（信号与信息处理专业论文）水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计.pdf

水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 摘要 、 r 水质监测数据是环境保护及水利部门决策的重要依据。水体中的p h 值、 溶解氧、电导率、浊度和温度等五项指标是水质监测的常规参数。、为了提高我、 国水质监测的自动化水平，加速水质在线监测设备的国产化进程，体论文采用 国外先进的水质五项参数检测传感器，自行设计现场参数在线监溯子系统、数 据远程传输子系统与数据管理子系统研制出一种水质参数在线监测及远程传输 系统。 该系统分别用于各监测站点和监控中心。系统的软件采用m c s - 5 1 汇编语 言和面向对象的程序设计语言v b 6 0 编写。在监测站点，以a t 8 9 c 5 1 单片机为 核心器件，实现了对现场五项水质参数的实时采集、数据处理以及上述化学或 物理量的动态显示。在监控中心，用p c 机作为服务器接收各监测站点传来的 数据，并存入数据库，还设计了数据管理程序，用于数据查询、统计和图形分 析。系统的数据传输子系统，采用自定义的通信协议，经过调制解调器接入公 共电话网，利用电信部门的交换设备实现数据的远程传输。通信软件用贺氏a t 命令设置调制解调器，通过自动拨号方式建立监控中心与各监禊4 站点之间的连 接。用v b 的m s c o m 控件实现串行口通信。 在实验室条件下进行测试，系统各项参数的技术指标均达到国家环保标准 要求，经过一段时间的运行，系统工作性能稳定，数据传输可靠。 、一 关键词：水质参数；在线监测；远程传输；数据管理；单片瓤 r e s e a r c ha n dd e sig n in go fw a t e ro u a lit yp a r a m e t e r s 0 n l - b em o n i t o r i n ga n dr e m o t et r a n s m is s i o ns y s t e m a b s tr a c t t h em o n i t o r i n gd a t ao fw a t e rq u a l i t yi si m p o r t a n tb a s i so fp o l i c y d e c is i o nt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dw a t e rc o n s e r v a n c yd e p a r t m e n t s m a k e p hv a l u e ，d i s s o l v e do x y g e n ，c o n d u c t i v i t y ，t u r b i d i t ya n dt e m p e r a t u r e f i v ec r i t e r i aa r et h er o u t i n ep a r a m e t e r so fw a t e rm o n i t o r i n g t h i sp a p e r h a sd e v e l o p e daw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so n li n em o n i t o r i n ga n dr e m o t e t r a n s m i s s i o ns y s t e mu t i l i z i n gf i v ef o r e i g na d v a n c e dw a t e rs e n s o r sa n d d e s i g n i n g t h e s p o tp a r a m e t e r s o n l i n e m o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，t h ed a t a r e m o t et r a n s m is s i o ns u b s y s t e ma n dt h ed a t am a n a g e m e n ts u b s y s t e mf o r r a i s i n gt h ea u t o m a t i cl e v e lo fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi no u rc o u n t r y a n da c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so ft h ew a t e rq u a l i t yo n l i n em o n i t o r i n g e q u i p m e n tm a d ei nc h i n a t h es y s t e mi su s e di ne v e r ym o n i t o r i n gs t a t i o na n dt h em o n i t o r i n g c e n t e rr e s p e c t i v e l y t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sp r o g r a m m e dw i t hm c s 一5 1 c o m p i l el a n g u a g e a n do b j e c t - o r i e n t e dl a n g u a g ev b 6 0 f i v e s p o tw a t e r q u a l i t yp a r a m e t e r sa r eg a t h e r e d ，t h ed a t aa r ed i s p o s e da n da b o r ec h e m i c o r p h y s i c a l v a l u e sa r e d i s p l a y e dd y n a m i c a l l yu t i l i z i n ga t 8 9 c 5 1 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec e n t r a lc o m p o n e n ti n t h em o n i t o r i n g s t a t i o n t h ed a t af r o me v e r ym o n i t o r i n gs t a t i o na r er e c e i v e da n ds t o r e d i n t ot h ed a t a b a s e b y t h ep cs e r v e ri nt h em o n i t o r i n gc e n t e r d a t a m a n a g e m e n tp r o g r a m i s d e s i g n e d f o rd a t a q u e r y ，s t a t i s t i c a n dc h a r t a n a l y s i s t h ed a t at r a n s m i s s i o ns u b s y s t e mi si m p i e m e n t e db yt h es e l f d e f i n i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h et e r m i n a le q u i p m e n t sa r ec o n n e c t e d w i t hp s t nv i am o d e ma n dt h ed a t ar e m o t et r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e db yt h e e x c h a n g ee q u i p m e n to ft h et e l e c o m m u n i c a t o nd e p a r t m e n t m o d e miss e tb y h a y e sa tc o m m a n da n dt h ec o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o ni ss e tu pi na u t o m a t i c d i a l - u pm o d e t h es e r i a lc o m m u n i c a t j o ni sa c h i e v e dw i t hm s c o m mc o n t r 0 1 o fv b 6 o t h et e c h n i c a ls t a n d a r do fe v e r yp a r a m e t e rh a sr e a c h e dt h ed e m a n do f n a t i o n a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nn o i t lw h e nt h es y s t e mi st e s t e di nt h e c o n d i t i o no fl a b o r a t o r y t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi ss t e a d ya n dt h ed a t a t r a n s m i s s i o ni sr e l i a b l ed u r i n gap e r i o do fw o r kt i m e k e y w o r d s ：w a r e r q u a ii t yp a r a m e t e r ： o n ii r e m o n i t o r i n g ： r e m o t e t r a n s m is s i o n ：d a t am a n a g e m e n t ：s i n g i e c h i pm ir o c o m p u t e r 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 o 前言 当今世界的水环境面临两大问题：水资源短缺和水污染加重。工业废水和 城乡生活污水向江河湖海及土壤中的大量排放，使地表水和地下水的水质日趋 恶化，更加剧了水资源的紧张，严重制约了经济的发展且危害着人类的健康。 严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视程度，各国都在加大和加快水污一 染治理的力度和速度。我国为了加强对重点流域水质变化和污染物总量的监 控，环保部门曾经在长江、淮河、松花江及太湖等水域的污染物排放企业设置 了一批水质监测设备。据有关媒体报道，由于一些被监测企业的个别人员环境 保护意识淡薄，只顾企业的局部利益，使这些水质监测设备难以发挥应有的作 用。因此，环保部门希望远在数公里甚至上千公里以外的地方也能对辖区内的 监控目标实施全天候、全时段的动态监控，随时掌握其变化趋势，以便控制污 染程度，实现这目标的技术装备称之为水质参数在线监测及远程传输系统。 但是，目前在我国水环境监测的实际工作中，大量采用的监测手段仍然是传统 的实验室手工分析方法，测试数据滞后数小时甚至更多哺 。这种传统的监测方 法和手段已经不能满足环保事业不断发展的社会需求，十分需要用现代化的管 理手段对重点污染源的水环境质量进行监测。 国外水环境监测技术及装备已经商品化，且多为专用配套设备，如：美国 的s i g m a 9 0 0 系列水质采样器可以自动检测水质常规参数和污水流量，检测数 据经r s 一2 3 2 接口与计算机通信；日本扈场( h a r i b a ) 也有水质五项参数监测 设备；北京市水环境监测中心曾引进英国的成套水质监铡设备，整套设备安装 于集装箱式的“全天候”工作站内，耗资上百万元。据不完全统计，目前已有 几十家专门经营高档水质监测仪器的外国公司的产品在中国销售，具有代表性 的公司，如：美国y s i 、i a c h 、g l o b a lw a t e r 、德国k u n t z e 、意大利b & c 。但 由于进口产品价格十分昂贵，难以在国内大量推广应用。 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 国内从事水质参数监测成套设备生产的厂家极少，我国最早生产p h 计和 水质检测仪器的上海雷磁仪器厂，曾经生产s j c 一7 0 4 型在线式p h 、溶解氧、浊 度、电导率和温度五项参数监测仪器；北京市水环境监测中心与北京市水电科 学研究院自动化所联合研制了“北京市地下水和地表水水质自动监测网络”； 其它省、市的环境监测部门也逐渐将城市水质参数与污水流量监测网络列入近 期实施计划内。但是，迄今为止，还没有一种普遍适用于基层水环境在线监测 与数据远程传输的仪器设备在国内生产。 近年来，我国环境监测部门曾试用过数据传输网络，但这种网络大多属于 上下级环境监测部门之阃的数据传输，而基层监测部门与辖区内污染物排放企 业中的现场监控目标之间实时监测网络尚无成熟经验可资借鉴。当前国家鼓励 发展的环境监测仪器设备的项目，很多属于在线式监测仪器，其监测数据须远 程传输到主管部门，再根据需要与其它监测部门联网。因此，有必要研发一种 连接基层监测部门与辖区内企业之间的现场参数在线监测与远程传输系统。 为尽快研制出自己的产品，在对国内外同类产品充分调研的基础上，采用 美国g l o b a lw a t e r 公司的w q 系列水质参数检测传感器，自行设计了现场参数 在线监测子系统、数据远程传输子系统和数据管理子系统，构成一个完整的水 质参数在线监测及远程传输系统。该系统的研制已被列为2 0 0 1 年青岛市科技 发展计划项目。 在研制过程中，选取a t 8 9 c 5 1 单片机作为现场参数在线监测子系统的核心 器件，配合相关的外围电路，将水质传感器检测到的电信号转换成4 2 0 m h o 5 v 的标准信号，经过数据运算处理，变成代表实际化学或物理量的数据显示在液 晶屏上，以供现场人员观测、记录和分析。这部分也可作为一个独立的智能仪 表，即水质参数在线监测仪使用。 在设计数据传输网络时，作者把基层监测部门作为系统的监控中心，而把 辖区内各污染物排放企业作为监测站点，监控中心的计算机便是网络的服务 器。监控中心的服务器和各监测站点的水质监测仪都是通过调制解调器 ( m o d e m ) 接入公共电话网，利用电信部门的交换设备进行信息交换与数据传 2 水质参数在线监铡及远程传输系统的研究与设计 输，节省了网络的硬件资源。监控中心负责巡查各监测站点的水质数据信息， 通过自动拨号方式建立通信联系，可以全方位、全时段地动态监测辖区内各监 测站点的水质状况。 在监控中心的电子地图上显示监控中心和各监测站点的位置，用数据管理 软件实时监测每一项水质参数或者在一段时间内对部分数据做出统计结果，为 有关部门的分析与决策提供科学依据。系统连接示意图如下： 图0 系统连接示意图 本论文完成的主要工作如下： 1 研制水质五项常规参数的在线监测仪器，完成单片机电路、信号调理 电路、a d 转换电路和液晶显示器电路的硬件设计，编写a d 转换程序、 数字平滑滤波程序、数据运算处理程序和字体显示程序，使仪器的各 项技术指标均达到国家环保标准的要求； 2 设计水质参数远程传输子系统，实现监控中心的服务器与各监测站点 的水质监测仪之间的远程通信，构成一个水质自动监测网络，具有较 高的数据传输可靠性； 3 设计水质参数的数据管理软件，可在监控中心的计算机上，通过用户 界面，实现对辖区内监测站点的各项水质参数的数据接收、存储、查 询、统计以及图形分析等功能。 水质参数在线监捌及远程传输系统的研究与设计 本论文解决的关键技术问题： 1 把自动检测技术与数据远程传输技术相结合，应用于水质监测设备的 研制之中，能够对水环境迸行方便、快捷地远程在线监测； 2 在显示软件中，可从自己建造的字库中随机调用所需字体，在水质监 测仪的液晶屏上显示有关内容； 3 设计单片机与m o d e m 的接口，使水质监测仪中的现场数据送入公共电 话网进行远传； 4 自定义通信协议，适用于无人值守的水质在线监铡仪与监控中心的计 算机数据传输。 4 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 1 水质参数检测传感器的选择 对于在线式水质监测系统的设计，首先必须选择合适的水质参数检测传感 器。为了满足当前我国水环境及水质监测的实际需要，在本系统设计中选用美 国g l o b a lw a t e r 公司进口的w q 系列的水质参数检测传感器作为水质在线监测 系统的前端。该系列传感器无论精度、重复性，还是响应时间、稳定性都符合 国家对环保监测仪器的有关技术要求，而且输出信号具有良好的线性。下面将 分别介绍所选择的p h 值、溶解氧、电导率、浊度和温度等五种水质常规参数 检测传感器的原理及其特点。 1 1 p h 值传感器 在工业过程中，p h 值的测定采用电位测定法，应用最广泛的是玻璃电极， 输出电压e 是p h 的函数： e = 0 1 9 8 4 ( t + 2 7 3 1 6 ) x ( 7 一p h ) 式中：t 温度， 由此可见，p h 值与输出电压成线性关系， 时需要对温度进行补偿。 并且和温度有关，当高精度测量 目前，国际上先进的测量p h 值的传感器采用差分式五线制电极，双电桥 结构，大幅度减少了污染的影响，且易于置换，其温度传感器和前置放大器均 集成于传感器内，避免了温度引起的误差。由于信号通过前置放大器输出，已 经是低阻抗的，所以可以远距离传输且抗干扰能力强，高p h 值溶液的测量通 常比较困难，读数不稳定，因为一般的玻璃电极虽然对氢离子非常敏感，但还 是容易受到相似离子，如：锂、钾，特别是钠离子的干扰，先进的p h 值传感 器采用分子腐蚀工艺的玻璃电极，可以有效地克服上述离子引起的误差，适当 调节传感器的不灵敏带宽度，可以克服中和过程中p h 值变化非线性引起的问 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 题。本系统选用的w q 2 0 1 型p h 值传感器，就是采用玻璃复合电极原理制造 的，测量范围：1 4p h ，精度可达0 1p h ，具有温度补偿功能。 另外，进入我国市场的其它一些外国公司，如：美国r o s e m o u n t 、h h c i t 、h o n e y w e l l ，日本y o k o g a w a ，德国e + h 等生产的p h 值传感器也都具有很好的性能。 1 2 溶解氧传感器 常用的溶解氧传感器是膜传感器，它的电极由阴极( 金或铂) 和阳极( 银) 构成，电极浸没于电解质( 如k c l ) 中，隔膜将电极和电解质与被测量的液体 分开，当阳极和阴极之间通以约8 0 0 m y 的电压时，在阳极和阴极之间会产生电 流，该电流和水中溶解氧成正比，测出该电流就可以知道水中溶解氧的含量。 然而这种膜传感器有不够稳定、需经常维护的缺点。耳前国外新型的溶解 氧传感器采用的是三电极结构，这种传感器具有测量精度高、可进行温度补偿， 能发现电解质恶化的自诊断功能。选用抗污染能力强的膜作为测量元件，适用 于污水处理等恶劣环境，可以在含有重金属的悬浮液或含有硫化氢的液体中使 用，传感头寿命长，调换方便，维护工作量小“ 。本系统选用的w q 4 0 1 型溶解 氧传感器就属于具有这种结构的传感器，测量范围：0 1 0 0 ，精度为0 5 。 1 3 电导率传感器 测量电导率的传感器主要有两种：接触式传感器和无电极传感器。 1 接触式传感器 这种传感器适用于测比较干净的水溶液，电极直接接触被测溶液工作，通 过交流电再测得流过电极的电流，就知道液体的电导率。一般水的电导率温度 系数为1 4 n t r - 2 ，因此需用热敏电阻进行补偿。对于高纯水的测量，一个困难 是很难配置低电导率的定标标准液。国外新型的传感器，可以进行干定标。由 于这种传感器的电极常数和温度常数能很精确地测得并标在传感器上，将这些 常数送入配套的智能仪表，通过内置的微电脑运算后就可以定标了，避免了测 低电导率时配置标准液的困难，用户使用起来就非常简单、方便。 6 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 2 无电极传感器 这种传感器适用于测量污水，不易被污染，不易结垢，其原理为：传感器 上绕有两组线圈，一组为发送线圈，一组为接收线圈，当传感器置于液体中时， 发送线圈通以交流电，接收线圈感应到的信号与被测液体的电导率成正比，因 此测出这个信号就可知道液体的电导率。当与智能仪表配套使用时，不仅可以 测控电导率，还可以测控溶液的浓度，拓宽了仪表的应用范围，这种传感器比 较多地用于污水处理、锅炉给水和食品工业。在本论文研制的系统中所选用的 w q 3 0 1 型电导率传感器就是采用这种原理制造的，测量范围：0 - 5 0 0 0us ， 莩 度为1 。 1 4 浊度传感器 浊度计的形式主要有：透射光浊度计、散射光浊度计、透射散射光浊度计 和表面散射浊度计。目前世界上先进的浊度计均采用e p a 认可的散射测浊法。 它的工作原理是：当光线经过被测液体，一部分穿过液体，一部分被液体吸收， 一部分被悬浮物所散射，只要测量散射光就可以知道浊度。悬浮物的数量增加， 散射光的数量也增加，通过光电元件测量出的浊度也增加，散射光强度与浊度 成正比。在散射测浊法中，又可分为单光束法和比例法。本系统选取的w 0 7 0 0 型浊度传感器的工作原理就是光散射法原理，测量范围：o - 2 0 0 n t u ，精度为 1 。 在浊度计的使用中，定标是一个难题。单光束法和比例法有它们的优点， 但都不能避免因光源、光电器件老化而带来的影响，因此需要经常定标。定标 所需的标准样液，得由浊度计制造厂提供，而且保存期一般不超过一年，因此 使用单位还不能大量采购，这给仪表的正常使用带来限制。作为定标模块，近 年来，有些公司采用了浊度玻璃( 小粒子均匀分布在特种玻璃中) 。这种玻璃 立方体的浊度值不会随时间、温度而变，无需经常定标，而且操作简便，无损 于操作人员的健康，解决了以往浊度定标的困难，是浊度计未来发展的一个趋 势。 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 1 5 温度传感器 在工业中常用的温度传感器是热电式传感器，它主要有两种：一种是热电 势式测温传感器，另一种是热电阻式温度传感器。本系统中选用的w q i o i 型温 度传感器属于热电阻式温度传感器，它的测量范围是- 5 0 - 5 0 。c ，精度为0 1 。这种传感器是利用导体在温度变化时，其本身的电阻也发生变化的特性， 来测量温度的。大多数金属导体的电阻随温度变化的关系可由下式表示： r t = r o 1 + ( t - t 。) ( 卜2 ) 式中：r 热电阻在t 时的电阻值； r 。热电阻在t 。时的电阻值； q 热电阻的电阻温度系数1 。 可见，只要a 保持不变，则金属电阻r 将随温度线性地增加，其灵敏度s 为： s ：去譬：a ( i - 3 ) j = = a 3 、 尺。衍 7 显然，a 越大，灵敏度就越大，纯金属的电阻温度系数a 为( o 3 o 6 ) l 。但是，绝大多数金属导体，n 并不是一个常数，它也随着温度的变化而变 化，只能在一定的温度范围内，把它近似地看作一个常数，不同的金属导体， n 保持常数所对应的温度不相同，而且，这个范围均小于导体能够工作的温度 范围“”。 采用金属感温传感器必须注意的问题： 1 自热误差 在电阻测量中，电阻总要消耗定电功率，它同样会造成电阻值的变化。 应尽量减小这种由于传感器通电产生的自热而引起的误差。一般是限制电流， 规定其值不超过6 m a 。 2 引线电阻的影响 由于金属传感器本身的阻值：f i b j , ，所以引线的电阻值及其变化就不能忽 略，为了消除或减小引线电阻的影响，通常采用三线式或四线式连接法。 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 2 水质参数在线监测仪的设计 为了提高我国水质监测的自动化水平，改变现行的用实验室分析方法监测 水质的做法，实现对水环境及水质的在线监测，根据我国的实际情况，研制一 种水质参数在线监测仪。该仪器作为水质参数在线监测及远程传输系统的子系 统，其设计方案是采用a t 8 9 c 5 1 单片机作为仪器的核心器件，配合相关的外围， 电路，完成信号的转换、数据处理以及水质五项常规参数的现场实时显示等功 能。 水质监测仪的硬件部分主要由单片机电路、信号调理电路、a d 转换电路 与液晶显示器( l c d ) 电路组成。主要技术问题： 设计适合单片机正常工作的时钟电路与复位电路； 解决传感器输出信号与标准电信号之间的线性对应关系问题； 设计a d c 0 8 0 9 芯片的时钟分频电路； 单片机与l c d 之间的控制线及数据线接口问题。 仪器的软件部分则包括a d 转换程序、数字平滑滤波程序、数据运算处理 程序和显示程序。主要技术问题： 实现8 个通道模拟量的循环a d 转换； 消除采集数据中的干扰点和显示数据的波动； 各项水质参数的化学或物理量与采样值之间对应关系； 仪器显示字体的调用问题。 下面分别对硬件电路的工作原理、软件的设计方法及其相关的理论加以阐 述。 2 1 a t 8 9 c 5 1 单片机简介 a t 8 9 c 5 1 单片机是水质参数在线监测仪的核心器件，有必要对这种单片机 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 进行简要介绍。 单片机是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器( c p u ) 、随机存取 存储器( r a m ) 、只读存储器( r o m ) 、i o 接口电路、定时器计数器以及串行通 信接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。它主要应 用于测控系统、智能仪表、机电一体化产品和智能接口方面。单片机的多级应 用系统主要有集散控制系统、并行多机控制系统和局部网络系统胁1 。m c s 一5 l 系列单片机是一种应用比较广泛的高档8 位单片机，a t 8 9 c 5 1 单片机就属于 m c s - 5 l 系列的单片机。a t 8 9 c 5 1 单片机具有以下一些特点： 1 内部程序存储器( r o m ) 和内部数据存储器( r a 啊) a t 8 9 c 5 1 单片机有4 k 的可擦除内部程序存储器( e 2 p r o m ) ，1 2 8 b 的r a m 。 2 输入输出( i 0 ) 口 a t 8 9 c 5 1 单片机内i o 口的数量和种类较多且齐全，共具有3 2 根r o 口线。 尤其是它有一个全双工的串行口，该串口是利用两z o 口线构成的，有四种工 作方式，可通过编程选定。 3 外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间 a t 8 9 c 5 1 单片机可对6 4 皿的外部数据存储器寻址，而对程序存储器是内外 总空间为6 4 k b ，因此a t 8 9 c 5 1 单片机外部程序存储器最大寻址范围为6 4 k b 。 4 中断与堆栈 a t 8 9 c 5 1 单片机有5 个中断源，分为2 个优先级，每个中断源的优先级是 可编程的。它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达1 2 8 字节。 5 定时器计数器与寄存器区 a t 8 9 c 5 1 单片机有2 个1 6 位定时器计数器，通过编程可实现四种工作模 式。这种单片机在内部r a m 中开设了四个通用工作寄存器区，共3 2 个通用寄 存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。 6 指令系统 a t 8 9 c 5 1 单片机的指令系统功能比较强，主要表现在指令系统中包含加法、 减法、乘法、除法、比较、堆栈操作和多种位操作指令。当振荡频率接最高1 2 m h z l o 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 时，大部分指令执行时间为ius ，少数为2 i is ，乘除指令的执行时间也只有4 us 。 7 布尔处理器 a t 8 9 c 5 1 单片机的布尔处理器实际上是一个完整的一位微计算机，这个一 位微机有自己的c p u 、位寄存器、i o 口和指令集。把八位微机和一位微机结 合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策、逻辑电路仿真和实时 测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表和数据采集方面有明显的 长处。在m c s - 5 t 系列单片机中八位机与一位机( 布尔处理器) 的硬件资源是 复合在一起的，二者相辅相成，这是m c s 一5 l 在设计上的精美之处，也是一般 微处理机所不具备的。 2 2 时钟电路与复位电路的设计 2 2 1 时钟电路 为了保证单片机的正常工作，必 须给它提供时钟，单片机的时钟方式 有两种：内部时钟方式和外部时钟方 式。常用的方式是内部时钟方式，在 水质监测仪中采用的时钟电路方式， 就是这种方式，如图2 - 1 所示。单片 圈2 - 1 时钟电路 机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚x t a l i 和x t a l 2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体一 起构成一个自激振荡器。 外接晶体与电容c ，和c 2 构成并联式谐振电路，接在单片机内部放大器的 反馈回路中，这时内部振荡器便自激振荡。对外接电容c ，和c 2 的值，虽然没 有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性 和起振的快速性。图中的电容c 1 和岛都选取3 0 p f ，晶体为1 2 m h z 。在设计印 刷电路板时，晶体和电容尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容， 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 更好地保证振荡器稳定可靠地工作。 2 2 2 复位电路 单片机在启动运行时都需要复位，以便c p u 和系统中的其它部件都处于某 一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现 的，在时钟电路工作后，只要在单片机的r s t 引脚上出现2 4 个时钟振荡脉冲 ( 2 个机器周期) 以上的高电位，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应 用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使r s t 引脚保持i o m s 以上的高 电平。只要l i s t 保持高电平，单片机就循环复位；当r s t 从高电平变为低电平 以后，单片机从0 0 0 0 h 地址开始执行程序。在复位有效期间，a l e 、两i 雨引脚 输出高电平。 复位后，p o 口 p 3 口输出高电平，且皆处于输入状态，并且将0 7 h 写入栈 指针s p ( 即设定堆栈底为0 7 h ) ，同时，将程序计数器p c 和其余的特殊寄存器 清0 ( 不定位除外) 。但复位不影响单片机内部的r a m 状态。 单片机通常采用上电自动复位和开 关复位两种方式。如图2 2 所示在水质 监测仪设计中所采用的复位电路是上电 复位和开关复位组合电路。其工作原理 如上所述。在这个电路中，r ，选取i o k q ，飓为1 k q ，c 为1 0 p f ，可以保证可 靠地上电自动复位。 r s t a t 8 9 c 5 l 图22 复位电路 2 3 信号调理电路的设计 在本系统中选用的五项水质参数检测传感器的原理各不相同，它们输出电 信号的范围也各不相同，这些电信号分别表示一定测量范围内的化学或物理 量，如表2 1 所示。 为了便于单片机进行数据运算处理，设计了信号调理电路，将这些非标准 的电流信号转换成统一的4 2 0 m a o 5 v 标准信号。在信号调理电路的设计中， 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 采用l m 3 5 8 型集成运算放大器构成前后两级放大电路，前级为同相放大电路， 后级为差分放大电路，通过调节信号调理电路中的有关电位器，实现了由各种 传感器输出的非标准信号向标准信号的转变，同时也达到了各项化学或物理参 数量程调零与调满的目的，这就是信号调理电路要实现的功能。 表2 - 1 五项水质参数检测传感器的量程与输出信号对照表 名称型号量程输出信号( m a ) p h 值传感器 w q 2 0 ln 1 43 3 3 钆2 0 5 3 7 溶解氧传感器 w q 4 0 lo l o o 4 0 0 8 1 8 4 5 7 电导率传感器w q 3 0 15 0 0 0 us 4 0 ( 0 1 9 9 3 浊度传感器w q 7 0 0 o 2 0 0 n t u4 0 5 0 1 9 9 3 0 温度传感器 w q l 0 i一5 0 5 0 4 0 m 七o 0 0 2 3 。1 运算放大器简介 在信号调理电路中，用到的主要器件就是运算放大器。目前，在实际工作 中采用的运算放大器，大部分是集成电路构成的运算放大器。下面简要介绍有 关集成运放的理论。 1 集成运放的基本特性 集成运放的电路符号如图2 _ 3 所示。它有两个输入端，一个输出端。标有 “一”号的是反相输入端，表示输出电压v o 与该输入端所加信号v n 相位相反； 标有“+ ”号的为同相输入端，表示输出电压v 0 与该输入端所加信号v ，相位相 v n v pv o 图2 - 3 集成运放的电路符号 j v o h正向饱和区 广 |w l | r 一 负向饱和区 图2 - 4 集成运放的传输特性 水质参数在线监铡及远程传输系统的研究与设计 同。运放两输入端所加信号电压之差v 。- v ，即为差模输入电压。假定运放的共 模抑制比极高，其共模输出可以忽略，则运放的输出与输入的函数关系可用下 式表示： v o = - a v d 0 ，为集成运放的开环差模电压增益。 假设集成运放的输入失调电压v i o o ，同时不考虑共模信号的影响，此时 集成运放的直流传输特性如图2 - 4 所示。 差模输入电压v 。- v p v n 。从图2 4 中，可见，运放的传输特性在v 0 l a v i d v 。时为线性区，由于a 。很大，故运放的线性区很窄。集成运放作线 性放大器件时就工作于此区域。此时运放差模输入电压很小，一般只有几微伏 到几百微伏n ”。 2 集成运放的线性应用 运放工作在传输特性的线性区，其差模输入电压极小，满足于v 乱a 。 v 。 v 伽的条件。因此，应以集成运放作为基本放大电路配合外部反馈网络， 构成深度负反馈放大电路。深度负反馈使运放的净输入趋近于零，这是保证运 放工作子线性状态的关键。由于运放的开环增益非常大，引入负反馈是很容易 满足深度负反馈的条件。 根据深度负反馈使运放的净输入近似为零这一特点，可以得到集成运放线 性应用的两点重要结论： ( 1 ) 运放两输入端的差模输入电压近似为零，即 v p 2 v n ( 2 2 ) 通常称为“虚短”，因为运放两输入端可近似看成等电位，但不是真正的 短路。 ( 2 ) 运放两输入端的输入电流近似为零，即 i v 。k 0 ( 2 3 ) 通常称为“虚断”，因为运放两输入端视为不取电流，但不是断开。 利用虚短、虚断概念求解实际电路函数关系所产生的误差一般可以忽略不 1 4 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 计，因此以上二式写成v ，= v w ，i p = i n = o 。 2 3 2 运放的输入方式 集成运放有三种输入方式：反相输入、同相输入和差分输入。这里仅介绍 在设计信号调理电路时，所用到的两种输入方式，即同相输入与差分输入。 1 同相输入 如 图2 5 所示为同相输入放大电路。 信号电压通过直流补偿电阻i i 2 加到运放 的同相输入端，反馈网络r f 、r ，接于反 相输入端，构成深度电压串联负反馈放 大电路。 根据虚短、虚断的概念，有v 。= v ，= v i ， f 。堡，f ，：堡塑 h 2 百b 2 百， 于是可得 伽鲁1 + 堡r i ( 2 - 4 ) 2 差分输入 图2 - 5 同相输入放大电路 或= ( 1 + 铷( 2 - 5 ) v o 图2 _ 6 为差分输入放大电路的原理图。两路输入信号v 。，和v 。分别接到运 放的同相输入端与反相输入端。输出电压v 。通过r f 、r 1 反馈回反相输入端，形 成深度负反馈。 利用同相输入和反相输入放大电路 r f 的结果，应用叠加原理，不难求出 = 一鲁胁( 1 + r “9 m ) r + 3 一r 3 m r 1 、 “1 2 + 一般取r l = l 屯，r ，= 砩，则 v o 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 输出电压v o 与两个输入信号之差( v 。- v 。) 成正比，因而它是差分放大电 路，也是一个模拟减法运算电路。 2 3 3 信号调理电路 信号调理电路是由同相放大电路和差分放大电路构成的前后两级放大电 路。通过这两级信号调理电路，对各项水质参数的量程进行调零与调满，实现 了把各种水质检测传感器输出的非标准电流信号转换成5 v 标准电压信号的 功能。下面分别介绍这两级电路的设计。 1 前级信号调理电路 前级信号调理电路是由集成运放、 电阻和电位器构成的同相放大电路。 如图2 - 7 所示，来自各种水质检测 传感器的电流信号i 加到前级信号调正 电路的输入端，通过电阻r 转换成电压 信号v 。作为集成运放的同相输入电压 信号。根据( 2 - 5 ) 式，可以得出 图2 7 前级信号调理电路 昧( 1 + 争( 2 - 7 ) 通过调节电位器。，改变电路的放大倍数，使输出电压信号适当地增加 或减少，达到了各项水质参数的量程调满的目的。 2 后级信号调理电路 后级信号调理电路是由集成运放和有关器件组成的模拟减法运算电路。 图2 - 8 后级信号调理电路 1 6 v 0 2 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 如图2 _ 8 所示，前级信号调理电路的输出电压信号v 叭，作为后级信号调 理电路的输入信号v 。接到集成运放的同相输入端，而通过电位器从稳压 电源上获得的电压信号v ，。，作为输入参考电压信号接到集成运放的反相输入 端，并且取r 4 = r 5 ，r ：马。根据( 2 - 6 ) 式，得 陆鲁陋m 3 ) ( 2 - s ) 调节该电路中的电位器，可以改变输入参考电压信号v ，。当v 1 2 = y 。时， 输出电压信号k = 0 ，从而达到了各项水质参数的量程调零目的。 图2 - 8 中的二极管d l 为后续电路的保护器件；电容c ，是滤波电容器，用 来减少电路中产生的干扰。 2 4a d 转换器与单片机接口设计 经过上节设计的信号调理电路输出的电信号，都已经是o 5 v 的标准信号， 而且这些信号与所监测的各项水质参数之间具有良好的线性关系，因此输出的 不同电压信号可以代表水质参数的不同化学或物理量，它们与量程的关系在后 面介绍。为了使各项水质参数的值能够在水质检测仪的液晶屏上显示或者被传 送到远端的监控中心，必须先把信号调理电路输出的标准模拟信号转化成数字 信号，以便送入单片机进行数据处理与运算，使经过单片机处理后的数据与实 际测量的水质参数相对应。 把模拟量转换为数字量的器件就是a 9 转换器( a d c ) 。a d c 的种类很多， 按工作原理分，a d c 有：并行式和并串式a d c 、逐次逼近式a d c 、双积分式a d c 以及计数比较式a d c 。其中应用较广泛的a d c 是逐次逼近式a d c 和双积分式a d c 。 在水质监测仪设计中用到的a d c 0 8 0 9 芯片就属于逐次逼近式a d c 。 2 4 1 a d c 0 8 0 9 芯片的特性与引脚功能 1 a d d 0 8 0 9 芯片的特性： 分辨率为8 位； 最大不可调误差小于l l s b ； 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 单- - + 5 v 供电，模拟输入范围为0 5 v ； 具有锁存控制的8 路模拟开关； 可锁存三态输出，输出与t t l 兼容； 功耗为t 5 m w ； 不必进行零点和满度调整； 转换速度取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围：1 0 1 2 8 0 k h z ，当c l k = 5 0 0 k h z 时，转换速度为1 2 8 us 铊 。 2 a d g 0 8 0 9 芯片的引脚功能 如图2 9 所示。 表2 - 2 地址码与输入通道对应关系 地址码对应的 cba输入通道 00 0i n 0 001i n l 010q 2 0lld 3 l00i n 4 10l玎q 5 110d 4 6 11l玎呵7 12 8 22 7 32 6 42 5 52 4 62 3 7a d c2 2 80 8 0 92 l 92 0 1 01 9 l l1 8 1 21 7 1 31 6 1 41 5 图2 - 9a d c 0 8 0 9 引脚图 i n 0 - 1 n 7 ：8 路输入通道的模拟量输入端口。 d 0 - d 7 ：8 路数字量输出端口。 s t a r t ，a l e ：s t a r t 为启动控制输入端口，a l e 为地址锁存控制信号端口。 眦 肌 姗 a b c 舭 所 嘶 ：s 阱 册 脚 m 水质参数在线监测及远程传输系统的研究与设计 这两个信号可连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动a d 转换。 e o c ，o e ：e o c 为转换结束信号脉冲输出端口，0 e 为输出允许控制端口。这 两个信号也可连接在一起，表示a d 转换结束。o e 端的电平由低变高，打开三 态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。 r e f ( + ) ，r e f ( _ ) ，k ，g n d ：r e f ( + ) 和r e f ( 一) 为参考电压输入端，k 为电源 输入端，g n d 为接地端。一般r e f ( + ) 与k 连接在一起，r e f ( _ ) 与g n d 连接在 一起。 c l k ：时钟输入端。 一 a ，b ，c ：8 路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道。其 对应关系如表2 - 2 所示。 2 4 2a d c 0 8 0 9 芯片与a t 8 9 c 5 1 单片机接口设计 a d c 0 8 0 9 芯片与单片机常用的硬件接口方式有两种：查询方式和中断方式。 在水质检测仪设计中采用的接口方式为查询方式。 a d c 0 8 0 9 芯片与a t 8 9 c 5 1 单片机的硬件接口电路如图2 - 1 0 所示。 由于a d c 0 8 0 9 片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号a l e 经 两