便携式多参数水质检测仪的信号采集及传输.docx
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便携式多参数水质检测仪的信号采集及传输
目录
第1章绪论2
1.1引言2
1.2水质监测技术现状4
1.3论文研究内容9
1.4本章小结10
第2章信号采集系统设计11
2.1引言11
2.2信号采集系统总体方案设计11
2.3信号采集系统硬件设计12
2.4信号采集系统软件设计26
2.5本章小结30
第3章数据传输系统设计31
3.1引言31
3.2数据传输系统总体方案设计31
3.3数据传输系统硬件设计33
第4章信号采集与传输系统验证实验34
4.1引言34
4.2信号采集系统验证实验34
4.3数据传输系统验证实验36
4.4本章小结37
第5章结论与展望38
致谢40
参考文献41
第1章绪论
1.1引言
随着我国社会经济的高速发展,城市化、工业化进程的加速,导致城市生活污水和工业废水大量排入江河、湖泊和水库,造成地表水和地下水的严重污染,水污染的问题日益突出。
根据中国环境状况公报的数据,2005年在我国长江、黄河、珠江等七大水系100个国控省界重点监测断面中,I–III类水质断面占36%IV,V类水质断面占40%,劣V类水质断面占24%,与2003年统计数据相比,2005年七大水系重点监测断面中I–III类水质断面所占比例下降了17.4%,而劣V类水质断面则上升了15.3%,这说明我国水污染状况逐年恶化的趋势明显。
另外,我国28个国控重点湖(库)中,劣V类水质所占比例高达43%,而满足II类水质的湖(库)仅占7%。
2007年的统计数据表明:
全国每年因为水污染造成的经济损失高达300亿元,与发达国家相比,我国面临着更严重、更紧迫的水污染危机。
加强我国的水环境保护和水污染的治理工作成了我国国民经济发展噩待解决的问题。
水质监测就是以特定水体为对象(如江、河、湖泊、水库、海洋等),通过对水体的一系列参数的测定和分析,了解水体中污染物的种类和污染物的浓度状况,从而对水质状况进行评价:
通过对不同时期水质检测参数的分析,掌握水体水质变化的趋势。
水质监测的数据不仅为各类污染源的管理、水污染突发事件的应急处理提供科学依据,而且为政府制定发展规划、为环保部门加强对水环境的保护提供数据支持。
因此水质监测对于加强水环境保护和治理工作,解决我国水污染危机具有重要意义。
目前,水质监测得到了世界各国的普遍重视,各国针对本国的实际情况制定了相应的水环境质量标准及水质监测规范。
我国也制定了相关的水环境质量标准和水质监测技术规范,如《国家标准地表水环境质量标准》(GB3838-2002),《国家标准地下水环境质量标准》(GB/T14848-93)及《水质监测规范》(SD127-84)等。
《水质监测规范》SD127-84修订版规定的地表水的监测项目如表1.1所示。
这些监测项目可分为必测项目与选测项目两类。
对于地表水全国重点水质基本监测站而言,必须对水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、硝酸盐氮、业硝酸盐氮、挥发酚、氰化物、浮滑物、硫酸盐、氯化物、六价铬、总汞、总砷、福、铅、铜、大肠菌群等必测项目进行监测,同时应根据不同水域污染物的特征,增加钾、钠、锌、水温、pH、溶解氧、电导率、浊度等参数是《水质监测规范》中的必测项目。
水温与水的物理化学特性密切相关,并直接影响到多个监测项目的测量结果pH是水体酸碱度的标志,它能很好地反映水体酸碱性污染的程度。
溶解氧的值反应了水体中氧的浓度,是衡量水质和水体自净化能力的一个指标;电导率反应了水体硫酸盐、氯化物、总磷、化学需氧量等选测项目的监测中的离子浓度;浊度则反应了水体中悬浮物的含量。
因此,水温、pH、溶解氧、电导率、浊度等参数可以大致反应水体的基本特征,属于水质的常规检测项目,又称为常规参数。
1.2水质监测技术现状
对水质常规参数的检测,按照《水质监测规范》SD127-84修订版中的规定,必须采用现场检测的方式,因此本论文更加关注用于现场检测的水质检测仪器的技术发展状况。
随着科学技术的进步,用于现场检测的水质检测仪器经历了从大型水质检测仪器到小型水质检测仪器,再到便携式水质检测仪器的发展过程;检测的参数也从单一参数向多参数发展;特别是近年来,随着计算机技术和网络技术的发展,水质监测也开始向网络化方向发展。
下面将从国外和国内两个层面阐述用于现场检测的水质检测仪器的发展状况。
1.2.1国外水质监测技术现状
水质监测车是最早的现场检测手段。
用于水质分析的大、中、小型监测车,早期在一些发达国家应用比较多。
监测车上可以装配各种中、小型分析仪器,如分光光度计、气相色谱仪等,有的还装配有自动采水装置。
这种监测车实际上是一个流动的小型实验室,可以进行多个水质监测项目的现场检测与分析。
20世纪四五十年代,各种型号的水质分析箱开始用于水质现场检测。
水质分析箱与水质监测车相比更加轻便,适合个人携带用于野外现场检测。
美国哈希-公司DREL系列是水质分析箱的代表图。
这种水质分析箱可以实现多个水质监测项目的现场检测,但是它也存在明显的缺陷,如需要携带大量试剂、操作复杂、只适合专业人员使用等。
图1.1DREL系列便携式水质分析箱
60年代,随着半导体技术的进步,国际上普遍开始对现场分析仪器进行研究。
在此期间,美国YSI公司推出世界上第一台使用CLARK电极的溶解氧测量系统1966年弗兰特(Frant)和罗斯(Ross)成功研制了氟离子选择性电极,促使离子性选择电极的迅猛发展。
离子选择性电极是一种根据电化学原理测定离子浓度的电极,具有灵敏度较高、结构简单、价格便宜、体积小、响应快等特点,检测时所需样品量少,在许多情况下不需要对样品进行预处理,对现场水质检测仪器的小型化起到了很大的推动作用。
1975年,全球第一台数字便携式pH测试仪在美国任氏(JENCO)公司诞生这种便携式的pH测试仪采用了离子选择性电极,具有体积小,响应快的特点,能够满足水质现场检测的要求。
到了90年代后期,世界各国出现了许多性能优良的便携式水质检测仪。
由于采用了单片机技术,便携式水质检测仪体积进一步缩小,性能进一步完善,被广泛应用于水质的现场检测。
便携式水质检测仪根据测量参数的多少分为单参数和多参数水质检测仪单参数水质检测仪功能单一,只能针对某一参数进行测量,早期的便携式水质检测仪大多数是单参数的。
多参数水质检测仪近年来得到很快的发展,它拥有多个传感器,可同时对多个参数(如水温、pH、溶解氧、电导率等)进行测量,为水质的现场检测提供了更多的方便。
目前,国外生产水质分析仪器的厂家有美国的YSI,HACH,GLI,Rosemoun等公司,德国的Lovibond,WTW,MERCK,DRAGER,STIP等公司,法国的Polymerton公司,瑞士的Zullig公司,日本的东业电波公司和衡河公司等。
其中市场占有率较高的主要有美国的HACH公司,德国的Lovibond公司以及意大的HANNA公司等。
图1.2YSI55便携式溶解氧检测仪
图1.2为美国YSI公司型号为YSI55的便携式溶解氧检测仪图,它是单参数便携式水质检测仪的代表产品,可在。
0-20mg/L范围内进行检测,精度可达0.01mg/L。
仪器尺寸为241×89×5Omm,重量为0.73kg,防雨防尘,适合野外使用。
图1.3是美国哈希-(HACH)公司推出的sensION156便携式多参数水质检测仪,可以测量水温、pH、溶解氧、电导率、可溶性总固体、盐度等参数。
具有温度自动补偿、快速校正功能,测量稳定。
仪器体积小,重量轻,可以防水,携带方便,适合在野外环境下使用。
图1.3sensION156多参数水质检测仪
图1.4是德国LOVIBOND公司的U-20便携式水质检测仪图。
它可以快速检测水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、盐度、溶解性总固体(TDS)、海水表观比重、海水深度、氧化还原电位(ORP)等13项指标,仪器小巧,便于携带,是便携式水质检测仪的典型代表。
国外的便携式多参数水质检测仪产品较多,系统稳定,性能优良,可以实现对水温、pH、电导率、溶解氧、浊度、氧化还原电位等多种参数的快速检测,但是它们的价格昂贵,表1.2列出了几种国外的便携式水质检测仪的技术指标和价格。
图1.4德国LOVIBONDU-20便携式水质检测仪
表1.2部分国外便携式水质检测仪的技术指标和价格
1.2.2国内水质监测技术现状
我国对于水质检测仪器的研究起步较晚,技术相对落后。
2003年的统计数据表明,我国购买的水质分析仪器73%来自进口;在我国5000多个水质监测站和数以万计的企业检测机构中,有85%以上仍然依靠传统的实地采样、水样预处理、实验室分析的方法进行水质检测工作。
90年代中期以后,我国才开始水质分析仪器的国产化研究和产品开发工作国产的便携式水质检测仪大多数是单参数的产品。
近年来,我国在多参数水质检测仪的研究和产品开发上也取得了一定的进展,如西安交通大学生命科学与技术学院研制了国内第一台水质监测样机,可同时检测水的COD,氨氮和pH二个指标;上海雷磁研制的便携式多参数水质检测仪可测量水温、pH、溶解氧、电导率等四个常规参数;北京东方德北科研发中心研制的M29/M33型水质检测仪可测量水温、pH、溶解氧、电导率、浊度等五个常规水质参数。
图1.5为河北先和科技公司推出的XH-90系列常规五参数自动检测仪,可以测量水温、pH、电导率、溶解氧和浊度等参数,采用220V交流电源供电,整体尺寸为1115×1140×210mm,整体重量40kg。
图1.5XH-90五参数自动监测仪
图1.6宙磁PHBJ-260pH计
图1.6为我国老牌厂家上海雷磁研制的型号为PHBJ-260的pH计图,是市场上具有代表性的国产便携式水质检测仪,可在0-14pH范围内对水的酸碱度进行测量,精度可达0.01pH,外形尺寸为210X100X45mm,重量为0.5kg。
图1.7DZ5-707多参数水质检测仪
图1.7为上海雷磁厂型号为DZS-707的多参数水质检测仪图,可同时进行水温、pH、电导率、盐度和溶解氧的测量,采用计算机对传感器的信号进行处理。
目前,我国的便携式水质检测仪主要以单参数为主,整体技术落后于国外,虽然已经出现了一些便携式多参数水质检测仪的产品,但是性能与国州司类产品相比还有一定差距。
表1.3列出了部分国产水质检测仪的技术指标和价格。
目前,便携式多参数水质检测仪在水质现场检测领域中的应用越来越普遍,对便携式多参数水质检测仪的信号采集和传输等关键技术进行研究,对于设计开发具有自主知识产权的便携式多参数水质检测仪尤为重要,对于提高我国水质分析仪器水平也具有重要的意义。
表1.3部分国内便携式水质检测仪的技术指标和价格
1.3论文研究内容
本论文在分析国内外便携式多参数水质检测仪技术现状的基础上,对便携式多参数水质检测仪的信号采集与传输技术进行了研究。
论文的主要任务是设计便携式多参数水质检测仪的信号采集和传输系统,实现多参数的信号采集、显示及无线传输。
该系统采用二次集成的方案,利用已有的温度、pH、溶解氧和电导率等传感器实现多参数的信号采集,采用单片机对多参数的采集信号进行处理,通过液晶显示屏对检测信号进行实时显示,还根据应用的需要对信号进行有线或无线的传输。
论文研究的主要内容如下:
①分析国内外便携式水质检测仪的研究现状,了解并掌握温度、pH、溶解氧、电导率的检测原理,对现有的传感器进行二次集成,提出便携式多参数水质检测仪的信号采集、显示和传输的设计方案;
②研究基于ATmega16单片机的便携式多参数水质检测仪的信号采集电路,包括信号采集接口电路、串行通信电路、电源电路等;设计温度信号采集、数据转换、串行通信等相关软件;
③设计基于KS0724点阵式液晶显示屏的多参数水质检测仪的显示电路,编写相关的驱动程序,实现多个参数在液晶显示屏同一界面的实时显示;
④设计以nRF905芯片为核心的数据传输硬件电路,包括数据收发电路、超限报警电路等;编写数据传输、系统控制、超限报警等相关的软件;
⑤进行软硬件联合调试和系统验证实验,对系统能否实现信号采集、显示和传输的功能进行了验证。
1.4本章小结
本章着重分析了水质监测的重要性,介绍了水质检测仪器的国内外研究现状,并针对目前国内便携式水质检测仪的技术现状,说明开展对便携式多参数水质检测仪的信号采集和传输系统研究的意义。
最后介绍了本论文的主要研究内容。
第2章信号采集系统设计
2.1引言
本论文的内容大致可分为信号采集系统和数据传输系统两部分,本章着重介绍信号采集系统的设计。
便携式多参数水质检测仪的信号采集系统需要实现对水温、pH、溶解氧、电导率等参数的信号采集和信号处理,将其转换为可供传输和显示的数据,下面将详细介绍该系统的硬件及软件设计。
2.2信号采集系统总体方案设计
2.2.1信号采集系统的设计要求
本论文以水温、pH、溶解氧、电导率等参数为检测对象,研究便携式多参数水质检测仪的信号采集。
根据国家《水质监测规范》SD127-84修订版和《国家标准地表水环境质量标准》CGB3838-2002)中的规定,各个参数的检测需要满足一定的检测范围和检测精度;另外,因为水温、pH、溶解氧、电导率等参数都是缓变信号,对采样频率的要求不高,因此本系统设计采样频率为每秒钟采样一次。
根据应用的需求,对便携式多参数水质检测仪的信号采集系统的设计要求如下:
①该信号采集系统需要实现对水温、pH、溶解氧、电导率信号的实时采集;
②水温、pH、溶解氧、电导率的检测范围和检测精度要满足相关标准的要求,即:
水温在0℃-40℃范围内达到0.1℃的精度;pH在0-14范围内达到0.1的精度;溶解氧在0-20mg/L范围内达到0.1mg/L的精度,电导率在0-20ms/cm范围内达到0.01ms/cm的精度;
③对水温、pH、溶解氧、电导率四个参数信号的采集频率满足每秒钟一次;
④采集的信号经过单片机处理以后,能够直接满足数据传输和显示的要
求。
2.2.2信号采集系统的设计方案
针对信号采集系统的设计要求,采用了如下的设计方案:
采用DS18B20数字温度传感器实现对温度信号的采集:
对现有的pH,溶解氧和电导率传感器进行二次集成,即:
利用目前已有的pH,溶解氧和电导率传感器的信号调理和A/D转换电路,采用单片机采集二个参数的译码信号,对其进行处理,转换为可供传输和显示的数据,实现对pH、溶解氧和电导率的信号采集。
现有的pH、溶解氧和电导率等传感器的A/D转换均采用了二位半双积分式A/D转换器ICL7126,它的输出为直接驱动七段液晶显示屏的译码信号,不便于直接用十传输和显示,需要将其输出信号全部接到单片机的I/O口,然后通过软件判断,根据七段译码信号与BCD码的对应关系得到实际所需的数据。
根据上述特点,设计信号采集系统的方案如下:
图2.1信号采集系统设计框图
设计框图中虚线部分表示pH、溶解氧、电导率传感器及其信号调理和A/D转换电路,是信号采集系统二次集成的对象。
信号采集系统设计一个信号采集终端,温度传感器的数字信号和pH输出的译码信号通过采集终端主控MCU的I/O口输入,主控MCU完成温度信号的处理和pH译码信号的BCD转换;溶解氧和电导率的信号则通过另外两块信号采集板采集,采集板上的MCU完成相应信号的BCD转换,通过串行口将数据发送到采集终端的主控MCU;主控MCU对所有的数据统一处理,进行显示或者传输。
考虑到水质监测网络对于数据无线传输的需要,第二章设计了基于无线传输的数据传输系统,可以对采集的信号进行无线传输和LCD显示,因此对检测信号的显示将放在第二章进行介绍。
2.3信号采集系统硬件设计
2.3.1主控MCU特性简介
作为便携式多参数水质检测仪的核心部件,主控MCU的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。
目前市场上单片机主要以8位、16位和32位为主。
本设计综合考虑功能需求、功耗、开发成本、性价比等诸多因素,选定AVR系列的ATmega16作为信号采集系统的主控MCU。
Atmel公司的ATmega16单片机具有高性能、高速度、低功耗的特点,是目前主流的8位单片机,其主要特点如下:
①速度快
AVR单片机在单一时钟周期内能够执行功能强大的指令,每LVIFIz可实现MIPS的处理,是具有最高MIPS/mW能力的8位单片机。
②片内资源丰富
ATmega16含16K的可编程F1ash,512字节的EEPROM,,1K的片l匀SRAM,8通道10位AD转换器,SPI串行外设接口,JTAG接口等。
③可重复擦写并可在线系统编程(ISP)
ATmega16中的程序存储空间采用的是Flash存储技术,因此,该单片机的内部存储单元可在线重复擦写1000次以上;在线系统可编程功能更是为程序的下载和调试提供了方便。
④低功耗
ATmegal6单片机的工作电压范围为2.7-5.5V,同时具有休眠省电功能及闲置低功耗功能。
由十多参数水质检测仪是便携式的,对移动性和低功耗有一定要求,因此,采用此单片机芯片可以有效降低系统的功耗。
⑤带有同步串行接口SPI
SPI是一种同步串行外围总线,它可以使微处理器与各种外围设备以同步串行方式进行信息交换,简化硬件连接。
SPI总线一般使用四根信号线:
SCK(串行时钟)、MISO(主机输入/从机输出)、MOSI(主机输出/从机输入)和CS(低电平有效的从机选择),利用SPI总线可以在软件控制下构成各种系统。
图2.2ATmegal6排列图
ATmega16采用44引脚TQFP封装,引脚排列如图2.2所示:
2.3.2信号采集接口电路
信号采集系统需要设计对温度、pH、溶解氧、电导率输出信号的接口电路,完成对温度传感器输出的数字信号的采集,以及对pH、溶解氧和电导率传感器电路输出的译码信号的采集。
现有的pH、溶解氧和电导率传感器电路均采用了二位半双积分式A/D转换器ICL7126。
双积分式A/D转换器虽然转换速度较慢,但转换精度很高,抗干扰性好,广泛应用于各类低速信号采集系统。
ICL7126集成度高,它除了用于A/D转换的模拟和数字控制电路以外,还包含驱动LCD所需的数字电路,可以直接输出译码信号驱动七段液晶显示屏,广泛应用于各类数字仪表。
由十ICL7126的输出信号是表示每一位的七段译码信号,它与单片机的接口不像其它有BCD码输出的芯片容易,需要将ICL7126的输出信号全部接到单片机的I/O口,然后通过软件判断,根据七段译码信号与BCD码的对应关系得到实际所需的数据。
温度采集由于采用数字式温度传感器,可以将其输出的数字信号直接接至单片机的I/O口。
根据温度信号采集和pH、溶解氧、电导率信号采集的不同特点,分别设计了温度信号采集接口电路和pH、溶解氧、电导率信号采集接口电路,下面将分别予以介绍。
①温度信号采集接口电路
温度采集常用的是热电式传感器,热电式传感器的输出都是模拟量,需要经过A/D转换才能成为单片机可以处理的数字信号。
数字温度传感器的输出为数字信号,可以直接输入单片机,精度高、体积小、成本低,电路设计简单,因此该信号采集系统采用美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器,其输出为标准的数字信号,可直接输入ATmega16进行处理。
DS18B20数字温度传感器是一款单总线可编程智能温度传感器[fill,具有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样等特点,适用十各种数字测温和控制领域。
它的主要特性如下:
1)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条I/O线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯:
2)测温范围为-55℃—125℃,测温分辨率0.0625℃;
3)工作电源:
3-5V/DC;
4)在使用中不需要任何外围元件;
5)测量结果以9-12位数字量方式串行传送。
DS18B20的管脚排列如图2.3所示:
图2.3DS18B20引脚图
其中,GND为地:
DQ为单总线应用的数字输入/输出:
VDD为可选的电源输入,即DS18B20可通过VDD外接5V电源供电,也可由DQ单总线供电。
DS18B20的测温原理如图2.4所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用十补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用十修正计数器1的预置值。
图2.4DS18B20内部测温电路框图
在多参数水质检测仪的温度信号采集中,将DS18B20的DQ与单片机的PD6相连。
DS18B20的测量结果将放置在内存中,信号采集终端主控单元ATmega16通过PD6读取测量结果,实现对水温的测量。
图2.5温度信号采集电路
由于DS18B20内部包含寄生电源电路,因此对其供电可采用单总线供电方式,也可外接5V电源供电。
DS18B20在进行温度转换时需要消耗电流,如果供电不足会导致数据出错,因此单总线供电存在缺陷,容易使温度转换不准确。
在本设计中,为了使DS18B20能准确地完成温度变换,选择VDD外接SV电源的供电方式。
温度采集的接口电路如图2.5所示。
②pH、溶解氧、电导率信号采集接口电路对pH,溶解氧、电导率信号的采集是采用的二次集成方案,需要解决ICL7126与ATmega16的接口问题。
由于ICL7126的输出是驱动每一位的七段译码信号,因此需要将ICL7126的输出信号全部接到单片机的I/O口,然后通过软件判断,将七段译码信号转换成对应BCD码数据以进行数据的传输与显示。
在pH信号采集接口电路中,pH计的两位译码信号的输出引脚分别与ATmega16的PA口和PC口连接。
ATmega16读取PA口和PC口的数据,按照对应的关系进行译码信号到BCD码的转换。
pH信号采集接口电路如图2.6所示:
图2.6pH信号采集小意图
溶解氧的输出信号有二位,比pH多了一位,因此将其二位的输出信号引脚分别与ATmega16的PA,PC,PB口连接。
ATmega16通过PA,PB,PC口采集溶解氧输出的七段译码信号,通过软件判断,将信号转换为溶解氧的数据。
溶解氧的信号采集接口电路如图2.7所示:
图2.7溶解氧信号采集示意图
电导率的信号采集接口电路与溶解氧基本一致:
电导仪二位输出的译码信号分别与ATmega16的PA,PC,PB口连接。
ATmega16通过PA,PB,PC口采集电导率输出的七段译码信号,通过软件判断,将信号转换为电导率的BCD数据。
与溶解氧采集不同的是,电导率采集板将ATmega16的PD2接地,Ifu溶解氧采集板将ATmega16的PDS接地。
这样设计的目的是对了软件编写的方便,具体内容将在信号采集的软件设计中予以说明。
电导率的信号采集接口电路如图2.8所示:
图2.8电导率信号采集示意图
图2.9pH信号采集电路图
各信号采集的接口电路如图2.9-2.11所示。
图2.9的pH信号采集接口电路中包含了温度信号的采集:
DS18B20的输出DQ与ATmegal6的PD6相连,ATmegal6通过PD6对温度
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