水質(zhì)自動(dòng)監控系統的設計與實(shí)現

摘要：介紹了基于單片機的水質(zhì)監控系統的實(shí)施方法。該方法克服了傳統儀器的不足，可實(shí)現水質(zhì)監控的智能化，滿(mǎn)足了水產(chǎn)科研及環(huán)境監測發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監測 單片機 自動(dòng)控制

水產(chǎn)科研的不斷深入以及環(huán)境保護的不斷加強對水質(zhì)各參數的連續實(shí)時(shí)監測提出了更高的要求，如：在水產(chǎn)養殖研究中，要求對池塘、水庫、工廠(chǎng)化養魚(yú)池等多種水體的水質(zhì)連續監控；在環(huán)境保護方面，建立各種水質(zhì)無(wú)人測站以監測和記錄江、河、湖泊、地下水以及海岸沿線(xiàn)各點(diǎn)的水質(zhì)變化，把數據通過(guò)各種通訊方式實(shí)時(shí)傳輸到監控中心進(jìn)行處理等。傳統的水質(zhì)監測方式由于測試周期長(cháng)、不能實(shí)時(shí)監測等原因，已不能適應水產(chǎn)科研以及環(huán)境保護等方面的需求。

本系統以單片機為主控制器，結合最新的外圍器件，可實(shí)現同時(shí)監測溶解氧、溫度、pH值、電導率、氨氮等11路參數的變化，同時(shí)顯示在液晶顯示器上，并按設定的時(shí)間間隔記錄在EEPROM中；也可通過(guò)RS-232串口與遠程計算機通信，完成數據傳輸、遠程控制、遠程校正等功能；還可以通過(guò)控制接口控制報警器、增氧機、循環(huán)泵等設備，完成自動(dòng)控制功能。

1 系統原理

系統硬件結構框圖如圖1所示。主控制芯片選用ATMEL公司的89C52。系統主要組成部分包括：傳感器、信號調理部分、單片機、非易失EEPROM、模/數轉器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶顯示器、電源監控、鍵盤(pán)、8位雙向I/O口、8位開(kāi)關(guān)控制輸出以及同計算機連接的通信接口等。

傳感器信號將各參數的變化轉變?yōu)橄鄳奈⑷醯碾娏骰螂妷盒盘?，?jīng)精密放大器調理是標準的0～5V電壓后，送到模/數轉換器轉換成相應的數字電壓值，再送入單片機中進(jìn)行處理。單片機依據不同的傳感器進(jìn)行數值濾波、補償等運算后送入液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)按照設定值，定時(shí)存入在非易失EEPROM中。這些數據可以通過(guò)本機按鍵在液晶顯示屏上直接讀取或清除，還可以通過(guò)RS-232接口由計算機直接讀取數據。

系統由4個(gè)按鍵完成自動(dòng)校準、校零、采集數據及存儲數據時(shí)間間隔設定、數據讀取及清除等功能。電源可用交流電或電池供電，由專(zhuān)門(mén)的電源監控電路監測供電狀況并自動(dòng)切換。當電池電壓低于所定標準電壓時(shí)，在液晶顯示上顯示出來(lái)，表明需要更換電池。

2 關(guān)鍵器件及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器

2.1.1 溫度傳感器

根據水質(zhì)監測的需要，我們選用了美國Dallas公司一線(xiàn)數字溫度計DS1820，大小如一個(gè)三極管，為單總線(xiàn)數字傳輸。讀寫(xiě)溫度變換的功率來(lái)自來(lái)數據線(xiàn)而不需要額外電源，每一個(gè)DS1820含有一個(gè)唯一的硅串行數，同一總線(xiàn)上可有多個(gè)DS1820。這些特點(diǎn)可滿(mǎn)足多種需要，如不增加信號線(xiàn)，在探頭按需要可串接多個(gè)DS1820，以便同時(shí)對上、中、下各層水的溫度以及氣溫等進(jìn)行監測。在使用中發(fā)現，DS1820的測量值與實(shí)際值有一定的誤差，每個(gè)誤差都不一樣。為了能夠互換而不修改程序或進(jìn)行校準，把誤差值經(jīng)特殊變換存在DS1820中原來(lái)作為存儲高低溫度觸發(fā)的TH、TL兩個(gè)字節中，這兩個(gè)字節為EEPROM，即使掉電也不會(huì )丟失，在單片機讀取測量溫度的同時(shí)一并讀入，去除誤差，得到實(shí)際值。這樣就可以更換探頭或DS1820而不需要重新校準。

2.1.2 溶解氧傳感器

溶解氧傳感器為自制的極譜型薄膜電極。儀器對電極加上0.7V的直流電壓稱(chēng)為極化電壓，水或空氣中的氧透過(guò)薄膜在電極上產(chǎn)生如下反應：

陰極：O2+2H2O+4e---- >4OH-

陽(yáng)極：4Ag+4Cl- ---- >4AgCl+4e

氧在陰極上還原，電極輸出電流，在一定溫度下其大小與被測樣品氧濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。以輸出電流為y軸，氧濃度為x軸作圖可得一直線(xiàn)，該直線(xiàn)通過(guò)零點(diǎn)。不同的溫度其直線(xiàn)的斜率不同，這就是溶氧電極的溫度系數。產(chǎn)生溫度系數的原因有兩個(gè)：一是電極薄膜氧的透過(guò)速率隨溫度而變化，溫度每升高一度大約變化3%，氧電極的電流也相應增加，即溶解氧濃度不變而溫度變化，引起電極靈敏度變化，造成讀數誤差；二是水中的溶解氧的飽和溶解度隨溫度的不同而不同，由于此種電極是對氧分壓敏感元件，因此不同的溫度下相同的氧分壓輸出相同的電流，但其溶解氧實(shí)際濃度值不是同的。為了準確讀出溶解氧值，在傳統的儀器中把熱敏電阻做在電路中進(jìn)行溫度補償，但需要對電路反復調試，其補償范圍及精度受到限制。在本系統中對溫度和溶氧分別采集，用軟件進(jìn)行補償，不需要對電路進(jìn)行溫度補償調試。在軟件設計中采取三種方法對溫度系數進(jìn)行補償：第一，根據國標中有關(guān)各溫度下被空氣飽和的水中溶解氧的實(shí)際值，做出溫度與飽和溶解氧的曲一，得到擬合方程存到單片機中，消除影響溫度系數的第二個(gè)原因；第二，測出探頭在各溫度下被空空氣飽和的水中的模/數轉換值，做出溫度與轉換值的曲線(xiàn)，得到擬合方程存到單片機中，消除影響溫度系數的第一個(gè)原因；第三，實(shí)際使用時(shí)把在空氣中進(jìn)行飽和校正時(shí)的參數實(shí)時(shí)加入到擬方程中，消除了探頭使用中的誤差。在軟件中還加入了對鹽度、氣壓的補償。正是利用單片機的運算功能，使得溫度變化可以得到補償，這些功能在傳統的儀器中是很難做到的。

pH值、電導等選用成品探頭，根據不同探頭的特點(diǎn)，設計不同的信號調理電路，變換為0～5V的標準輸入電壓，接入系統的A/D轉換器中。

2.2 主要芯片

2.2.1 主控芯片

主控芯片選用ATMEL公司的AT89C52，內部有8k字節的Flash程序存儲器，免去了擴展外部存儲器的麻煩，在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易地進(jìn)行程序的修改，縮短了系統開(kāi)的周期，而且還可以隨用戶(hù)的需要和發(fā)展對程序進(jìn)行修改或升級，使系統不斷地滿(mǎn)足用戶(hù)的最新要求。

2.2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選用的是美國Dallas公司的DS12C887，內部包含晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充鋰電池等。其內有非易失時(shí)鐘、百年歷、警報器、可編程中斷、方波發(fā)生器以及114字節非易失靜態(tài)RAM供用戶(hù)使用。

2.2.3 A/D轉換

A/D轉換選用美國TI公司的TLC2543。片內含有一個(gè)14通道多路器，可從11個(gè)外部模擬輸入或三個(gè)內部自測電壓中選擇一路進(jìn)行轉換輸出，片內設有采樣保持電路，主處理器只需發(fā)出讀某一通道命令即可。

2.2.4 顯示器

顯示器選用香港精電公司的液晶顯示模塊MDLS-16165，它可同時(shí)顯示16個(gè)ASCⅡ碼或自定義的特殊字符和圖形符號。它把LCD控制器、點(diǎn)陣驅動(dòng)器、字符存儲器全部做在一塊線(xiàn)路板上，構成了便于應用的液晶顯示模塊，在應用上已經(jīng)規范化。

2.2.5 數據記錄芯片

數據記錄芯片選用美國Xicor公司推出的新型結構的節省接口的串行EEPROM器件X84641。它不需要微處理器的連接邏輯或系統總線(xiàn)接口，直接利用一般的微處理器的控制信號（OE、WE、CE）以及簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)時(shí)序與大多數微處理器接口。本系統設定每批測量數據為32字節，包括測量的日期、時(shí)間以及所測的各項參數。其中日期、時(shí)間占4字節，每個(gè)參數為浮點(diǎn)數，占4字節，可以存放7個(gè)測量值，基本滿(mǎn)足需要，在8K EEPROM中可存儲240組數據。在剩余256字節中存儲設置信息、狀態(tài)和軟件運行時(shí)的中間狀態(tài)值等，還可存儲24次控制設備開(kāi)關(guān)的時(shí)間，包括設備名及其開(kāi)、關(guān)的日期和時(shí)間等。

2.2.6 串行通信

為了對所采集數據實(shí)時(shí)傳送或連接遠距離計算機，利用89C52的串行通信接口的標準異步通信方式，通過(guò)接口芯片MAX232轉換為標準RS-232接口。

3 軟件設計

軟件所要實(shí)現的功能是將通過(guò)精密放大器的各路傳感器信號進(jìn)行A/D轉換，把轉換后的數字量進(jìn)行補償轉換處理，最后送液晶顯示器顯示、存儲或送通信口遠距離傳輸。其主控程序流程圖及鍵盤(pán)分析模塊流程圖分別如圖2和圖3所示。

本監控儀的軟件采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程。對時(shí)序要求較嚴的部分如DS1820、TLC2543、X84641等用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)成相應的獨立模塊供主程序調用，主控程序、顯示控制、鍵盤(pán)程序、各路數據的補償運算，在對各路數據進(jìn)行補償處理時(shí)，其精度得到保證。

在程序的編寫(xiě)過(guò)程中，考慮到可移值性和以后的功能升級以及調試的方便，采用模塊化設計。

4 系統測試及結果

我們在研制過(guò)程中首先對溶解氧探頭進(jìn)行測試，研制出溫度、溶解氧及pH模塊，并進(jìn)行應用試驗。測定溶解氧時(shí)需要水有一定的流速，而在池塘中一般為靜止水，所以在探頭上附加一只小型魚(yú)缸用水循環(huán)泵，并用軟件控制其開(kāi)關(guān)，同時(shí)把增氧機開(kāi)關(guān)信號送入本監控儀，能夠同時(shí)監測記錄增氧機開(kāi)停時(shí)間以便于研究增氧機對溶氧及其它各參數的影響，設定采集數據間隔為15分鐘，可連續監測記錄60個(gè)小時(shí)，其使用效果良好。