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太原理l ：入学硕十研究生学位论文 水质监测系统的研究与设计 摘要 中国不仅存在水资源短缺和空间、h , 1 - 1 司分布不平衡的严重问题，而且 更普遍存在着水质型缺水的危机，据最新的统计表明，全国七大江河水系 的7 4 1 个监测断面2 9 1 符合三类水质，3 0 9 四、五类水质，4 0 9 劣五 类水质；全国近一半城镇饮用水源地水质不符合标准。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检测设备。据有关文献记 载，由于一些被检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，使这些水质检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，实现这一 目标的技术装置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分 析方法，测试数据滞后数小时甚至更多。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，十分需要用现代的管理手段对重 点污染源的水环境质量进行监测。 太原理。i ：人学硕十研究生学位论文 在此背景下，通过查阅大量资料，本论文对水质监测系统进行了初步 的研究，设计出一种适合在我国基层环境与水质监测单位应用的水质在线 监测及远程传输系统。该系统在实验室条件下测试，各项技术指标均达到 国家环保标准的要求，经过一段时间的运行，工作性能可靠。如果本系统 能够在全国环境部门推广应用，将会使我国基层水环境及水质监测工作提 高到一个新的水平。 本论文主要论述了将低功耗m s p 4 3 0 单片机技术及g s m 网络技术引入 水质监测系统中，实现水质信息的在线监测及远程传输。全文分六部分， 对开发设计的原理、工作过程进行了分析论述。包括： 第一章绪论，论述了项目研究背景、国内外水质监测系统发展的现状。 第二章水质参数检测传感器的选择，介绍了水质监测传感器的选择及 其原理，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 l w 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。 第三章在线水质监测仪的设计，选取低功耗m s p 4 3 0 单片机作为现场 参数在线监测子系统的核心器件，配合相关外围电路，完成信号的转换、 数据处理等功能。这部分也可作为一个独立的职能仪表，即水质参数在线 监测仪使用。 第四章系统通信方式及通信设备，在设计数据传输网络时，把系统 监控中心设置在水质环保监测部门，而把现场监测站点放置于辖区内各污 染物排放企业，监控中心的服务器和各监测站点的水质监测仪通过g s m 1 1 太原理：【：大学硕士研究生学位论文 调制解调器与监测现场下位机进行串行通信，实现数据的无线远程实时传 输。 第五章监控中心数据管理软件的设计，采用m i c r o s o f ta c c e s s 软 件设计数据库，用于保存辖区内监测站点的各项水质资料；使用v b 6 o 的a d o 数据库控件连接应用程序与数据库，用s q l 语句完成对数据库的检 索功能，可以查询到各检测站点中水质参数的瞬时值和时间段的平均值， 能够全面了解整个辖区的水质状况。 第六章对本课题设计的水质监测系统进行了总结并展望了未来水质 监测综合应用解决方案，涉及到软件系统的构架和硬件系统的建设两个方 面。 关键字：水质监测，m s p 4 3 0 ，g s m ，v b 6 0 太原理- i ：人学硕士研究生学位论文 t h ei t e s e a r c ha n dd e s i g n o fm o n i t o i u n g s y s t e mo nw a t e r q u a l i t y a bs t r a c t e n t e r i n gt h e21s tc e n t u r y ，c h i n ah a sm a n yp r o b l e m si nt h ef i e l do fw a t e r r e s o u r c es u c ha st h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e ，t h ed i s e q u i l i b r i u mi ns p a c e a n dt i m ed i s t r i b u t i o n ，a n dt h es h o r t a g eo ft h eq u a l i t yw a t e r 。a c c o r d i n gt ot h e l a t e s ts t a t i s t i c s ，i nt h er a n g eo f7 41 i n s p e c t i o ns e c t i o no f7l a r g er i v e r sg r o u p ， o n l y2 9 1 o fw a t e rm e e tt h es t a n d a r do ft h et h i r dk i n d 3 0 9 o fw a t e rc a n b ec o n s i d e r e dt ob et h ef o u r t ho rf i f t hc l a s sw a t e r 4 0 9 o fw a t e rb e l o n g st o t h ef i f t hc l a s s n e a r l yh a l fo ft h ec i t yw a t e rr e s o u r c ed o e sn o tm e e tt h eq u a l i t y o fn a t i o n a ls t a n d a r d t os t r e n g t h e nt h em o n i t o r i n go fw a t e rq u a l i t yv a r i a t i o n a n dt h ec o n t a m i n a n ta m o u n to fw a t e rq u a l i t yi n k e yd r a i n a g ea r e a ，t h e d e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a si n s t a l l e dm a n ye q u i p m e n t si nt h e y a n g t z er i v e r ，h u a ir i v e r ，t h es o n g h u ar i v e ra n dt a il a k ee t c a c c o r d i n g t or e l e v a n td o c u m e n tr e c o r d ，b e c a u s eo fs o m eu n i t s i l l e g a la c t i v i t y ，t h e s e d e t e c t i o ne q u i p m e n t so fw a t e rq u a l i t ya r eh a r d l yt o p l a yt h ea i m e dr o l e i v 太原理：1 ：大学硕+ 研究生学位论文 t h e r e f o r et h ed e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h o p e st o b ea b l et o m o n i t o rt h ew a t e rq u a l i t yo ft h ew h o l er a n g ea l ld a ya n da l lt i m ei no r d e rt o g r a s pt h ev a r i a t i o nt r e n d t h ee q u i p m e n tr e a l i z i n gs u c hp u r p o s e si sn a m e dt h e o n l i n e i n s p e c t i o n a n d l o n g r a n g e t r a n s m i s s i o n s y s t e m o fw a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r h o w e v e r ，n o w a d a y s ，i nt h ea c t u a lw o r ko ft h ew a t e re n v i r o n m e n t a l i n s p e c t i o no fo u rc o u n t r y ，m u c ho ft h ei n s p e c t i o nj o bi sd o n eb yh a n d ，s u c ha s t r a d i t i o n a l e x p e r i m e n ta n a l y s i s t h ep r o c e d u r e r e q u i r e sp e o p l e p a r t i c i p a t i o n a n dt h e r e s u l ti sn o tr e a l t i m eb u tl a g g i n g s u c ht r a d i t i o n a l m o n i t o r i n gm e t h o dc a nn o tm e e tt h en e e do fn e wr e q u i r e m e n to fs o c i e t y h e n c e ，m o d e mm o n i t o r i n gm e t h o do fw a t e rq u a l i t yi nk e yc o n t a m i n a t i o na r e a i sd e a d l yn e e d e d u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s ，m o d e mm o n i t o r i n gs y s t e mo fw a t e rq u a l i t yi n k e yc o n t a m i n a t i o na r e aw i t hc h a r a c t e r so fo n l i n ea n dr e m o t et r a n s p o r t a t i o n ， s u i t a b l ef o rc h i n e s el o c a le n v i r o n m e n t ，i sp l a n n e di nt h i sp a p e r ，a f t e rl o o k i n g i n t op l e n t yo fi n f o r m a t i o n e v e r yt e c h n i c a li n d e x o ft h i ss y s t e mm e e t st h e r e q u i r e m e n to ft h e n a t i o n a ls t a n d a r do fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n u n d e r l a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ot h i so n l i n ei n s p e c t i o na n dl o n g r a n g et r a n s m i s s i o n s y s t e mo fw a t e rq u a l i t yo f f e r san e wk i n do fd e t e c t i o nm e a n sa n ds y s t e m a t i c e q u i p m e n tf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n t a li n s p e c t i o no fw a t e rq u a l i t yi nc h i n a t h i s p a p e ri n t e g r a t e s t h em s p 4 3 0w i t hc h a r a c t e ro fl o w p o w e r c o n s u m p t i o na n dg s ma n di n t r o d u c e st h e mi n t ot h es y s t e m b yt h i sm e t h o d ， v 太原理2 1 ：大学硕十研究生学位论文 t h ei n f o r m a t i o no fw a t e rq u a l i t yc a nb em o n i t o r e do n l i n ea n dt r a n s p o r t e di n r e m o t er a n g e t h e r ea r e6p a r t si nt h i s p a p e r t h ed e t a i l e dp a r t sa r ea s f o l l o w i n g c h a p t e ro n e ，i n t r o d u c t i o n ，d i s c u s s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o nb o t hi nc h i n a a n di nf o r e i g nc o u n t r i e sa n dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d c h a p t e rt w o ，t h eo p t i o no ft h ep a r a m e t e rf o rd e t e c t i o ns e n s o ro fw a t e r q u a l i t y ，i n t r o d u c e s i t s p r i n c i p l ea n dt h eo p t i o no ft h ei n s p e c t i o ns e n s o ro f w a t e rq u a l i t y ，o nt h ef o u n d a t i o nf o rd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i m i l a rp r o d u c t a m p l ei n v e s t i g a t i o n a d o p t st h ep a r a m e t e rd e t e c t i o ns e n s o ro fw a t e rq u a l i t yo f t h ew qs e r i e so ft h ea m e r i c a nc o m p a n y si m p o r to fg l o b a lw a t e ra st h e o n l i n ei n s p e c t i o no fw a t e rq u a l i t ys y s t e m a t i cf r o n t c h a p t e rt h r e e ，t h ed e s i g no ft h eo n l i n ei n s p e c t i o ni n s t r u m e n to fw a t e r q u a l i t y ，s e l e c t st h em s p 4 3 0s i n g l ec h i pm a c h i n ew i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t ob et h ek e yd e v i c eo ft h ep a r a m e t e ro n l i n ed e t e c t i o ns u b s y s t e mo n t h e - s p o t w h i c hi ss u i t a b l ef o rr e l a t e dp e r i p h e r a lc i r c u i t ，a n dc a nc o m p l e t et h ef u n c t i o n s s u c ha sd a t ah a n d l i n ga n dt h ec o n v e r s i o no f s i g n a l t h i sp a r to fc a np l a ya sa n i n d e p e n d e n tf u n c t i o n a lm e t e r ，t h a ti st h e o n l i n ei n s t r u m e n to fw a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r c h a p t e rf o u r ，s y s t e m c o m m u n i c a t i o n w a y a n dc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t ，i nd e s i g n i n gd a t a t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，t h e p a p e r i n s t a l l s s y s t e m a t i cm o n i t o r i n gc e n t e ri nt h ei n s p e c t i o nd e p a r t m e n to fw a t e rq u a l i t yo f v i 太原理：l ：大学硕士研究生学位论文 e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n d p l a c et h ei n s p e c t i o nw e bs i t e o n t h e - s p o t i n e a c hc o n t a m i n a n te m i s s i o n e n t e r p r i s e ，t h ei n s p e c t i o ni n s t r u m e n t o fw a t e r q u a l i t yo f e a c hi n s p e c t i o nw e bs i t ea n dt h es e r v e ro f m o n i t o r i n gc e n t e rc a r r i e s o u ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nt h r o u g hg s mm o d e ma n dt h ei n s p e c t i o np o s i t i o n m a c h i n eo n t h e s p o t ，a sar e s u l t ，t h ed a t ac a nb et r a n s m i t t e di nr e a lt i m ea n d r e m o t er a n g e c h a p t e r f i v e ，t h ed e s i g no fm o n i t o r i n gc e n t r a ld a t am a n a g e m e n t s o f t w a r e ，a d o p t i n gm i c r o s o f ta c c e s ss o f t w a r ed e s i g nd a t a b a s e ，i su s e di n e v e r y w a t e r q u a l i t yi n s p e c t i o n w e bs i t ei n p r e s e r v i n gj u r i s d i c t i o n i n f o r m a t i o n ；w i t ht h eh e l po fv b 6 0a n dt h ea d od a t a b a s e c o n n e c t i o n 。 a p p l i c a t i o np r o g r a ma n dd a t a b a s e ，t h i sp a p e rc o m p l e t e st h er e t r i e v a lf u n c t i o n f o rd a t a b a s ew i t hs q l s e n t e n c e ，w h i c hc a ni n q u i r et h ea v e r a g eo ft i m es e c t i o n a n dt h ei n s t a n t a n e o u sv a l u eo ft h ep a r a m e t e ro fw a t e rq u a l i t yi ne a c hd e t e c t i o n w e bs i t e ，c a nk n o wt h ec o n d i t i o no f w a t e r q u a l i t yo f e n t i r ej u r i s d i c t i o n c h a p t e rs i x ，t h es u m m a r ya n do u t l o o ko ft h i ss y s t e m ，s u m m a r i z e sa n d p r e d i c t st h ei n s p e c t i o ns y s t e mo fw a t e rq u a l i t yw h i c hs y n t h e s i z e sa p p l i c a t i o n s o l v i n gs c h e m e ，a n dd i s c u s s e st h et w oa s p e c t so f s o f t w a r ef r a m ea n d h a r d w a r es y s t e m a t i cc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：w a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n g ，m s p 4 3 0 ，g s m ，v b 6 0 v i i 太原理丁：入学硕十研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 随着社会的发展，人们环境意识提高了，对环境质量的要求也不断提高。环境质 量的提升有利于提升我国的可持续发展能力，改善生态环境，促进生态经济的发展和 产业结构的调整，推动全国走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。 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染治理的力度和速度。 中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 着水质型缺水的危机，据最新的统计表明，全国七大江河水系的7 4 1 个监测断面 2 9 1 符合三类水质，3 0 9 四、五类水质，4 0 9 劣五类水质；全国近一半城镇饮用 水源地水质不符合标准。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检测 设备。据有关文献汜载，由于一些被检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，使这些水质检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，实现这一目标的技术装置称之为水 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分析方法，测试数据滞后数小时甚至更多。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，十分需要用现代的 管理手段对重点污染源的水环境质量进行检测。1 。 太原理。l ：人学硕士研究生学位论文 1 2 国内外水质监测技术的现状 12 1 国内水质监测技术的现状 为了保护我们同益严峻的生存环境，我国不断加大环境保护的力度，并把环境产 业作为优先发展的基础产业之一。我国对水污染是采取预防为主的方针，制定了一系 列的排放标准，并强制规定工业废水必须经过污水处理并达到排放标准。同时加强了 监管的力度，对废水未达到排放标准的工矿企业采用罚款、停产整顿等手段，其中最 主要的措施是对水质分析项目定期监测，严格控制污水和废水的排放标准，以免水体 被污染。 多年以来，我国的环境监理工作一直采用人工采集、分析数据、手工汇总制表等 工作手段，由于采样间隔时间长，数据分析汇总慢，传递不及时，难以对当地的环境 现状f 确、及时地进行整体把握。近年来，国内的耳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，但从事水质参数检测研究的极少，我国 最早研究水质检测仪器的上海雷磁仪器厂，曾经研制出s j g 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检测仪器：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”。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，但这种网络大多数与上下级 环境监测部门之间的数据传输，而基层监测部门与辖区内污染物排放企业中的现场监 控目标之问实施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，很多属于在线式检测仪器，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? “。 1 2 2 国外水质监测技术的现状 国外早期河流水系的水质监测方法是定时定点在河流的某些断面取瞬时水样，带 2 太原理i j 大学硕士研究生学位论文 回实验室分析。但这种人工抽查式的监测方法不能及时、准确地获得水质不断变化的 动态数据。为了尽早发现水质的异常变化，迅速做出下游水质污染预报，及时追踪污 染源，研究水的稀释、自净规律，国外在完善实验室监测的同时，陆续发展了水质移 动监测系统和自动监测系统。 水质移动监测系统以移动监测车为基本监测单元，以便携水质实验室和现场水质 多参数分析仪为分析手段，以g p $ 全球卫星定位系统和g p r s g s m 无线数据通讯装置 为信息载体，有效地解决了偏远地区、水域水质监测的困难。 水质自动监测系统w q m s ( w a t e rq u a li t ym o n i t o r in gs y s t e m ) 以监测水质污染 综合指标及其某些特定项目为基础通过在一个水系或一个地区设置若干个有连续自 动监测仪器的监测站，由一个中心站控制若干个子站，随时对该区的水质污染状况进 行连续自动监测，形成一个连续自动监测系统”。 水质自动监测系统是2 0 世纪7 0 年代发展起来的，在美国、英国、日本、荷兰等 国已有相当规模的广泛应用，并被纳入至网络化的“环境评价体系”和“自然灾害防 御体系”。- n 可为综合评价水功能区的水环境质量提供基础性数据，二则可迅速发 现突发性水质污染事故或天灾，将水域异常水质情况、污染传播源及影响规模通过系 统的通讯网络传至控制中心，为决策部门把握灾害的性质状态，从而制定灾害的防治 对策提供依据”1 。 1 3 论文的设计思路 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。 在研制的过程中，选取m s p 4 3 0 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，将水质传感器监测到的电信号转换成4 - 2 0 m a 0 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 3 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 员的观测、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，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接入g s m 网络的短消息业务( s m s ) 进行信息交换与数据传输。 在监控中心的电子地图上显示监控中心和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 分析和决策提供科学依据。 1 4 论文完成的主要工作 l 、研制水质五项常规参数地在线监测仪器，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： 一 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监测站点的水质监测仪 之间的远程通讯，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、统计以及通行分析 等功能。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章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 l w 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，还是响应时问、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 2 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 31 6 ) ( 7 一p h )( 2 - 1 ) 式中：t 一温度， 由此可见，p h 值与输出电压成线性关系，并且和温度有关，当高精度测量时需 要对温度进行补偿。 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题”3 。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：0 - 1 4 p h ，精度可达士0l p 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 a c h 、 5 1 4 、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的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低标准液的困难，用 户使用起来就非常简单、方便。 6 太原理，i ：火学硕士研究生学位论文 2 3 2 无电极传感器 这种传感器是用于测量污水，不易被污染，不易结垢，其原理为：传感器上饶有 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f 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 0 p s ，精度为4 - 1 。 2 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f 比。在散射测浊法中，又 可分为单光束发和比例法。本系统选取的w q 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 ，精度为士l 。 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( 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，而且操作简单，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”1 。 7 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 2 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 l o l 型温度传感器属 于热电阻式温度传感器，它的测量范围是一5 0 5 0 。c ，精度为士01 。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 = r 。 1 + q ( t t 。，) ( 2 - 2 ) 式中：r 一热电阻在t 时的电阻值： r 一热电阻在t 。时的电阻值； q 一热电阻的电阻温度系数l a j 见，只要c t 保持不变，则金属电阻r 。将随温度线性的增加，其灵敏度s 为： s ：上盟：口 r o d t ( 2 3 ) 显然，q 越大，灵敏度就越大，纯金属的电阻温度系数q 为( 0 3 o 6 ) i c 但 是，绝大多数金属导体，q 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，把它近似的看作一个常数，不同的余属导体，d 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”1 。 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，电阻总要消耗一定电功率，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 由于会属传感器本身的阻值很小，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。 8 太原理：【人学硕士研究生学位论文 第三章在线水质监测仪的设计 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m s p 4 3 0 f 4 4 9 微处理器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m s p 4 3 0 单片机电路、电源电路、信号调理电路、 l c d 显示电路、串行接口电路、a d 电路、键盘电路等组成”j ，见图3 1 。下面具体介 绍各部分电路： 图3 一l 系统硬件结构框图 f i g3 - ld i a g r a mo fh a r d a r es t r u c t i o n 9 由 行 通 信 太原理一r ：人学硕十研究生学位论文 水质监测仪的软件部分则包括a 9 转换程序、数字平滑滤波程序、数据运算处理 程序和现实程序。主要技术问题： 3 1m s p 4 3 0 微处理器简介 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器公司近几年丌发的新一代1 6 位单片机，该单片 机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗， 非常适合各种功率要求低的应用。有多个系列和型号，它们分别在一些基本功能模块 按不同的应用目标组合而成。由于其功能丰富因而又称之为混合型单片机。典型应用 是智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用己f 1 趋广泛1 。 m s p 4 3 0 系列单片机具有以下一些共同特点： ( 1 ) 低电压、超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机，在1 8 3 6 v 电压、1 m h z 的时钟条件下运行，耗电电流( 在 0 1 4 0 0ua 之间) 在不同的工作模式而不同：具有1 6 个中断源，并且可以任意嵌套， 使用灵活方便：用中断请求将c p u 唤醒只要6us ，可编制出高实时性的源代码：可将 c p u 至于省电模式，以用中断方式唤醒程序。 ( 2 ) 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址， 4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及 片内数据存储器都可以参加多种运算：还有高效的查表处理方法：有较高的处理速度， 在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 n s 。 ( 3 ) 系统工作稳定上电复位，先由d c o 振荡器启动c p u ，保证程序从f 确的位置 开始执行，保证晶体振荡器有足够的时问起振及稳定时间。然后可通过软件来设置系 统的时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟时发生故障，d c o 会自动启动，保证系 统f 常运行：如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 ( 4 ) 丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设，它们分别是以下一些外 0 太原理：i ：人学硕士研究生学位论文 围模块的不同组合：看门狗( w d t ) 、定时器a ( t i m e r a ) 、定时器b ( t i m e r b ) 、比较器、串 口0 ( u s a r t o ) 、串口l ( u s a r t l ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、1 0 位1 2 位a d c 、1 4 位a d c 、 数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入输出端口、基本定时器( b a s i ct i m e r ) 。 ( 5 ) 方便高效的开发环境 m s p 4 3 0 系列单片机均可由m s p f e t 4 3 0 p 1 4 0f l a s h 仿真工具( f e t ) 提供支持。该f e t 是一种完整的集成丌发环境。包括源代码级调试器、仿真器、汇编链接器、c 编译器 等。对于f l a s h 型则有更方便的丌发调试环境，因为通过器件片内的j t a g 调试接口， 还有可电擦写的f l a s h ，可以采用先下载程序到f l a s h 内，进行程序调试。开发语言有 汇编语言s n c 语一言。此外，也可以通过# t a g 标准接口指令，编制主控端下载程序， 实现被测电路的运行控制和状态察看。本文也将介绍j t a g 应用接口并给出模块设计。 ( 6 ) 适应工业级运行坏境 m s p 4 3 0 系列单片机的运行环境温度为一4 0 + 8 5 “c ，所设计的产品适合运行于工 业环境下。 ( 7 ) 多种时钟模块 m s p 4 3 0 单片机有三种时钟源可以选择提供给a c l k ，s m c l k ，m c l k 。其中l f x t l 提供 给外围设备3 2 7 6 8 h z 的时钟，l f x t 2 可以提供高达8 m h z 的时钟供单片机运行使用，d c o 为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，当x t a l t 2 没有提供 时，系统依靠d c o 运行，整个时钟配置可以通过f l l c t l os n f l l c t l i $ 1 j s r 等控制寄存 器中相应的位来选择和控制，以满足用户对系统的要求。 ( 8 ) 型号种类多 m s p 4 3 0 系列单片机型号种类繁多，可以满足不同系统的需求1 。 3 2m s p 4 3 0 f 4 4 9 微处理器 m s p 4 3 0 x 4 4 x