无人值守水质在线监测系统研究与实现

1、无人值守水质在线监测系统研究与实现 中国科学技术大学硕士学位论文无人值守水质在线监测系统的研究与实现张明龙作者姓名:模式识别与智能系统学科专业:陈锋副教授导师姓名:二。一三年五月十三日完成时间:四卿 、 : :.: :,中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的奉献均已在论文中作了明确的说明。签字日期:趁三望作者签名:盈曲五中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学

2、拥有学位论文的局部使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入?中国学位论文全文数据库?等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。玉开 口保密?年导师签名:作者签名:重复曲五签字日期:签字日期:迦堡 :生摘要摘 要随着我国社会经济的快速开展,水资源保护与管理日趋重要。在线监测是水资源保护与管理的有效方法和开展方向。目前国内主要是通过固定监测站进行水质在线监测,存在着选址困难、本钱高、且难以准确反映水质状况等

3、局限性。论文针对浮动式水环境无人值守在线监测系统展开研究。论文的主要工作如下:系统的总体方案设计根据模块化和层次化的设计原那么,给出了水环境无人值守在线监测系统的总体设计方案。选择了 /.的软硬件开发平台。:系统的软、硬件设计与实现通过深入研究现场水环境对监测系统功能要求,给出了监测系统的硬件架构设计方案。完成了监测系统的在电压转换、液位检测、状态监测、传感器信号采集和无线通信等模块的硬件设计,以及相应硬件的驱动程序、模块功能的软件设计与编程。对核心板所实现的软件功能进行了合理的任务划分和设计,并选择了适宜的任务同步方式。:监测系统主从节点间的通信协议设计针对监测系统节点间通信的可靠性、扩展性

4、的需求,选择作为主从节点的通信标准。设计了在标准下的通讯协议,设计并实现了的驱动程序与应用程序。关键词:水质监测;在线监测;离子选择电极;嵌入式系统;摘要 . , , , .:./., ., , ,. ?.,. .: , , ,仃目录目 录第章绪论?.?.研究背景.水质监测的目的和原那么?.?.水环境在线监测的国内外开展状况.研究内容与研究意义?.论文的组织结构.?.?.第章监测系统的硬件设计?.?.系统的总体结构与功能描述?.系统总体结构?.系统功能描述?.?.系统的硬件结构介绍.?.水环境在线监测系统硬件结构框图?. 微控制器.电源系统?.电源系统框图.?.电源系统参数分析.?.电压转换模

5、块?.传感器信号采集?.离子选择电极?.调理电路?.?.模数转换.数据采集板的电源隔离与信号隔离?.液位检测?.?.传感器选型?.?.?.硬件设计?.功率监测模块.功率监测的作用.?.?.?.目录.功率监测硬件设计?.?.?.故障侦测设计:?.?.无线通信模块?.模块?.模块接口电路?.本章总结?.第章监测系统的软件设计?.软件平台?.嵌入式操作系统?.?.?. /?的选择.?.传感器信号采集程序设计.通信程序设计?.驱动程序:.通信功能与通信协议?.外部模块软件设计.液位检测模块程序?.?.功率监测模块程序?.任务的划分、设计与同步.任务划分?.任务设计?.任务同步?.本章小节?.第章基于的

6、水质监测系统节点间的通讯.协议标准?.传输模式与参数设置?.通信功能分析与下的描述.数据模型与功能码.?.标准下的系统功能描述?.程序设计?.的主从协议?.?.驱动程序设计?.?.?.?.目录.应用程序设计.?.本章总结.?.第章监测系统的实现?.?.监测系统的机械设计与实现?.系统机械结构框架示意图?.执行器件的选择.?.模块实现与性能分析?.传感器信号采集模块.液位检测模块?.功率监测模块.?.?.?.系统实物图与指标分析.系统实物图?.指标分析?.本章总结?.?.第章总结与展望?.?.?.论文工作总结?.?.?.?.进一步的工作与展望?.参考文献.附录.?致谢?.在读期间取得的研究成果目

7、录第章绪论第章 绪论.研究背景水被人们称为“生命之源,水资源是人类赖以生存、社会赖以开展的重要资源,水资源的监测与保护的意义不言而喻。我国水资源紧缺,人均水资源量仅为世界平均水平的/,是世界上人均水资源最为贫乏的国家之一。伴随着我国经济的快速开展,水污染的现象越来越严重。而水污染又加剧了水资源紧缺的矛盾,水资源紧缺与污染已成为我国社会经济可持续开展的重要制约因素。近些年各级政府对水质环境、水污染问题的日益重视,加大了污染监管与治理的力度。我国的水质环境状况总体上有所好转,但形势仍旧不容乐观。年月日公布的中国环境状况公报?显示:四百多个国控断面中,低于类水质的断面比例约为%,其中劣类水质比例到达

8、近%。相比于河个国控重点流的水质状况,内陆湖泊的水质污染状态更为严重。统计显示,监测湖泊水库中,低于水质的湖泊水库的比例高达%。污染状况较为严重的湖泊包括太湖、滇湖与巢湖,总体水质分别为类,劣类,类。以巢湖为例,巢湖环湖河流的个国控断面中,水质断面比例为类%、类.%、百分点,水质明显下降中国环境保护部, 。以上的统计数据显示,我国水污染形势仍然非常严峻,水质环境仍相当恶劣,水污染的治理和水质环境的改善任重而道远。我国水资源污染的现状严重威胁着人们的生存环境,不仅加剧了水资源短缺的矛盾,也对社会的可持续开展带来严重的负面影响。而水质监测是水资源管理与保护的重要根底肖长来,提高水质监测能力对预防水

9、资源污染、应对突发水质污染事故、合理有效管理利用水资源有重要意义。.水质监测的目的和原那么水质监测通过准确、及时、全方位地反映水环境的质量评价指标,为水环境污染防治,水资源规划、利用与管理提供科学准确的评价标准与决策依据张宝军, 。具体包括以下几个方面:通过监测工业生产、生活等污染排放源的水质,实现控制污染、监测管理的效用;通过对地表水体如江河湖库的污染物质及进行长时监测,获取水环境第章绪论质量状况;通过对平安性水污染事件进行应急监测,帮助相关部门快速有效分析出污染源及事故原因,综合评价危害李青山,采用有效对策进行应急处理;在积累长期监测数据之后,可以为国家环保部门制定相关的标准和法规,为地方

10、政府制定合理规划,提供确切合理的数据支持。水质监测遵循以下的原那么:适用性在对监测技术的甄选与监测设备的选型时,需要对投入与效益进行综合分析论证,以符合地区的社会经济情况;优先污染物优先原那么环境水质参数指标众多,监测时不可能详尽地对每一种指标都进行相应的监测,一般是是从众多的水质参数中选择出危害性大,污染频率与污染程度高的水质参数作为监测对象,即优先污染物优先监测;全面规划,协同监测自然界中的江河湖库等水体往往涉及多个行政区域,多个行政部门,为了全面了解污染源状况和水环境质量,监测体系的建设时必须要跨跃行政部门全面规划,跨跃行政区域协同监测翟崇治,。.水环境在线监测的国内外开展状况水环境的质

11、量评价指标大体可以分成 ,两类:一类是综合性水质指标,如电导、温度、浊度和生物需氧量等;另一类是特定的污染物指标,如重金属离子,氰化物等。环境水质监测方法依据于水质采样过程及分析处理的过程不同,大体上可以分成以下两类:离线监测和在线监测方法。离线监测方法主要是指采样人员定时定点到采样点进行人工提取水样,再带到实验室内进行相应的水质参数的仪器分析。此种方法便于实施,因而是较为普通采用的方法;但同时也存在明显的缺点:人力本钱高,监测人员需要定期到各个采样点进行水样采集;监测时间间隔大,实时性差;水质在采集,保存,运输过程中水质参数可能会发生相应变化,如温度,溶氧等水质参数,某些参数的准确性不高肖长

12、来,。水质在线监测方法是指监测部门按照科学合理的监测点分布要求将水质在线监测系统安置在监测水域内,该类系统可以在全天候无人值守情况下,自动完。分析完成监测点水样采集过程,并对水样进行自动仪器分析第章绪论成后将检测数据通过有线或无线的方式传输到远程效劳器中。相比离线监测方法,在线监测方法显著地增强水质检测的实时性刘连浩,免除水质保存运输的之中可能的水样水质变化,使监测数据更加准确。以水质在线监测系统为根底所形成的水环境物联网可以对环境水污染进行实时预防、科学控制和合理治理评价柴小丽,同时还可以对环境决策提供准确依据,并为社会和政府对水资源的保护、管理、开发利用提供科学依据项光宏,。嵌入式技术,现

13、代传感器水环境在线监测系统综合运用了 技术,无线通信技术,自动控制等相关技术。水环境在线监测系统最早是上世纪七十年代在美国及日本等兴旺国家开展开始建立起来,美国自年起建立了覆盖全国范围各大水域和各大水系的自动连续监测网。该网络由个监测站。组成,可全天候对水温、电导和溶解氧等指标进行监测王丽伟,日本那么早在年即建立水环境在线监测系统,至年建立了个水质监测站。我国水质在线监测技术起步较晚,第一套水环境在线监测系统在年于天津曾永,试点建立,然后,上海、北京等大城市也建立了相应的监测系统。近年来取得了较大的开展,截止年,国家环保部已在我国建设了个水质自动监测站,实时监测条河流包括七大水系,座湖库的水质

14、状态。各大水质自动监测站所使用的自动监测仪器一般是从欧洲、美国、日本等发达国家或地区购置,价格昂贵,且日常维护费用昂贵。且目前局部水站的仪器设备已运行年,已超过使用寿命,造成故障率较高或停止运行。不仅在水环境在线监测网络体系上,国外兴旺国家的在水质监测仪器的方面也有较大优势。具有代表性的国外水质监测产品包括德国、美国、赛维和法国等。上述水质监测仪器普遍采用了现代嵌入式微控.制器技术、无线通信技术和微电子技术 ,以实现整个监测系统的自动运行、智能分析、多指标和高监测精度武万峰,。美国生产的水质监测监测系统如管道水质监测板,可以同时对,电导率/,浊度.,氯化物/,温度.。,/等水质参数高精度自动分

15、析;德国公司生产的模块在线多参数监测系统,不同的功能由相应的功能模块来完成,提供强大的扩展功能,可以对/、温度、溶氧、电导率、浊度、/、氨氮和硝氮等水质参数进行高精度连续自动监测。虽然国外的水质在线监测设备具有自动化程度和检测精度较高的优势,但主要适用于固定监测站点运行,对运行环境有较高的要求,严格意义上无法应用于现场监测模式金鹏,。另外,所引进的国外设备在使用过程中也出现了第章绪论如问题:国外的水质评判标准与国内标准有差异。以重金属离子的分析方法为例,美国国家环保局于年就确定了阳极演出伏安法作为砷和汞的标准分析,然而我国尚没有认可为标准分析方法,国家环保总局,。价格昂贵,维护不便。如国家环保

16、局在年从法国购置多台水质多参数在线监测设备,主要实现常规五参数、化学需氧量、有机碳等假设干指标,每套价格在万元左右。同时还面临着系统运行费用高,维护不便等诸多的问题。目前,水环境在线监测系统的研发也引起国内学术界和产业界的重视。中船重工第所研发了浮标水质监测预警系统,并投放于湘湖试运行。合肥物质科学研究院安徽光机所研制了浮标式多参数水质自动监测系统。国内已有一些公司开展了水质在线监测产品的研制,具有代表性的包括河北先河、福州水务和上海铎铭等。较之国外相关产品,国内的水环境在线监测系统仍处于研发完善阶段,其系统可靠性与检测精度均难以满足在线监测的要求,有待进一步提高。总之,我国水质在线监测仪器与

17、国外相关产品有较大的差距。研发出具有我国自主产权的、高性价比、可靠的水环境在线监测系统,对完善我们水质监测网络、实时监测水环境状况与防治水资源污染有着重要的意义张旭,。.研究内容与研究意义针对国内水环境在线监测系统的自动化程度不高、检测指标单一等缺陷,论文结合实验室已有的离子选择电极的建模方法和环境水质预处理监测技术,设计并实现了水环境无人值守在线监测系统。该系统可实现水样的自动采集、水质多参数监测、执行故障侦测等功能,以满足无人值守情况下的水环境在线监测,为我国的水环境的监测和管理提供有效的手段。整个系统的设计与实现是建立在实验室已有的水质多参数监测系统的软硬件根底上。主要对原系统的一些缺乏

18、之处进行了相应的设计改良,如传感器数据采集模块;同时对原系统的扩展功能进行了相应的设计与实现,如功率监测模块,液位检测模块。论文研究水环境无人值守在线监测系统的关键技术,研究内容主要包括如下:嵌入式水环境在线监测系统的核心硬件与软件设计与实现。监测系统的水质自动预处理系统。基于标准的监测系统主节点与从节点之间的可靠通信。第章绪论.论文的组织结构论文其它章节概述如下:第二章:监测系统的硬件设计,描述了水环境在线监测系统的总体结构与功能,并对系统的硬件结构进行分析,包括电源模块、传感器信号采集模块、功率监测模块、液位检测模块和通信等模块的设计。第三章为监测系统的软件设计,介绍水质监测系统软件开发平

19、台的选择,在./.操作系统环境下完成了传感器信号采集程序、通信程序和液位检测模块及功率监测模块程序的设计,描述了监测系统的任务划分、设计和同步方式。第四章为基于的水质监测系统节点间的通信,分析了协议标准的优点,传输模式的选择与总线参数设置,主从节点间的通信功能分析与下的描述,驱动程序及应用程序的设计与实现。第五章为监测系统的实现,分析了监测系统的机械结构示意图和执行器件的选型,对所实现的主要模块进行了测试与相应的性能分析,展示了相应的系统实物图,电路板实物图,对监测指标进行了分析。第六章总结与展望,对论文实际所进行的工作进行总结,分析了系统的不足之处与下一步的改良思路。第章绪论第章监测系统的硬

20、件设计第章监测系统的硬件设计本章首先描述了水环境在线监测系统的总体结构与功能,然后对系统的硬件结构进行分析。重点描述了嵌入式监测系统主节点的硬件局部,包括电源模块、传感器信号采集模块、功率监测模块、液位检测模块和通信等模块的设计。.系统的总体结构与功能描述.系统总体结构;妄敏堂 二 堕一蜮爿 虹一系一一孙一壤。戆四一一回圳系一嚣一爿爿 篇藤堂一点一:.点点一一系一系一一匏一纽一嵌入式水质在线监测系统如图.所示,整个系统分成主节点和从节点两大局部。主节点与从节点之间通过总线进行通讯,主节点通过无线方式与远程监控中心进行数据交互。主节点系统是本文重点所重点研究与设计的局部,实验室已有相应的从节点系

21、统的成果。从节点系统主要用于实现对一些需要进行复杂预处理过程的某一项水质参数的自动检测,如氨氮,重金属离子等。这种系统结构有以下的优势:采用多的层次化架构,提高了系统的可靠性,单个从节点系统故障不会影响主节点系统对其他从节点系统的控制及其检测执行金鹏;系统具有较强的扩展性。.系统功能描述嵌入式水质在线监测系统主要负责水样采集、水质检测、检测数据上传到远程监控终端,及接收远程数控终端的参数设置及控制命令。系统实现的主要功能如下:自动采集水样及自动冲洗功能第章监测系统的硬件设计监测系统具有实时自动水样采集功能。现场水通过潜水泵抽取至系统管道,且经过了一定的预处理后存储在蓄水箱中,以供给主节点与从节

22、点系统对水质参数进行监测分析。在系统完成一次水样采集并排水之后,环境水质中的杂质可能会附着在管道中,影响以后的检测,因而需要定期进行冲洗。目前,本系统是采用去离子水进行冲洗。水质参数实时自动检测本系统主要是采用电化学的方法进行水质参数的检测,水质参数包含了综合性的指标如、温度、氧化复原电位等。以及单项的指标诸如溶氧、氟离子、氯离子、硝酸根等。其中主节点系统负责不需要进行复杂预处理过程的离子选择电极的检测,从节点系统负责需要经过复杂预处理如调节水样、添加离子强度剂等的水质参数,如重金属离子、氨氮等。无线通信监测系统通过无线通信方式与远程数据中心进行数据交互,完成上传数据及接收配置及控制的功能。系

23、统故障监测与判断功能系统故障监测主要包含电源故障监测和执行器件状态监测。监测系统的电源系统采用了铅酸蓄电池风光互补发电装置的结构。系统通过对电源的供电电压、供电电流和供电功率等参数的实时监测,对电源供电状态做出实时评价,及时发现电源供电异常。系统通过对执行器件的工作电压、工作电流及工作功率等参数的实时监测,对执行器件的工作状态做出实时判断,在发现工作异常时,及时关断器件,以到达保护作用。.系统的硬件结构介绍.水环境在线监测系统硬件结构框图匿季雪本文重点实现的模块实验室已有成果如图.所示,系统总体框架结构图中阴影填充局部为本文重点研究的模块。其中,本文设计并实现了电源系统中的电压转换、传感器信号

24、采集模块、液位检测模块功率监测模块及模块的通信接口电路。针对系统的功能的实际需求,对电源系统的风光发电互补装置和铅酸蓄电池和执行器件及模块进行了相应的调研与选型。电源系统针对户外环境下难以使用市电的问题,采用风光发电互补系统铅酸蓄电池的方式保证系统的稳定供电。信号采集电路针对实验室原有的多参数水质监测系统在实际应用中的缺乏之处进行了相应的改良。针对系统新的功能需求设计并实现了液位检测模块、功率监测模块和通信接口电路。图中透明方框所显示的模块是实验室已有的硬件成果,包括定位模块、人机接口模块、外扩 、驱动电路模块和从节点系统。现简要对这些模块进行介绍:定位模块。定位模块为监测系统提供准确的地理位

25、置信息,方便于综合管理监测大范围水域的水质状态,了解污染扩散过程:同时还可以及时发现监测系统漂离预定水域的异常情况,并为水质系统进行实时时钟校时。人机接口模块。人机接口模块提供了实时数据显示、故障信息显示、系统运行状态显示及系统参数配置等功能。人机接口模块与核心板采用进行数据通讯。外扩 。外扩 保存了系统参数,同时可以在通讯不畅的情况下,保存一定量的检测数据。驱动电路。通过驱动电路对执行器件进行控制,驱动电路提供了、的输出电压接口,可以向额定电压为、的执行器件正常供电。从节点系统。从节点系统负责需要经过复杂预处理如调节水样、添加离子强度剂等的水质参数,如重金属离子、氨氮等。系统所使用的执行器件

26、包括潜水泵、电动球阀和电动隔膜泵等。这一些器件的作用与选型将在第章介绍。从.节开始将会分别对电源系统、传感器信号采集模块、液位检测模块、功率监测模块及通信模块进行分析与设计。.微控制器在嵌入式系统开发过程,嵌入式微控制器是嵌入式系统硬件开发平台的“核心局部,对微控制器的选择是否合理直接决定之后的研发工作进度。我们选择的是公司的型号芯片,它具有以下的优点:内核性能优良,采用哈佛结构的三级流水线技术王永虹,使第章监测系统的硬件设计用.指令集,绝大局部指令为单周期指令,最高工作频率达,可达./,拥有单指令周期除法器和硬件乘法器。功耗低,由于.的逻辑门较少,功耗小于./,内核可配置成睡眠模式、停止模式

27、及静默模式等多种低功耗模式。/口及片上外设资源丰富:芯片最多可支持个可用/;支持个接口,个串口,个接口,一个总线接口,一个全速接口及接口;提供两个私有控制器,个通道供用户使用。实时性好,.提供嵌套中断向量控制器,支持“咬尾中断和“晚到中断等多种用于缩短中断嵌套时的中断响应延迟,中断延时大大缩短 。开发本钱及硬件本钱低,由于公司提供相应的库函数,在使用外设库函数进行软件开发时,可有效降低开发时间,同时单片芯片的价格最低可到达美元,性价比上可以说是用位单片机的本钱实现了位单片机的功能。由于本文研发的水质在线监测系统只进行水质参数的检测及数据传输,并不对数据本身进行实时分析与管理,在的性能上的要求可

28、以放宽;同时,由于主节点系统需要提供水质采样等实时性要求较高的任务,对系统的实时性要求较高;主节点系统需要与模块、模块、人机接口和信号采集模块等多个模块进行通信,同时还要预留出一定的接口,需要丰富的通信接口;需要对多个执行器件以及从节点系统的供电进行控制,因而需要较多的控制端口。比照水质在线监测系统的需求与系列微控制器所具有优点,可以看出,以系列芯片作为整个系统的开发平台是非常适宜的。.电源系统.电源系统框图一作口搠?机作一二二二二二二二二二?一銮鎏粤爿系统结构框图,其中透明框局部的主要工作是调研和选型,阴影框局部的主要工作是设计与实现。水质监测系统一般工作于野外空旷环境,在这种情况下,不便于

29、使用市电,故而采用铅酸蓄电池供电,并配置有风光互补发电装置。同时配有开关电源,以方便室内的运行或调试使用。铅酸蓄电池具有价格低廉、容量大、放电电压稳定等优点,广泛应用于工业生活领域。蓄电池采用的是额定电压额定容量的免维护铅酸蓄电池,系统,包括太阳能发电装置太阳能电板,风能发电装置,风光互补控制器,风能卸载器等几大局部组成。其中太阳能发电装置额定功率为,额定输出电压为伏,实际的输出电压在伏至伏之间。风能发电装置额定功率为,与风能卸载器相连接。卸载器用于在蓄电池充满电后卸载多余的电量,防止蓄电池因过充电而导致极板变形、损坏,延长蓄电池的使用寿命。风光互补控制器主要实现对蓄电池平安有效地进行充电保护

30、,防止蓄电池欠电压工作及过充的问题。?隔离模块是用来防止蓄电池及风光发电系统可能出现的供电不稳定及高电压的问题,起到对系统的保护作用。选用的型号是明纬电源公司的.,完成到的电源隔离转换。电源模块主要完成电压转换的功能,把输入的的稳定电压降压成系统需要的、电压,并对、的供电进行控制与保护。.电源系统参数分析在对电源系统进行参数设计时需要对某一地区的光能、风能资源丰富程度和系统持续供电的需求及水质系统平均功耗等多个方面综合考虑。以合肥为例,夏季有相当长的一段时间为梅雨季节,可能会出现持续一周时间内没有有效光照且无风的天气,此段时间的电能几乎全为蓄电池供给。经长期运行测试得出,主节点系统的平均功耗约

31、为瓦到瓦,要保证蓄电池在完全没有外界充电的条件下连续工作一个星期,那么至少需要瓦时的电能。以两节蓄电池构成一个蓄电池组供电电压,且可以完全输出%的电能计算,考虑到.转换模块的转换率为%,那么至少需要的容量。本文研发的水质监测系统采用节蓄电池组成组蓄电池组,供电且容量,正常情况下是可以满足水质监测系统的实际需求。风光发电互补系统中,风光互补控制器的欠电压保护门限电压为.,即蓄电池的实际电压低于.时,控制器即自动关断蓄电池供电。.隔离模块的输出电流范围.,输入电压范围至,具有过载和过电第章监测系统的硬件设计压保护。本文研发的系统最大电流约,可能的输入电压范围.至,综合可知,电源系统是满足监测系统的

32、实际需求的。.电压转换模块电压转换模块采用的芯片型号是,由出品。该型号芯片具有输出电流大,纹波小的优点。它的输入电压范围是。图. 的转换电路原理图到的转换电路如图.所示。图中电容为,为,为.,使用三种电容并联的形式可以有效抑制输入电压噪声。芯片的输出电压通过和、组成的滤波电路进行噪声抑制。为续流二极管,为提供放电回路。输出电压值可以通过调节和的比值改变。转的电路原理与图.是一致的。.传感器信号采集调模、八理 扒 数,/ /电 转路 换一悸核心板一传感器信号采集局部的设计对整个系统检测结果的准确性有重要影响,在设计时需要针对离子选择电极的电学特性进行相应分析。如图.所示,信号采集电路设计主要包括

33、信号调理局部和转换局部设计。本文所设计的信号采集电路针对实验室原有的多参数水质监测系统在实际应用中的缺乏之处进行了相应的改良。原系统的信号采集电路存在如下的问题:偏置电压的产生电路。原有系统的偏置电压统一由基准电压芯片产生。基准电压芯片的温度漂移比拟大,精度较低,只到达%。偏置第章监测系统的硬件设计电压统一为.,不能针对不同的离子选择电极选择适宜的偏置电压。放大电路。原有系统调理电路的放大倍数固定,不能根据相应的传感器输入范围调节适宜的放大倍数。模/数转换局部。原有系统的转换芯片是使用外部基准电压作为转换基准电压。但使用分立器件搭建出一个非常稳定的转换基准电压的产生电路,本钱较高。而且转换速率

34、为.秒,速率过低。.离子选择电极离子选择电极是以对特定离子具有选择性响应的离子敏感膜黄德培,作为材料制作的电化学传感器,它输出的电位值与离子的活度的对数呈线性相关。通过离子选择电极对水质参数进行测量的方法称为离子选择电极法,它具有价格低廉一般价格在千元以下,响应速度快一般可以在三分钟内稳定响应,测量离子浓度范围广,非常适合于水质自动监测上应用。在对离子选择电极信号进行调理时,需要注意电极信号的特殊性。输出阻抗大离子选择电极输出的电压信号的输出阻抗大黄德培,如玻璃膜电之间,膜电极的输出阻抗在兆欧姆以上。在对电极信号进行处理时,必须要经过阻抗变化,以准确有效提取出电极信号的大小。输出为低频信号。离

35、子选择电极稳定输出的有效信号一般在赫兹以下,因此调理电路一般采用低通滤波的方法。一些离子选择电极输出的电位信号,会出现负电压的情况。此时,需要对输入的电位信号叠加偏置正电压。.调理电路跟偏随置滤 阶电 ?卜、?卜 ?卜、扒 阻 波压? /吖 压抗 放控变 大【滤叠换加如图.所示的调理电路原理框图,离子选择电极输出的电压经过偏置电压第章监测系统的硬件设计叠加后,将传感器输出的正负电压信号叠加上偏置正电压,确保之后进行处理的电压信号都为正电压信号;再经过跟随电路 .,进行阻抗变换,确保准确地提取出离子电极的信号;再经过滤波电路,提高信噪比之后再进行放大;之后再经过二阶压控滤波电路,最终信号输入到模

36、数转换芯片的采样通道引脚上。本文研发系统的离子选择电极输出电压信号范围在.至.之间,每个调理通道所叠加的偏置电压由基准电压经过运算放大器放大电路输出,如图.所示。采用这种设计方案,是考虑到可以根据调理通道所接入的传感器信号的差异性,通过调节和的比例,合理选择偏置电压,使最终输入到模数芯片引脚上的电压信号合理分布在.供电电压的范围内;同时,对各个通道的离子传感器信号可以形成高阻抗的隔离效应,防止可能出现的相互干扰。基准电压芯片由出品的高精度基准电压芯片产生,输出基准电压。具有输出电压精度高,输出电流大,温漂系数小,功耗低等优点,误差在.%以内,温漂系数为/。,温度范围在.。之间,其误差范围与工作

37、温度范围满足水质监测系统的要求。依据离子传感器的输出信号的特点,我们选择公司的四运算放大器集成芯片。它是双电源轨到轨型运算放大器,具有输入阻抗高松井邦彦,偏置电流小、偏置电压小和温漂低的优点。其中输入阻抗为,输入偏置电压最大为.,输入偏置电流最大为,温漂系数/。在进行信号放大之前采用简单二阶有源滤波器进行低通滤波,然后进行信号第章监测系统的硬件设计放大,并再次进行二阶压控有源低通滤波康光华,。经过信号放大电路之后的信号电压值是传感器输出信号电压放大之后的值再加上偏置电压值。.模数转换经过调理处理之后的传感器信号需要进行转换,才能进行数据通信将数值传递给核心板。内部也集成有位转换模块,为了到达更

38、好的转换效果马明建,单独选择一个性能优良的模数转换芯片是必要的。同时,考虑到调理电路局部容易受到数字电路的干扰,需要进行调理与数字局部的隔离,如果直接使用自带的转换功能,不利于系统的模块化设计,不便于维护与升级。我们选择的是美信公司的逐次逼近型芯片。支持通道采样,位采样精度,它具有以下优点:内置基准电压.;功耗低,在工作模式下工作电流最大为.,同时支持软件关闭模式;采样速率最高可达。在对模数转换局部进行设计时需要考虑以下问题:供电:支持或供电。通信方式:支持通信,可以选择通信方式与核心板进行数据传输。实际的传感器数量与所需要的个数:以通道单端输入计算,本文所研发的水质监测系统的指标在十个至十五

39、之间,需要考虑到通道的多路复用,添加片选信号线。图. 电路原理图的电路原理图如图.所示,其中通信接口为同步时钟引脚、数据输出和数据输入,这三个引脚与的第章监测系统的硬件设计的通信接口相接;为中断信号输出口,当进行转换时,电压置低,转换完成,电压置高,芯片可以通过该引脚的状态,及时读取转换结束。至为模拟信号的输入端。.数据采集板的电源隔离与信号隔离离,以尽量降低电源噪声对信号采集电路的影响。同时,需要使用光耦对数字信号接口进行隔离,以保证信号采集板与外界输入电源完全的电气隔离吕英华,。为了防止信号采集板中的数字电路的高频噪声影响到模拟电路,需要对。信号采集板的数字局部与模拟局部进行相应的隔离输入

40、电源隔离原理图如图.所示。数据采集板的调理电路假设不进行电源隔离,而与其他模块如驱动局部共用电源。在复杂的现场环境下,其他模块的噪声很容易通过电源噪声耦合到调理电路中,对数据采集的准确性产生影响。调理电路的.电源的隔离如图.所示,采用磁珠进行高频噪声隔离。信号采集板与核心板之间采用接口进行通信,使用高速光耦进行数字信号的隔离,如图.所示。整个电路板的地线层分成输入地、采集板数字信号地和采集板模拟信号地三个局部。图.电源隔离原理图 图. .电源隔离原理图弩黜黼 :?图.数字信号隔离原理图譬麴第章监测系统的硬件设计.液位检测.传感器选型型号 工作电压/ 测量范围/ 输出电压范围/ 灵敏度/ 工作电

41、流/ / . 。 。. . 液位的精确测量是保证整个水样采集过程正常运行的根底之一。液位检测有多种方法,常见的方法有浮球开关、超声波测量法和差压测量方法等。浮球开关价格廉价,但只能输出/信号且检测误差大。浮球开关误差与浮球的尺寸有关,一般不小于厘米。另外,考虑到本监测系统安装于漂浮在水面的船体上,水位的波动会导致船体晃动,这样可能导致浮球开关误动作。假设使用超声波测量,超声波测量设备安装不方便,需要考虑防水问题。而且当对晃动的液面进行连续液位检测时,可能会出现回波无法垂直回到超声波接收器上的问题,从而导致测量结果出错。本系统采用飞思卡尔公司推出的集成式差压式传感器。;误差小:在零点标定的情况下

42、,满量程误差为%; 体积小,便于安装;具有自动温度补偿功能。.硬件设计滤波液位调理 通讯 ,传感/ 厂?/器 电路在对液位检测功能进行设计时,采用模块化的设计原那么。如图.所示,差压液位传感器输出的电压信号,经过滤波调理后,由进行模数转换并依据电压与液位之间的线性公式转换为实际的液位值。核心板可以通过总线通信获取相应的液位模块的测量值。选择系列微控制器进行模数转换与通讯,是基于以下的考虑:本身系统实现的功能比拟单一,对微控制器的性能没有太高要求;系列芯片,价格低廉,性价比高,具有完善体系工业级甚至汽车级要求的系列产品,且为第章监测系统的硬件设计.,便于系统的升级。液位检测的模块化设计有以下的优

43、势:提高通信的可靠性:由于液位检测的功能分布于管道高、中、低位,液位传感器需要分散放置。如果由核心板或是采集板统一进行转换,那么需要长线传输模拟信号。在长线传输过程中,信号可能会受到干扰。而将电压模拟电压信号处理成数字信号形式的液位值,再通过总线进行数据通信,可以提高整个通信的可靠性。易于维护,易于扩展:核心板通过总线获取的是实际的液位值。即使将来进行液位传感器的升级或重新选型,只要保证通讯协议接口不变,那么整个系统仍可以正常运行起来。同时由于总线具有可扩展性,即使以后需要添加更多的液位检测模块,只需将模块节点直接接在总线上即可,不会对系统的其他部件造成影响。图. 外围电路原理图第章监测系统的

44、硬件设计如图.所示,实际有效引脚有三个,为工作电压输入引脚,为接地引脚,为输出压力电压信号引脚。我们选用的的型号为,如图.所示,它集成了一个串口,一个位,可以满足模块的通信与电压信号采集的功能。.功率监测模块.功率监测的作用水质监测系统在野外环境工作,蓄电池能否正常供电直接影响到的系统的可靠性和稳定性。实时对铅酸蓄电池的工作电压与工作电流进行监测,并计算出蓄电池的输出实时功率,对整个蓄电池的工作状态的评价及电源的故障排除有重要意义。本系统所涉及的执行器件较多,包括潜水泵、电动隔膜泵和电动球阀等。每个器件本身的工作原理及特性都不一样,在使用时可能出现的故障也不相同。提取出通用的故障监测方法,对执

45、行器件的工作状态进行评价,并在执行器件不正常运行的初期及时将可能的故障分析出来,上传至远程数控中心,可以有效提高系统的可靠性,减少因执行器件不正常运行而造成的损失。相比监测执行器件的振动、噪声的方法,对执行器件的功率监测是易于实现的,且通用性更高。执行器件在正常工作状态时的功率是在可知的范围内,一旦其工作功耗超出这个范围,可以判断执行器件处于不正常的工作状态下。.功率监测硬件设计在对功率进行监测时,需要分别测量线路的电压与电流,测量这些参数有两种设计方案可以选择。第一种是采用别离元件搭建测量电路,测量电路包括微弱电压信号调理电路和转换电路。第二种是直接采用集成芯片,内部集成了调理电路和转换电路

46、。采用集成芯片有以下的优点:抗干扰性强:由于电路是集成封装的,相比于使用独立元件搭建的测量电路屏蔽性好、抗干扰性能力强;测量精确高:如在测量电流的电路中,分流电阻三宅和司,的分压一般是在几十毫伏以内,以尽量降低分流电阻对输出电压的影响。而使用别离器件对微弱信号进行调理,不得不使用价格较为昂贵、性能较好的差分放大器。在相同的硬件本钱投入情况下,相比而言,使用集成功率测量芯片要比别离元件搭建的电路的测量结果更精确。第章监测系统的硬件设计本文采用出品的功率监测芯片。的测量原理框图如图.所示,内部集成,可以同时输出所需测量的电路的电压值、电流值、功率值,并通过接口输出测量结果。可测量的线路电压的范围是

47、至,对于本文研制的水质系统可以将蓄电池的输出电压或执行器件的输入电压接入到芯片的测量引脚上。测量电压的最低分辨力为.。对线路电流的测量实际上是通过测量精密分流电阻上的分流电压,可以自动完成分流电压除以分流电阻的计算过程,输出电流值。分流电阻在选型时必须要保证电阻阻值的大小与电流的大小相适应,阻值误差尽量小,同时温漂系数要小。我们选择的是毫欧的康铜电阻,阻值误差在%以内。其中温漂系数/。以温度变化范围至。计算,电阻变化率在.%以内。功率监测模块的硬件原理框图如图.所示。模块使用读取测量的电压、电流、功率等数据,提供和两个接口,其中接口是用来与进行通讯使用的,用于测试与调试。考虑到对过压、过流等异

48、常状态的保护,可以对的控制,开启或关闭输出电压。精密分流电阻卜等爿功率电流 一监测芯片接口微控制器 接口输入电压佟?矿.,.:.。.一输出电压转换 应管负两端,连接的是线路输入电压,接口电路采用上拉电阻,、引脚用来配置芯片的地址。引脚可以输出警报信号,一般接在微控制器第章监测系统的硬件设计的中断引脚上。支持电流或电压的阈值监测,在发现分流电压或总线电压超过阈值时,可以通过引脚触发微控制器中断,并进行相应的异常处理。图. 接口电路图.改障贞测砹计:匝岂戮悖露妣、插/三二盘匿三/】核心板厂?芸?,胃面专藏甘砸图 新瞳伸涮厦理榧图本文设计的故障侦测原理框图如图.所示,核心板通过总线与各个功率监测模块

49、进行数据通讯。图中仅画出潜水泵一类执行器件作为示意,实际上功率监测模块的个数是大于两个的。按一定时间间隔读取功率监测模块所测量的蓄电池的供电电压值和供电功率的值,并将监测的数据通过方式传输至远程数控中心。核心板通过驱动板控制相应的执行器件。在执行器件的工作过程中,可以通过总线与功率监测模块通信,获取当前执行器件的工作电压、工作电流及功率。通过这些参数的分析,可以判断执行器件是否正常。以潜水泵为例,额定电压下,正常工作时的工作电流约为.;但在空转时,工作电流小于.;在过载情况下,其工作电流是大于的。由此,可以设定正常的工作电流在.至.之间。如果测得工作电流小于正常工作电流范围,可认为是空转;高于正常工作电流范围,可判断为过载,功率监测模块可以自动切断其供电,以保障潜水泵的工作平安。第章监测系统的硬件设计.无线通信模块 为通用分组无线效劳技术。网络相对于目前流行的网络的网络覆盖范围更广,即使是偏远地区也有比