组成 4在线水质监测站在线水质监测站右图4是一种
14、成品的在线水质监测站（产品型号：Adcon_WQ）。其系统组成如下，用户端：遥测数采、传感器、软件平台；服务端：网关、服务器。毕业设计:水质监测系统的研究与设计基于单片机的水质监测系统设计基于单片机的水质监测系统设计 l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。l1 1 监测项目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
15、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014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6.59.5范围内时不太影响健康。生活饮用水pH值的国家标准是6.58.5之间。毕业设计:水质监测系统的研究与设计2 2 系统框图系统框图下图是系
16、统的框图，本系统是基于51单片机技术的水质监测系统，传感器采集目标对象的信息，将信息送到A/D的模拟通道中，由单片机通过程序将经过A/D模数转换后的信息读到自己内部的寄存器中，单片机通过自己内部的ROM中的程序，将输入的信息处理，然后将得到的信息通过显示装置显示出来。显示部分单片机A/D转换模块传感器电源部分图5 系统框图毕业设计:水质监测系统的研究与设计3 硬件设计与选择硬件设计与选择(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
17、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。本次课题设计即是选用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=1s。图6 AT89C51单片机引脚图毕业设计:水质监测系统的研究与设计(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19.5pH。（3）
18、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。毕业设计:水质监测系统的研究与设计将单片机与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。图7 ADC0804毕业设计:水质监测系统的研究与设计(4)显示模块设计 本次设计的
19、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。毕业设计:水质监测系统的研究与设计protues环境中连接的系统总框图 图8 系统总框图 毕业设计:水质监测系统的研究与设计4 系统软件设计系统软件设计 图9 系统程序流程图程序
20、开始初始化（启动ADC）转换完成否设 定 读取显示子程序结束YN毕业设计:水质监测系统的研究与设计结论结论此次毕业设计通过对水质监测系统的初步探究，我初步认识了水质监测系统的工作原理，对其部分结构有了了解；并设计了一个简单的基于单片机的水质PH值检测器，实现了对水质PH值的读取。通过此次的毕业设计，我对水质监测的发展意义有了更多的认识。深化了所学的知识，初步了解了分析解决问题的步骤与办法，熟练了查找相关资料提炼知识点的方法。在这次课题设计的过程中，我意识到做到一件事需要严谨苛刻的态度，需要耐心的梳理每个节点，需要认真的对待每一处细节。由于我对知识的掌握尚且不足，文中错误、不缜密之处请评阅老师批评指正。毕业设计:水质监测系统的研究与设计致谢致谢最后，向在毕业论文准备过程，一直指导和帮助我的毕业设计指导老师周老师及一直在周围的同学们，表达我心中的诚挚谢意!向百忙中查阅与参与答辩的各位老师说一声：你们辛苦了！谢谢大家。毕业设计:水质监测系统的研究与设计结束毕业设计:水质监测系统的研究与设计