水质参数在线监测系统的研究

水质参数在线监测系统的研究

摘要:本论文在了解目前国内外水质监测系统发展现状的基础上,对水质的主要参数的测量原理及检测方法进行了比较系统深入的研究,以单片机为核心器件,进行了各水质参数传感器的选择及在线监测系统的设计。对我国进行基层环境与水质监测具有一定的现实意义。

关键词:水质监测单片机

1 选题背景

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。严峻的水形势,提高了人们对水污染控制的重视程度,水利部门希望随时掌握水质变化趋势,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[1]。

2 在线水质监测系统设计思路

在研究过程中,选取AT89S51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,将水质参数传感器监测到的电信号转换成4～20mA/0～5V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,以供现场人员的观测、记录和分析。

3 水质参数检测传感器的原理

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[3]。下面将分别介绍所选择的pH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、特点及应用。

3.1 数字温度传感器

数字温度传感器,是目前测量温度应用最为广泛的一种,他支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55℃～+125℃,现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量。

3.2 无电极电导率传感器

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正比,因此测出这个信号就可知道液体的电导率。

3.3 pH传感器

测量pH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,己经是低阻抗的,所以可以远距离传输且抗干扰能力强。

3.4 溶解氧传感器

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,可在含有重金属的悬浮液或含有硫化氢的液体中使用。

4 在线水质监测仪硬件的设计

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AT89S51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AT89S51单片机电路、电源电路、信号调理电路、LED显示电路、A/D转换电路、键盘电路等组成。如图:系统硬件结构框图(如图1）。

4.1 信号调理电路的设计

在本系统中选用的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1所示。

水质参数监测传感器的量程与输出信号对照表（如表1）。

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4～20mA/0～5V标准信号。在信号调理电路的设计中,采用LM358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。

4.2 水质监测仪主程序的设计

本系统软件设计采用模块化结构,设计成了子程序或中断服务子程序。主程序完成系统初始化及子程序的调用功能,其中初始化包括:定时器初值计算、定时器清零、ADC中断初始化、8255芯片初始化等。

5 水质监测仪综合仿真

本节介绍给基于前四节的思想,设计出测量参数的水质监测仿真设备。在Proteus软件平台下测试。

6 结语

本论文将单片机数据检测技术与数据传输技术的结合,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。在系统仿真与调试过程中,应用Proteus软件绘制硬件电路图,仿真水质参数监测系统。

参考文献

[1] 李怡庭.全国水质监测规划概述[J].中国水利,2003,7B.

[2] 万众华.水资源评价建议书[J].水利水电市场,2002,7.

[3] 陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].高等教育出版社,2002,8.

[4] 刘慧根.水和废水监测分析方法(第4版)[M].中国环境科学出版社,2002,8.