武漢新普惠科技有限公司
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閱讀：80發(fā)布時間：2025-11-24
水污染在我國已經(jīng)成為嚴重的環(huán)境問題，而現(xiàn)存的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)大多采用手工操作的方法，一個斷面每季度監(jiān)測1次，每年4次，監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性差，無法真實反映水污染的變化情況，滿足不了環(huán)境管理的要求。能夠?qū)ΡO(jiān)測斷面自動采樣、自動分析、全天24小時連續(xù)工作的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研制顯得尤為迫切。
一、水質(zhì)監(jiān)測分析方法
選擇合適的水質(zhì)監(jiān)測分析方法，是獲得準確結(jié)果的關(guān)鍵因素之一。選擇分析方法應(yīng)遵循的原則是：靈敏度能滿足定量要求；方法成熟、準確；操作簡便，易于普及；抗干擾能力好。我國對各類水體中不同污染物質(zhì)的分析方法主要有以下三個層次，它們相互補充，構(gòu)成完整的監(jiān)測分析方法體系：國家標準分析方法、統(tǒng)一分析方法、等效方法。
二、水質(zhì)監(jiān)測方案的制定
水質(zhì)監(jiān)測方案的確定步驟：進行采樣前的調(diào)查研究，明確監(jiān)測目的，收集資料；確定監(jiān)測項目；設(shè)定監(jiān)測網(wǎng)點（設(shè)置監(jiān)測斷面和采樣點）；確定采樣時間和頻率；選擇采樣及監(jiān)測的技術(shù)；數(shù)據(jù)處理；提出監(jiān)測報告要求；制訂質(zhì)量保證程序、措施及方案實施計劃。
三、水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)
水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，又稱為水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)或水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，是指將集多項水質(zhì)指標的自動分析儀器和傳感器組合起來配以的控制芯片、網(wǎng)絡(luò)通信和軟件技術(shù)，把從采樣、分析到記錄、傳輸、處理數(shù)據(jù)的整個過程組合成高度自動化的流程，從而實現(xiàn)在線多參數(shù)實時、快速、自動監(jiān)測的技術(shù)。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是環(huán)境監(jiān)測原理、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件工程、大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和環(huán)境評價管理交叉發(fā)展的產(chǎn)物。
1、傳感器技術(shù)
?。?）化學傳感器，化學傳感器是利用化學反應(yīng)產(chǎn)生的電信號或其他信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)及質(zhì)量變化等）來進行測定的。被分析物透過選擇性薄膜后發(fā)生特定化學反應(yīng)，產(chǎn)生的信息被相應(yīng)的化學或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量或可處理的電信號，經(jīng)過二次放大后的到顯示。這類傳感器是在水質(zhì)自動監(jiān)測中應(yīng)用的傳感器。
（2）光導(dǎo)纖維傳感器。
?。?）生物傳感器，是指用固化生物催化劑等識別元件與化學物質(zhì)之間產(chǎn)生的生物化學反應(yīng)來測定。依靠電化學器件有選擇地測定所產(chǎn)生的或被消耗的化學物質(zhì)，并將測定結(jié)果交換為電信號。
2、水質(zhì)自動分析儀器的發(fā)展
水質(zhì)自動分析儀器表現(xiàn)了分析儀器的智能化方向發(fā)展。發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：基于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了分析儀器的自動化；通過計算機控制器和數(shù)字模型進行數(shù)據(jù)采集、運算、統(tǒng)計、分析、處理，提高了分析儀器數(shù)據(jù)處理能力；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)了分析儀器數(shù)字圖像處理功能的發(fā)展；分析儀器的聯(lián)用技術(shù)向測試速度超高速化、分析試樣超微量化、分析儀器超小型化的方向發(fā)展。
四、 通信傳輸及接口技術(shù)
水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及三個層次的通信傳輸技術(shù)，即各水質(zhì)分析儀與現(xiàn)場控制系統(tǒng)主控芯片(或現(xiàn)場PC)的數(shù)據(jù)和指令傳輸；現(xiàn)場與監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)與指令的雙向傳輸；監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫與用戶的網(wǎng)絡(luò)的連接，、二個層次重要。水質(zhì)分析儀與現(xiàn)場控制系統(tǒng)主控芯片（或現(xiàn)場PC）目前主要依賴RS―485異步通信接口和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)與監(jiān)控中心之間的通信有GSM無線通信、MODEM電話撥號連接、有線網(wǎng)絡(luò)連接和衛(wèi)星通信等多種方式，前兩種已有較為成熟的技術(shù)實例且成本較低。后端數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)后端數(shù)據(jù)處理在整個水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著“信息中心"的作用，是整個系統(tǒng)的信息出口，主要發(fā)揮數(shù)據(jù)記錄、表達和存儲的功能。一般這類軟件都是基于WINDOWS平臺開發(fā)，采用模塊化設(shè)計思想，具有較好的模塊性、可移植性和可維護性。
五、基于單片機的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
? 設(shè)計思路：以單片機為主要控制器件設(shè)計一種水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)程序的設(shè)計。硬件電路主要包括傳感器的選取，單片機的選取與應(yīng)用，A/D轉(zhuǎn)換的選用，電源設(shè)計，顯示部分設(shè)計等；軟件設(shè)計主要包括主程序設(shè)計和子程序設(shè)計，監(jiān)測結(jié)果通過顯示模塊顯示。
? 1、 監(jiān)測項目
水質(zhì)主要監(jiān)測項目可分為兩大類：一類是反映水質(zhì)狀況的綜合指標，如溫度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等；另一類是毒物質(zhì)的監(jiān)測，如鉛、汞和有機農(nóng)藥等。這次設(shè)計選擇的監(jiān)測項目為反映水質(zhì)狀況的綜合性指標水質(zhì)pH值。水中的PH值主要是由水中的氫離子數(shù)量的多寡決定。pH值反映了溶液中各溶解性化合物達到的酸堿平衡狀態(tài)，主要是碳酸氫鹽、碳酸鹽、二氧化碳的平衡。氫離子濃度指數(shù)一般在0～14之間。水中的PH值可以體現(xiàn)出水中的酸堿度，湖水中水的PH值從一定的程度上反映了水質(zhì)的好壞。所以，水中的PH對于生活在水中的動植物有著重要的影響。人體健康與PH間的直接關(guān)系不明顯，一般pH值在6.5～9.5范圍內(nèi)時不太影響健康。生活飲用水pH值的國家標準是6.5～8.5之間。
2、硬件設(shè)計與選擇
(1)單片機的選擇
單片機也稱為微控制器或嵌入式微控制器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由處理器（CPU）、存儲器和輸入/輸出（I/O）3大基本部分構(gòu)成。單片機內(nèi)有兩個存儲器，是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器(也稱寄存器)。在寄存器中有一部分寄存器具有特殊功能，稱為特殊功能寄存器(如P0端口寄存器)，單片機的主要功能時通過向特殊功能寄存器寫入0或1二進制數(shù)來實現(xiàn)的。本次設(shè)計即是選用AT89C51單片機。單片機振蕩電路石英晶體振蕩器頻率選12MHz，則振蕩周期= 1/（12MHz）,機械周期=12×振蕩周期=1μs。
(2)傳感器的選用
傳感器是直接進行測量的環(huán)節(jié)。本次選用的傳感器是化學傳感器，化學傳感器是指利用化學反應(yīng)產(chǎn)生的電信號或其他信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)及質(zhì)量變化等）來進行測定的傳感器。本文選用的是玻璃電極，其測量的線性范圍是1~9.5pH。
?。?）模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的選用
信號輸入端可以是轉(zhuǎn)換器或傳感器的輸出。轉(zhuǎn)換器的輸出信號可提供給微處理器。本次設(shè)計選用的是使用較廣泛的8位連續(xù)漸進式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC0804。將單片機與ADC0804連接時，因單片機需要對ADC0804作溝通，所以需要單片機的兩個Port，一個口作數(shù)據(jù)總線，另一個口作為控制端口用。如下頁圖9中所示，端口0與ADC連接作數(shù)據(jù)總線；P2.0接至ADC的/RD、/WR引腳，方便控制；P2.1接至/INTR引腳，以判斷是否轉(zhuǎn)換完成。本次設(shè)計采用的是非中斷方式。
(4)顯示模塊設(shè)計
本次設(shè)計的顯示部分采用兩個數(shù)碼管的共陽極連接，采用動態(tài)顯示驅(qū)動。R是限流電阻。如下圖9中所示，端口1連接數(shù)碼管，以顯示輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值。Q1和Q2是兩只共陽極數(shù)碼顯示管的控制三極管，三極管的基極分別接在單片機P2端口的P2.6和P2.7引腳上。也就是，P.6輸出為0時三極管Q1導(dǎo)通，與其相連的共陽極數(shù)碼管顯示器開始工作；P2.6輸出為1時三級管Q1截止，與其相連的數(shù)碼管顯示器停止工作。三極管Q2的工作與Q1三級管相同。
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