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太原理工大学硕士研究生学位论文 污水排放计量系统的研究 摘要 当今时代，随着生产水平的提高，现代化生产规模不断扩大，涉及到 的领域不断增多，所耗费资源的种类与数量迅速上升，因而带来了世界范 围内严重的环境污染问题。随着我国乃至全世界对环境保护问题的重视， 环境治理与保护的步伐不断加快。为了更有效地推进城市规划和污染治理 等工作，就迫切需要对工业“三废”之一的污水排放加以综合管理与控制。 因此，准确计量核定污水流量成为一项非常必要的基础工作。本文在分析 综述了国内外污水计量发展现状的基础上，提出了一种薪型的污水检测手 段，并设计了污水排放计量系统。 在查阅大量资料的基础上，本文设计出污水排放计量系统。系统采用 计算机、单片机、数字式水位计量方法及无线射频等技术，实现了污水流 量数据的远程实时采集。系统分为主站( 包括中央计算机和射频模块) 和测站 ( 包括感应式数字水位传感器、巴歇尔槽以及射频模块) 两部分，其工作过程 为：将感应式数字水位传感器与巴歇尔槽组合采集到的水位数据变送成 i - 5 v 标准电压信号后，通过m s p 4 3 0 f 1 4 9 进行a d 转换，其中，采集精度 为1 2 位，采集率设为1 h z 。a j d 转换完成后，利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的串行口 将数据通过射频芯片n r f 4 0 1 无线传输到主站，主站中央计算机通过串口与 射频芯片通信，向测站发送请求信号，并接收测站上传的数据。主站射频 芯片的工作模式由a t 8 9 c 5 1 控制。中央计算机从串口接收到数据以后，利 用v c + + 实现数据的计算、存储、查询及显示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统主站和测站均采用n r f 4 0 1 与单片机组成的无线射频模块实现远程 无线通讯，具有设计新颖、通讯可靠、抗干扰能力强等特点。 论文的第一部分介绍了污水计量系统的相关概念，包括巴歇尔槽流量 计量以及感应式数字水位传感器的基本原理及特点。第二部分介绍了系统 硬件设计，包括主站射频模块和测站射频模块电路的设计。最后一部分介 绍了系统软件设计，主要包括主站中央计算机软件设计，主站射频模块软 件设计以及测站射频模块软件设计。 本污水排放计量系统可广泛应用于污水处理厂自动化生产管理以及环 保行业对废水排放量的控制，适合我国现阶段污水计量环境。它的研制成 功必将加大污水排放计量的管理力度，加快环保行业污水计量收费的步伐， 改善目前环保状况。 关键词：m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a t 8 9 c 5 1 ，n r f 4 0 1 无线射频芯片，感应式数字水位传 感器，巴歇尔槽 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo nt h es y s t e mo fs e w a g e e d u c t i o nm e a s u r e m e n t a b s t r a c t a tt h e p r e s e n tt i m e ，w i t h t h e i m p r o v e m e n to fp r o d u c t i v i t ya n dt h e c o n t i n u o u sw i d e n i n go ft h em o d e mp r o d u c t i o ns c o p e ，t h er e l a t i o n a lf i e l d s i n c r e a s ec o n t i n u o u s l y ，a n dt h ek i n da n dq u a n t i t yo fu s e dr e s o u r c er i s er a p i d l y t h ep r o b l e mo fg l o b a le n v i r o n m e n tp o l l u t i n gi sa r i s e n w i t ht h er e c o g n i t i o no n e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，t h er a t eo fp r o t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n ge n v i r o n m e n t q u i c k e nc o n t i n u o u s l y i no r d e rt oi m p r o v et h ec i t yp l a n n i n ga n de n v i r o n m e n t f a t h e r i n g ，t h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o l l i n go fs w a g ea r er e q u i r e du r g e n t l y i t b e c o m e sab a s a lw o r kt om e a s u r es w a g ef l u xw e l la n dt r u l y b a s e do nt h e a n a l y s e sa n ds u m m a r i z i n gt ot h ei n t e r n a la n do v e r s e a ss w a g em e a s u r e m e n t a c t u a l i t y ，an e ww a yo fs w a g em e a s u r e m e n ti sa d v a n c e d ，a n dt h e nt h es w a g e e d u c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d b a s e d o n ，r e f e r r i n g t ot h ea b u n d a n t i n f o r m a t i o n ，as w a g ee d u c t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e mi n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo ft h e c o m p u t e r , t h es i n g l e c h i p ，t h ed i g i t a lw a yo fw a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ta n d w i r e l e s sr a d i of r e q u e n c y , a n dt h e ni m p l e m e n t st h er e m o t er e a lt i m es a m p l i n go f s w a g ef l u x t h es y s t e mi n c l u d e sh o s ts t a t i o na n dm e a s u r e m e n ts t a t i o n s t h e h o s ts t a t i o ni sc o n s t i t u t e db yc o m p u t e ra n dr a d i of r e q u e n c ym o d u l e ，a n dt h e n l 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e a s u r e m e n ts t a t i o ni sc o n s t i t u t e db yi n d u c t i v ed i g i t a lw a t e rl e v e ls e n s o r ， p a r s h a l lf l u m ea n dr a d i of r e q u e n c ym o d u l e t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h es y s t e m i sa sf o l l o w s a f t e rc o n v e r t i n gt h ew a t e rl e v e ld a t as a m p l e db yt h ei n d u c t i v e d i g i t a lw a t e rl e v e ls e n s o ra n dt h ep a r s h a l lf l u m et ot h ev o l t a g eo f1 5 v ，t h e c o n v e r s i o ni se x e c u t e db ym s p 4 3 0 f 1 4 9f r o ma n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a lb y t h es a m p l i n gr a t eo f1 h za n dt h es a m p l i n gp r e c i s i o no f1 2b i t s t h r o u g ht h e n r f 4 0 1 ，t h e d a t ai st r a n s m i t t e dt oh o s ts t a t i o n u s i n g t h eu s a r to f m s p 4 3 0 f 1 4 9 t h ec o m p u t e ri nh o s ts t a t i o nc o m m u n i c a t e sw i t ht h er fm o d u l e t h r o u g ht h es e r i a lp o r t ，o nt h eo n eh a n ds e n d sm e s s a g et om e a s u r e m e n ts t a t i o n ， o nt h eo t h e rh a n dr e c e i v e st h ed a t af r o mm e a s u r e m e n ts t a t i o n t h ew o r k i n g m o d eo fr fm o d u l ei sc o n t r o l l e db ya t 8 9 c 51 t h eh o s ts t a t i o nc o m p u t e r r e c e i v e sd a t af r o ms e r i a l p o r t ，a n d c o m p l e t e st h ec o m p u t i n g ，s t o r i n ga n d d i s p l a y i n go ft h ed a t a t h es y s t e mr e a l i z e st h er e m o t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s t s t a t i o na n dt h em e a s u r e m e n ts t a t i o nb yw i r e l e s sr a d i of r e q u e n c ym o d u l ew h i c h i sm a d eu po f n r f 4 0 1a n ds i n g l e c h i p i th a sm a n yf e a t u r e s ，f o re x a m p l e ，n o v e l t y o f d e s i g n ，a c c u r a t ec o m m u n i c a t i o n ，s t r o n gr e s i s t i b i l i t yo fd i s t u r b a n c e ，a n ds oo n t h ef i r s tp a r to f t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yr e l a t i v et ot h es y s t e mo f t h e s w a g em e a s u r e m e n t ，i n c l u d i n gt h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ef l u x m e a s u r e m e n to fp a r s h a l lf l u m ea n dt h ei n d u c t i v ed i g i t a lw a t e rl e v e ls e n s o r t h e s e c o n dp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n g t h ec i r c u i td e s i g no fh o s ts t a t i o nr fm o d u l ea n dm e a s u r e m e n ts t a t i o nr f i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o d u l e t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ， i n c l u d i n gt h ec e n t e rc o m p u t e ro ft h eh o s ts t a t i o n ，t h er fm o d u l eo ft h eh o s t s t a t i o na n dt h er fm o d u l eo f t h em e a s u r e m e n ts t a t i o n t h es y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di nt h ep r o d u c tm a n a g e m e n to fs e w a g e d i s p o s a lp l a n ta n dt h es c i e n t i f i c a l l yc o n t r o l l i n ga b o u tt h ew a s t e dw a t e r t h e s y s t e mc a nb ea d a p t e d t oo u rp r e s e n ts t a t eo fs e w a g em e a s u r e m e n t t h e d e v e l o p i n gs u c c e s s o ft h es y s t e mw i l li n c r e a s em a n a g e m e n ta b o u ts e w a g e e d u c t i o nm e a s u r e m e n t ，p r o m o t et h em e a s u r e m e n ta n dc h a r g i n gr a t eo fs e w a g e ， a n di m p r o v eo u rc i r c u m s t a n c e k e y w o r d s ：m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a t 8 9 c 5 1 ，n r f 4 0 1w i r e l e s sr a d i of r e q u e n c yc h i p ， i n d u c t i v ed i g i t a lw a t e rl e v e ls e n s o r ，p a r s h a l lf l u m e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索弓 图2 一l 系统拓扑结构9 图3 1 文丘里水槽示意图2 0 图3 - 2 巴歇尔槽外形图2 2 图4 - i 感应式数字水位传感器工作原理图2 8 图4 - 2 水位变送器电路原理图3 0 图5 1 系统整体结构图3 7 图5 - 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 结构图4 1 图5 3n r f 4 0 1 内部结构与部分外围电路4 5 图5 - 4 测站结构图4 7 图5 - 5m s p 4 3 0 f 1 4 9 外围电路图4 8 图5 6n r f 4 0 1 外围电路图4 8 图5 - 7m s p 4 3 0 f 1 4 9 与n r f 4 0 1 接口电路示意图4 9 图5 8 测站射频模块复位电路5 0 图5 - 9 测站射频模块电源电路5 l 图5 1 0 测站射频模块串口电路5 1 图5 - 1 1 主站结构图5 2 图5 1 2a t 8 9 c 5 1 外围电路图5 3 图5 - 1 3a t 8 9 c 5 1 与n r f 4 0 1 的接口电路示意图5 3 图5 1 4 主站射频模块复位电路5 4 图5 - 1 5 主站射频模块电源电路5 4 图5 - 1 6 主站串口电路5 5 图6 1 主站向测站发送请求信号格式5 7 图6 - 2 测站向主站发送数据格式5 8 图6 3 测站射频模块主程序流程图5 9 图6 - 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 初始化流程图6 0 图6 5 主站射频模块主程序流程图6 2 图6 6u a r t 中断服务程序流程图6 4 图6 - 7 系统主界面6 6 图6 8 单测方式程序流程图7 0 图6 9 巡测方式程序流程图7 1 图6 1 0 采集当前站点程序流程图7 2 表5 1 几种射频芯片的比较4 4 表5 2n r f 4 0 1 时序表4 6 表6 1a t 8 9 c 5 1 串口工作方式6 3 表7 一l 巴歇尔槽流量计量公式验证实验结果7 6 表7 2 系统整体功能验证实验结果7 8 x 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取彳导的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：_ 二毒扯 e tl i i i ：型匀! 生扯 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 壹硅： 日期：婴1 ：! 12 e t l t t l ：蜱：主：! z 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 1 1 1 流量计量的意义 流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有 着密切的关系。做好流量计量工作，对于保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术 的发展都具有重要的作用。特别是在能源危机、工业生产自动化程度越来越高的当今时 代，流量计量的地位与作用更加明显。 1 流量是工业生产过程和科学实验的重要参数 流量与温度、压力、物位一样，是一般生产过程的重要参数。人们依靠这些参数对 生产流程进行监督和控制，并实现生产过程的自动化。这对提高产品的质量与产量，保 障生产安全，改进操作工艺，改善生产条件及科学实验等方面都有着重要意义。同时， 流量是企业经济核算的重要依据，准确可靠地进行流量计量能保证企业生产高效率进 行，并保证企业获最佳经济效益。 2 流量计量是能源计量的重要组成部分 能源是国民经济发展的重要物质基础。当前，能源问题已成为我国国民经济中的一 个突出问题。节约能源已被中央确定为一项重要方针。要搞好节能工作，首先必须对能 源进行科学管理，能源的计量测试工作是对能源进行科学的管理的一项基础工作。这一 工作如果做得不好，节能的效果就难以确定。生产和生活中的水、油、气及其它流体介 质，均属流量测量的范围。因此，做好流量计量工作对于节能工作具有重要意义。 我国不仅是一个大的能源消耗国，而且能源利用率也很低，比发达国家约低2 0 左 右，所以我国节能的潜力是很大的。如果能源利用率提高l ，其经济效益将是非常可 观的。在节能工作中，流量计量将起到极为重要的作用。 1 1 2 流量计量的简史与前景展望 1 简史 自古以来，流量测量都是人类文明一种标志。埃及人用尼罗河的流量来预报年成的 好坏。古罗马人修渠引水，采用孔板测量流量。但是，由于经济生产落后，直到本世纪 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 0 年代，工业中使用的主要流量计只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。被测介质的范 围也较窄，测量准确度也只满足低水平的生产需要。第二次世界大战后，随着国际经济 和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来。为解决 不同种类流体及不同流动状态下的流量计量问题，近3 0 年来，先后研制并投入使用的 流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几 十种新型流量计。 目前国外投入使用的流量计有1 0 0 多种，国内定型投产的也有近2 0 种。随着工业 生产自动化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占的比重越来越大。据国内外资料表 明，在不同工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1 5 3 0 。随着流量仪表的 迅猛发展，流量标准装置也得到较快发展，流量量值传递网络已经形成。目前水、汕、 气高精度的流量标准装置已在国家、省、市计量机构建立，确保其流量量值传递的准确 一致。 尽管如此，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展对流量计量提出 的要求越来越高，流量计量的现状远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问 题有待进一步研究解决。目前主要存在如下问题： ( 1 ) 流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求。对于一些腐蚀性 流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量及微小流量，有待研究有效的测量 手段。 ( 2 ) 流量标准装置不能满足流量计检定要求，研制现场实液检定流量计的标准装置， 是我国目前情况下急待解决的问题。 ( 3 ) 流量仪表的配备差距大直接影响着工业成本核算与经济管理。 上述问题的存在直接影响着流量计量的发展，目前已引起许多国家的重视。 2 前景展望 目前流量计量的发展动向可综述为以下几个方面： ( 1 ) 采用新技术、研制新型流量计。随着科学技术的发展，超声波、激光、电磁、核 技术及微型计算机等新技术进入流量计量领域，使得流量计量技术大大发展；流量传感 器趋向电子化和数字化，为流量计量开拓了新的领域。 ( 2 ) 开展特殊流量测量研究，如大流量、高粘性流体、极低温流、多相流、高压及低 压气体流量测量等。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 在线检定流量计标准装置的研究。流量计目前大多采用离线检定法。使用该方法 核定的流量计虽经误差修正，但因其检定条件与流量计的使用条件相差甚大造成附加的 使用误差，降低了测量准确度。在线实液标定是解决这一问题的根本方法。在线实液标 定法的主要问题是标准装置的合理设计。移动式标准装置和标准流量计是目前人们比较 重视的，但距实用还有一定距离。 随着科学技术的飞速发展，相信通过广大流量计量科学工作者的努力，在今后较短 时期内，流量计量技术将会提高到一个新的水平。 1 1 3 污水流量计量的意义 随着我国乃至全世界对环境保护问题的重视，城市环境治理与保护的步伐不断加 快。为了更有效的推进城市规划和污染治理等工作，迫切需要对工业“三废”之一的废 水排放加以综合管理与控制。 根据废水排放现状，国家对排污实行了总量控制的政策，在全国范围内推行水污染。 物排放许可证制度，污水的排放管理已成为环保工作的当务之急，而对这方面的流量计 量的需求也不断增多，准确计量核定污水流量就成为一项非常必要的基础工作。目前， 污水计量成为国家环保局的一个重大项目。 污水计量作为全国性的计量大难题，多年来一直没有很好的解决。研制经济实用、 操作简单、便于管理、运行费用低且计量准确及时的污水计量装置，已成为现阶段环保 方面的一个重要工作。因此，研制开发针对污水排放的流量计量系统具有很强的现实意 义和应用价值。 1 2 污水流量计量技术发展状况 根据不同的测量条件和测量目的，目前采用的污水流量计主要有以下几种：压差式 流量计、容积式流量计、转子式流量计、，水轮式流量计、电磁式流量计、超声波式流量 计、明渠流量计等。以下分别作一简单介绍： 1 压差式流量计 压差式流量计也叫水头式速度流量计， 这一类流量计的主要装置有文丘里流量计、 2 容积式流量计 是通过测量水头差来间接测出流速。属于 孔板流量计和皮托管流量计。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 容积式流量计是在稳定流条件下，高精度测量流量的仪器，其特点是有一个或多 个移动的容积部件装在流道上，用于测试流量。属于这一类的流量计有往复活塞式流 量计、旋转活塞式流量计、旋转叶片流量计和旋转转盘式流量计。 3 转子式流量计 转子式流量计是一种截面积变化的流量计，它由一个锥形竖直管和浮子构成。液 体从下而入，带动浮子上升。浮子用来指示流量，它比流体重，当流体流过锥形管时， 浮子上升直到浮子的重力和液体的浮力相平衡时为止。根据浮子的力平衡公式计算出 体积流量。转子流量计仅用于清洁的液体，且只能测较小流量。 4 水轮式流量计 水轮式流量计的运行类似于一个水轮，叶轮装在一个有流体流过的工作塞中，由 液体冲击叶片表面带动叶轮转动，转子的转动可以直接带动一个记录器，记录工作室 内流量增量。 5 电磁式流量计 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体流量的仪表。 电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐 蚀流的测量。七八十年代电磁流量计在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类 流量计，在流量仪表中其使用量百分比不断上升。 6 超声波流量计 超声波流量计是通过检测流体流动对超声束( 或超声脉冲) 的作用以测量流量的 仪表。根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差 法、相位差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。 超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量 计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突 出的优点，近年来也是发展迅速的流量计之一。 7 明渠流量计 以非满水状态流通的水路，即具有自由水面的水路叫做明渠( o p e nc h a n n e l ) 。测量 明渠中水流流量的装置称作明渠流量计。明渠流量计除圆形外，还有u 字形、梯形、 矩形等多种形状。明渠流量计的应用场所有：城市供水引水渠、火电厂引水和排水渠、 污水治理流入和排放渠、工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉渠道。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 1 国外污水计量技术的发展现状 本文以美国和日本为例来说明国外污水流量计的发展现状。 美国在流量测试中使用比较广泛的是巴歇尔槽( p a r s h a l lf l u m o 这种计量槽是美国 - 科学家发明的。巴歇尔槽是在文丘里槽的基础上革新而成，属于明渠流量计量方法中常 用的一种器件。1 9 1 5 年在美国科罗拉多州试用，1 9 2 2 年r l p a r s h a l l 对文丘里槽进行了 根本性的革新，推出了现在通用的巴歇尔测量槽，并从一种尺寸逐步扩展到从l 英寸到 5 0 英尺各种型号系列测量槽产品“1 。 为了弥补巴歇尔槽的不足，美国洛杉矶市的两位环境工作者帕尔默( p a l m e r ) 和布鲁 斯( b o w l u s ) 于1 9 3 6 年设计出了帕歇尔布鲁斯槽( p a l m e r - b o w l u st i m e ) ，即p b 槽。p b 槽是文丘里槽的一种形式，可以方便地测出地下圆形水路的水量。p b 槽以后以美国西 部为中心向全美普及，于1 9 7 4 年后被日本引进并广泛应用。 根据不同的测量条件和测量目的，美国也采用其它种类的污水流量计。主要有压差 式流量计、容积式流量计、转子式流量计、水轮式流量计、电磁式流量计、超声波式流 量计等。 日本开展大规模的污水计量工作起源于6 0 年代初期，当时由于工业化发展，城市 化扩大，工业和城市污水大量产生，环境污染问题日益突出。为了有效地控制城市工业 和生活污水污染，日本在许多大城市建造了污水处理厂，集中治理污水。由于废水处理 过程中，产生噪音和臭气，对周围居民区产生不良影响，迫使一部分城市和工业污水处 理厂建设在地下，地面上覆土绿化，使之花园绿地化。 在建设污水处理厂的同时，各企业和市政部门有计划地在污水线路中引入污水计量 装置，这是因为日本的城市污水处理厂以活性污泥处理法为主，这种方法对进入活性污 泥池的污水量有严格要求。此外日本立法要求各企业必须进行污水的总量控制，这也使 污水计量仪器的普及应用得到进一步的促进和加强。 一目前日本的污水测试方法是按测量满流形和非满流形两种流态方式采用不同的测 试技术： 非满流形 这种技术的原理是在水路中设置缩流部( 如测量槽或堰) ，测出上游水位求出流量， 此类流量计随着日本于1 9 7 4 年实施排水总量控制而逐渐普及推广。 满水形 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 满水形流量计需要流量计内部始终充满水 一般情况下，非满水形适用于生活污水和排放于河道及下水道污水的流量测定，满 水形适用于处理前和处理过程中的流体( 如酸沈废水) 等腐蚀性和含臭气的废水测定。 此外，日本大量使用电磁流量计，其特征是： ( 1 ) 适于测量导电液体，不受粘度、温度、压力的影响，可测悬浮液或腐蚀性液体； ( 2 ) 管内没有突出部分和移动部分，因此不易发生机械故障和堆积； ( 3 ) 由于测出信号是线性的，所以精度较高。 另外，还有一些其它类型的污水流量计，如羽根车式流量计，其测试原理类似于旋 桨式流速仪的测试原理。 1 2 2 国内污水计量技术的发展现状 我国从八十年代初期起开展污水计量技术的研究，在大量借鉴国外，尤其是日本在 污水计量技术方面的成功经验中，开发研制出各种类型的污水流量计。 目前，国内有几十家企业生产污水流量计，有些污水流量计产品在测试原理的先进 性和计量的精确度方面与国外同类产品的水平接近。但是，我国污水流量计产品在外型 和电器材料寿命上与国外产品比较尚有很大差距，这是目前国产污水流量计故障多、使 用寿命短、普及率低的原因之一。此外，由于我国工业污水多数未达排放标准，污水的 污染负荷高，污水处理水平低，水质条件恶劣，水质中含高悬浮颗粒、酸碱等腐蚀物质， 不仅对流量计的零部件造成损害，而且直接影响流量计的测量精度和准确度，这是国产 污水流量计不能大面积普及推广的另一重要原因。根据污水计量的测试原理，国内污水 流量计主要划分为测量有压管道出流的污水流量计和测量明渠出流的污水流量计两大 类”1 。 另外还有一些简易污水计量装置。简易污水计量装置主要指用非连续方法测量污水 流量的测试仪器。较常见的简易污水计量仪器有流速仪和自计水位计。 1 3 本论文主要工作 本论文主要完成的工作如下： 1 分析综述了国内外污水计量的现状和发展以及其重要性，提出了一种新型的污水 流量检测手段 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 2 收集、查阅了大量相关的中、外文书籍及文献资料，综合应用所学专业知识，并 结合污水排放环境的特点，将单片机技术、数字式水位计量方法、无线射频传输技术以 及v i s u a lc - h 软件开发技术相结合，设计出了污水排放计量系统。 3 对污水排放计量系统硬件进行了市场和技术调研，从成本、价格、质量、技术指 标等各方面进行综合考虑之后，进行了硬件设备的选型。 4 污水排放计量系统测站射频模块的硬件电路及软件设计； 5 污水排放计量系统主站射频模块的硬件电路及软件设计； 6 根据污水水位与流量的关系以及污水计量的特点，在主站中央计算机上利用 v i s u a lc + + 编制了污水流量监控及流量数据管理于一体的监控中心管理软件。 1 4 本论文组织结构 本论文主要完成了污水排放计量系统的设计。 7 第一章绪论。介绍了污水流量计量的意义和当今国内外污水流量计量的发展现状， 并提出了污水排放计量系统的设计目标和特点，最后说明了论文主要任务和组织结构。 第二章整体方案设计。首先给出了系统的拓扑结构，然后阐述了系统整体功能设计， 以及主站和测站的功能设计，最后进行了系统无线通信方式的选择。 第三章巴歇尔槽流量计量。主要介绍了明渠流量计量方式中常用的一种流量计量器 件一一巴歇尔槽，并进行了巴歇尔槽流量计量公式的推导。 第四章感应式数字水位传感器及数字式流量检测方法。介绍了本系统中水位信号的 获取器件感应式数字水位传感器的基本原理及特点。最后综合第三章和第四章的内 容提出了数字式污水流量测量方法。 第五章系统硬件设计。给出系统硬件的整体结构，并进行了主站射频模块和测站射 频模块单片机和( 本文根据主站和测站所处环境的差异，分别选用了不同的单片机) 无线 射频芯片的选用，最后完成了硬件电路的详细设计。 第六章软件系统设计。首先进行了软件系统的整体设计，包括软件系统划分以及通 信协议设定。然后分别进行了主站射频块软件设计、测站射频模块软件设计以及主站中 央计算机软件设计。 第七章实验结果与分析。给出了两个验证性实验的详细过程，包括实验的目的、原 理、条件、过程及结果分析。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第八章结论。对本人所做工作以及系统特点作了总结，并提出了论文的进一步研究 方向。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 系统拓扑结构 第二章整体方案设计 弘 测站2 图2 - 1 系统拓扑结构 f i 9 2 1t h et o p o l o g ys t r u c t u r eo f t h es y s t e m 如图2 - 1 所示，污水排放计量系统由主站和多个无线测站组成。各个测站将水位信 号采集变送成电压信号，然后将其转换为数字信号，并通过无线方式传输到主站。主站 中央计算机通过串口与无线模块进行通信，实现数据的接收、计算、分析及显示。整个 系统实现了通过水位来获取流量，以及远程监控污水流量的功能。 2 2 系统功能设计 2 2 1 系统整体功能设计 本系统是专门为污水流量计量服务的，主要由中央计算机，巴歇尔槽、水位传感器 以及射频模块几部分组成，从功能上分为主站和测站两部分。其中，中央计算机又称主 机，通常安装在调度中心室，与射频模块合称为主站，负责监控排污口工作状况。水位 传感器( 本系统中选用太原理工大学测控技术研究所研制的m f c 感应式数字水位传感器 的改良传感器) 贴壁安装在巴歇尔槽内，用来进行污水水位的测量。巴歇尔槽安装在排 污口现场。水位传感器、巴歇尔槽以及射频模块合称为铡站。 9 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 整个污水排放计量系统的工作过程为：测站水位传感器测得水位信号，将其转换为 电压信号输出，再经测站射频模块无线传输到主站射频模块。主站中央计算机从串口采 集射频模块接收到的数据，利用v c + + 实现数据处理过程，并将流量计算结果显示出来。 为了实现监控流量数据的目的，主站计算机中实现了对数据的操作，包括数据的收集、 管理、统计以及分析。 2 2 2 测站功能设计 测站部分主要完成现场数据的采集。水位传感器将现场的数据采集变送以后，以电 压的形式输出。将电压数据进行a d 转换并输出至测站无线收发系统，然后实时无线传 输到主站的收发系统。其中，a d 的采样精度为1 2 位，采样率为1 h z 。主站无线收发系 统完成与主站中央计算机的通信。 由于测站部分没有直接电源，需用电池供电，所以要保证单片机的微功耗性能。由 于流量数据计算比较复杂，因此，本文中流量的计算及显示在主站中央计算机中完成。 2 2 3 主站功能设计 主站部分主要完成数据的接收和处理。主站射频模块接收测站射频模块传来的数 据，并通过串口与中央计算机进行通信。中央计算机从串口接收到数据以后，利用水位 与电压、流量间的关系式来计算流量值，并将计算结果显示到屏幕上，进而实现对污水 流量数据的查询及分析。另外，计算机还能够通过主站射频模块向各个测站发送控制信 息。从而实现对各个测站污水流量的无线远程实时监控。 2 3 无线传输方式的选择 在污水排放计量系统中，如果主站能及时地了解测站污水流量情况，不但会提高工 作效率，而且会给污水排放的控制带来很大的方便。以往的一些数据传输方法如有线方 式、短消息方式等施工复杂、通信费用高，而无线通信方式组网简单，运行安全可靠。 因此，文中选用无线方式进行数据的通信。 2 3 1 无线数据传输发展趋势 随着无线个人局域网络( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , w v a n ) 和无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 技术迅速发展成为计算机网络的一个重要组成部 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 分，无线互连也通过各种不同的方式( 射频、蓝牙、红外等技术) 成为我们日常生活中的 一部分。不仅是现在，将来更是如此。无线数据传输主要是利用无线电波进行通信。 目前的无线电网络主要是指无线局域网w l a n 。1 ，由于w l a n 产品不需要铺设通信 电缆或通信光缆，可以灵活地应付各种网络环境的设置变化。随着网络的普及和网络技 术的进步，w l a n 在许多领域得到了充分的应用，家庭应用、企业应用以及公众网络运 营都有了无线局域网的身影。 无线分布式传感控制网络( w i r e l e s sd i s 伍b u t c ds e n s o r c o n t r o ln e t w o r k s ，w d s c n ) 是w l a n 在自动化控制领域内的重要应用之一。w d s c n 融合了计算机网络技术、现代 传感器技术以及无线通信技术，主要应用于一点对多点的通信与控制，实现传感器数据 的传输、对整个网络的监控及做出自动反馈控制。 采用射频技术构成的w d s c n 局域网络，便是一种无线数据传输系统。w d s c n 技术 适用所有需要可移动或者是不易进行布线的领域“1 ，尤其是适用那些需要当场进行数据 处理的工作领域。w d s c n 的应用非常广泛，如果严格将其划分为室内和室外的话，室 内应用包括车间、智能仓库、临时办公室、体育馆、医院等；室外应用包括工矿企业厂 区自动化控制与管理网络、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野外勘测实 验等。 未来几年随着w d s c n 技术的日趋成熟，以及在接入速率和适应环境上与3 g 通信技 术的互补性，将使得w d s c n 的应用从单纯无线网络延伸拓展开来，成为室内或小区尤 其是热点地区重要的高速无线数据接入手段之一，应用潜力巨大。 2 3 2 无线通信方式选择 w d s c n 的核心是短距离的无线通信技术，目前使用的无线通信技术主要有i r d a 、 r f 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 和u w b 等几种，这几种介质本质上都是基于无线电通信的电磁 波频谱，并且分为三类接入方式：窄带微波技术( n a r r o w b a n dm i c r o w a v e ) 、扩频技术 ( s p r e a ds p e c t m m ) 以及红外线( i 妇d ) 技术嘲旧。1 9 8 5 年美国率先开放t i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段，这些频段不需要经过通信委员会的许可便可直接使用，这些频 率的范围包括4 3 3 9 2 m h z - - 4 3 4 3 2 m h z 、9 0 2 m h z 9 2 8 z 、2 4 g h z - 2 4 8 5 3 g h z ，这种自 由的未经许可就可以使用的频带的存在促使诸多商家去生产工作在i s m 频段内的无线网 络产品。 ( 1 ) 红外无线通信技术 太原理工大学硕士研究生学位论文 红外通信技术( i r d a ) 采用肉眼看不见的红外线传输技术，是使用最广泛的近距离点 对点传输技术，但通常有效作用半径为2 米，传统的数据传输速度4 m b i t s 。1 9 9 5 年i r d a 将通信速率扩展到了最高可以达到1 6 m b i t s 。i r d a 技术比较成熟，设备体积小，功耗低， 所需要的资源不需要申请。此外