水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡宛濤++韓峰++薛曉

摘 要：目前水質(zhì)問題日益嚴(yán)重，且水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單一，不能很好反映污染情況，所以設(shè)計(jì)一個(gè)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作系統(tǒng)化、信息化。設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心機(jī)房部分。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分主要是現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采集模塊和遠(yuǎn)程測(cè)控模塊。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分就是帶有數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存的計(jì)算機(jī)，用于保存數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)以水的酸堿度為主，溫度為參考量，用單片機(jī)采集參數(shù)，通過485總線可與遠(yuǎn)程測(cè)控模塊相連實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè) 單片機(jī) 酸堿度 溫度

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0014-02

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，1966年紐約州安裝了第一臺(tái)水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)器，然后美國(guó)各州開始效仿，現(xiàn)在美國(guó)已有了以計(jì)算機(jī)為主體的、全國(guó)性的遠(yuǎn)程水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。而我國(guó)對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究始于80年代，我國(guó)傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法多是人工操作，主要是在某些斷面或監(jiān)測(cè)點(diǎn)定時(shí)定點(diǎn)瞬時(shí)取樣，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析或者野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)建立全國(guó)重點(diǎn)流域水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且可以很好的監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，掌握水污染變化，但是我國(guó)各地區(qū)的監(jiān)測(cè)水平不一致，重點(diǎn)流域和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平較高，已經(jīng)開始和發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)接軌，但是偏遠(yuǎn)地區(qū)或經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平較低，有些地方甚至還是采用人工監(jiān)測(cè)的手段，我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要很多完善。本設(shè)計(jì)針對(duì)監(jiān)測(cè)問題提供一個(gè)可行的監(jiān)測(cè)思路，使監(jiān)測(cè)工作方便化、系統(tǒng)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分兩部分組成。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分主要是由水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和內(nèi)部帶有GSM模塊的RTU單元組成。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分則是裝有環(huán)保綜合管理信息系統(tǒng)軟件的PC機(jī)和短信息終端接收設(shè)備，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分是通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通的。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模塊首先通過各種傳感器對(duì)反映設(shè)備工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行分析處理和判斷，然后將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，通過與單片機(jī)相連的顯示模塊進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)即時(shí)顯示的功能。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采集模塊再通過RS485總線與RTU模塊相連通訊，RTU內(nèi)含有專用的GSM模塊，RTU先通過RS485總線把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后通過人為設(shè)定時(shí)間，按時(shí)將收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GSM模塊經(jīng)過GSM無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息給監(jiān)測(cè)中心站，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)無線傳輸。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心作用為數(shù)據(jù)監(jiān)聽、接收并將其與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成了水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心對(duì)水質(zhì)參數(shù)的接收、保存及管理功能。設(shè)計(jì)思路框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以AT89C52作為主控單片機(jī)，溫度傳感器直接與AT89C52單片機(jī)相連完成溫度的測(cè)量，而pH傳感器則需要信號(hào)調(diào)理電路、抗干擾電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后能使單片機(jī)完成測(cè)量，然后測(cè)量結(jié)果可以在液晶顯示模塊即時(shí)顯示，然后通過RS485總線傳輸出去。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)以AT89C52最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，AT89C52芯片為中心，在RST端口外接一復(fù)位電路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震蕩電路，然后把VCC和EA端口接VCC。這樣一單片機(jī)最小系統(tǒng)就成功了。此時(shí)單片機(jī)就能實(shí)行基本的功能，晶振可以為單片機(jī)提供時(shí)鐘周期，復(fù)位電路可以解決重啟問題，EA解決了單片機(jī)讀取內(nèi)部存儲(chǔ)的問題，最后VCC和GND保證芯片工作。最小系統(tǒng)圖略。

2.3 傳感器

pH傳感器采用復(fù)合電極，玻璃電極作為測(cè)量電極，甘汞電極作為參考電極，當(dāng)氫離子濃度發(fā)生變化時(shí)，玻璃電極和甘汞電極之間的電動(dòng)勢(shì)也隨著變化，這就是復(fù)合電極的測(cè)定原理。以玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極，將兩種電極形成的復(fù)合電極插入待測(cè)溶液中，復(fù)合電極和待測(cè)溶液形成原電池，復(fù)合玻璃電極的兩條輸出引線分別接原電池正極和負(fù)極。依據(jù)nernst方程，原電池的輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溶液pH值之間滿足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E為原電池輸出電動(dòng)勢(shì)，E0為常數(shù)，為與電極材料，內(nèi)參比溶液，內(nèi)參比電極以及電位有關(guān)的電位差，K為常數(shù)，為nernst系數(shù)，T為被測(cè)溶液的絕對(duì)溫度，pHx是被測(cè)溶液的pH值，pH0為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液pH值。

2.5 抗干擾電路

由于信號(hào)放大電路很容易受到其他信號(hào)干擾，主要表現(xiàn)為工頻干擾，對(duì)于諧波的干擾可通過低通濾波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干擾就需要一個(gè)陷波器。50Hz工頻信號(hào)對(duì)信號(hào)采集有很大影響，必須除去。本設(shè)計(jì)采用雙T有源濾波器來濾除50Hz的工頻信號(hào)。電路的中心頻率：f=1/2π RC。對(duì)于f>f0的高頻信號(hào)，兩個(gè)串聯(lián)的電容C阻抗很低，信號(hào)可經(jīng)過電容直接傳輸?shù)竭\(yùn)放的同相輸入端即Ui=U+；對(duì)于f

2.6 12位A/D轉(zhuǎn)換

TLC2543是12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器，在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測(cè)試方式；采樣率為66kbps，線性誤差±1LSBmax，有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；具有單、雙極性輸出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模擬信號(hào)輸入可以只采用一個(gè)端口，本設(shè)計(jì)采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在單片機(jī)I/O口上就行了，其中CLK為輸入/輸出時(shí)鐘端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模擬信號(hào)輸入可以只采用一個(gè)端口，本設(shè)計(jì)采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在單片機(jī)I/O口上就行了。TLC2543接單片機(jī)如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序中首先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，變量，I/O口和串口進(jìn)行了初始化。通過定時(shí)器精確計(jì)時(shí)產(chǎn)生中斷，每中斷一次即啟動(dòng)一次AD轉(zhuǎn)換子程序，讀取各個(gè)監(jiān)測(cè)通道的測(cè)量信號(hào)。又通過調(diào)用溫度檢測(cè)子程序?qū)y(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理測(cè)量信號(hào)。最后調(diào)用LCD1602顯示子程序，將測(cè)量值顯示出來。完成了對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)的采集、處理和顯示的主循環(huán)。同時(shí)把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保存的位置為自定義的存儲(chǔ)空間，以便查找使用，然后通過串口中斷把數(shù)據(jù)發(fā)送給了RTU，RTU再發(fā)送數(shù)據(jù)給接收設(shè)備，整體主程序如圖4所示。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分兩部分組成。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分主要是由水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和內(nèi)部帶有GSM模塊的RTU單元組成，水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分則是裝有環(huán)保綜合管理信息系統(tǒng)軟件的PC機(jī)和短信息終端接收設(shè)備，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分是通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王凱軍，賈立敏.城市污水生物處理新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

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[3] 戴衛(wèi)恒.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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[5] 朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩.Proteus教程-電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真[M].北京清華大學(xué)出版社，2008.

摘 要：目前水質(zhì)問題日益嚴(yán)重，且水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單一，不能很好反映污染情況，所以設(shè)計(jì)一個(gè)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作系統(tǒng)化、信息化。設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心機(jī)房部分。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分主要是現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采集模塊和遠(yuǎn)程測(cè)控模塊。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分就是帶有數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存的計(jì)算機(jī)，用于保存數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)以水的酸堿度為主，溫度為參考量，用單片機(jī)采集參數(shù)，通過485總線可與遠(yuǎn)程測(cè)控模塊相連實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè) 單片機(jī) 酸堿度 溫度

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0014-02

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，1966年紐約州安裝了第一臺(tái)水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)器，然后美國(guó)各州開始效仿，現(xiàn)在美國(guó)已有了以計(jì)算機(jī)為主體的、全國(guó)性的遠(yuǎn)程水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。而我國(guó)對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究始于80年代，我國(guó)傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法多是人工操作，主要是在某些斷面或監(jiān)測(cè)點(diǎn)定時(shí)定點(diǎn)瞬時(shí)取樣，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析或者野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)建立全國(guó)重點(diǎn)流域水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且可以很好的監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，掌握水污染變化，但是我國(guó)各地區(qū)的監(jiān)測(cè)水平不一致，重點(diǎn)流域和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平較高，已經(jīng)開始和發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)接軌，但是偏遠(yuǎn)地區(qū)或經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平較低，有些地方甚至還是采用人工監(jiān)測(cè)的手段，我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要很多完善。本設(shè)計(jì)針對(duì)監(jiān)測(cè)問題提供一個(gè)可行的監(jiān)測(cè)思路，使監(jiān)測(cè)工作方便化、系統(tǒng)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分兩部分組成。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分主要是由水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和內(nèi)部帶有GSM模塊的RTU單元組成。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分則是裝有環(huán)保綜合管理信息系統(tǒng)軟件的PC機(jī)和短信息終端接收設(shè)備，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分是通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通的。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模塊首先通過各種傳感器對(duì)反映設(shè)備工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行分析處理和判斷，然后將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，通過與單片機(jī)相連的顯示模塊進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)即時(shí)顯示的功能。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采集模塊再通過RS485總線與RTU模塊相連通訊，RTU內(nèi)含有專用的GSM模塊，RTU先通過RS485總線把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后通過人為設(shè)定時(shí)間，按時(shí)將收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GSM模塊經(jīng)過GSM無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息給監(jiān)測(cè)中心站，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)無線傳輸。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心作用為數(shù)據(jù)監(jiān)聽、接收并將其與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成了水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心對(duì)水質(zhì)參數(shù)的接收、保存及管理功能。設(shè)計(jì)思路框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以AT89C52作為主控單片機(jī)，溫度傳感器直接與AT89C52單片機(jī)相連完成溫度的測(cè)量，而pH傳感器則需要信號(hào)調(diào)理電路、抗干擾電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后能使單片機(jī)完成測(cè)量，然后測(cè)量結(jié)果可以在液晶顯示模塊即時(shí)顯示，然后通過RS485總線傳輸出去。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)以AT89C52最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，AT89C52芯片為中心，在RST端口外接一復(fù)位電路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震蕩電路，然后把VCC和EA端口接VCC。這樣一單片機(jī)最小系統(tǒng)就成功了。此時(shí)單片機(jī)就能實(shí)行基本的功能，晶振可以為單片機(jī)提供時(shí)鐘周期，復(fù)位電路可以解決重啟問題，EA解決了單片機(jī)讀取內(nèi)部存儲(chǔ)的問題，最后VCC和GND保證芯片工作。最小系統(tǒng)圖略。

2.3 傳感器

pH傳感器采用復(fù)合電極，玻璃電極作為測(cè)量電極，甘汞電極作為參考電極，當(dāng)氫離子濃度發(fā)生變化時(shí)，玻璃電極和甘汞電極之間的電動(dòng)勢(shì)也隨著變化，這就是復(fù)合電極的測(cè)定原理。以玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極，將兩種電極形成的復(fù)合電極插入待測(cè)溶液中，復(fù)合電極和待測(cè)溶液形成原電池，復(fù)合玻璃電極的兩條輸出引線分別接原電池正極和負(fù)極。依據(jù)nernst方程，原電池的輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溶液pH值之間滿足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E為原電池輸出電動(dòng)勢(shì)，E0為常數(shù)，為與電極材料，內(nèi)參比溶液，內(nèi)參比電極以及電位有關(guān)的電位差，K為常數(shù)，為nernst系數(shù)，T為被測(cè)溶液的絕對(duì)溫度，pHx是被測(cè)溶液的pH值，pH0為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液pH值。

2.5 抗干擾電路

由于信號(hào)放大電路很容易受到其他信號(hào)干擾，主要表現(xiàn)為工頻干擾，對(duì)于諧波的干擾可通過低通濾波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干擾就需要一個(gè)陷波器。50Hz工頻信號(hào)對(duì)信號(hào)采集有很大影響，必須除去。本設(shè)計(jì)采用雙T有源濾波器來濾除50Hz的工頻信號(hào)。電路的中心頻率：f=1/2π RC。對(duì)于f>f0的高頻信號(hào)，兩個(gè)串聯(lián)的電容C阻抗很低，信號(hào)可經(jīng)過電容直接傳輸?shù)竭\(yùn)放的同相輸入端即Ui=U+；對(duì)于f

2.6 12位A/D轉(zhuǎn)換

TLC2543是12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器，在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測(cè)試方式；采樣率為66kbps，線性誤差±1LSBmax，有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；具有單、雙極性輸出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模擬信號(hào)輸入可以只采用一個(gè)端口，本設(shè)計(jì)采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在單片機(jī)I/O口上就行了，其中CLK為輸入/輸出時(shí)鐘端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模擬信號(hào)輸入可以只采用一個(gè)端口，本設(shè)計(jì)采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在單片機(jī)I/O口上就行了。TLC2543接單片機(jī)如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序中首先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，變量，I/O口和串口進(jìn)行了初始化。通過定時(shí)器精確計(jì)時(shí)產(chǎn)生中斷，每中斷一次即啟動(dòng)一次AD轉(zhuǎn)換子程序，讀取各個(gè)監(jiān)測(cè)通道的測(cè)量信號(hào)。又通過調(diào)用溫度檢測(cè)子程序?qū)y(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理測(cè)量信號(hào)。最后調(diào)用LCD1602顯示子程序，將測(cè)量值顯示出來。完成了對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)的采集、處理和顯示的主循環(huán)。同時(shí)把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保存的位置為自定義的存儲(chǔ)空間，以便查找使用，然后通過串口中斷把數(shù)據(jù)發(fā)送給了RTU，RTU再發(fā)送數(shù)據(jù)給接收設(shè)備，整體主程序如圖4所示。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分兩部分組成。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分主要是由水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和內(nèi)部帶有GSM模塊的RTU單元組成，水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分則是裝有環(huán)保綜合管理信息系統(tǒng)軟件的PC機(jī)和短信息終端接收設(shè)備，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分是通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王凱軍，賈立敏.城市污水生物處理新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

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摘 要：目前水質(zhì)問題日益嚴(yán)重，且水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單一，不能很好反映污染情況，所以設(shè)計(jì)一個(gè)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作系統(tǒng)化、信息化。設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心機(jī)房部分。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分主要是現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采集模塊和遠(yuǎn)程測(cè)控模塊。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分就是帶有數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存的計(jì)算機(jī)，用于保存數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)以水的酸堿度為主，溫度為參考量，用單片機(jī)采集參數(shù)，通過485總線可與遠(yuǎn)程測(cè)控模塊相連實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè) 單片機(jī) 酸堿度 溫度

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0014-02

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，1966年紐約州安裝了第一臺(tái)水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)器，然后美國(guó)各州開始效仿，現(xiàn)在美國(guó)已有了以計(jì)算機(jī)為主體的、全國(guó)性的遠(yuǎn)程水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。而我國(guó)對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究始于80年代，我國(guó)傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法多是人工操作，主要是在某些斷面或監(jiān)測(cè)點(diǎn)定時(shí)定點(diǎn)瞬時(shí)取樣，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析或者野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)建立全國(guó)重點(diǎn)流域水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且可以很好的監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，掌握水污染變化，但是我國(guó)各地區(qū)的監(jiān)測(cè)水平不一致，重點(diǎn)流域和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平較高，已經(jīng)開始和發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)接軌，但是偏遠(yuǎn)地區(qū)或經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水平較低，有些地方甚至還是采用人工監(jiān)測(cè)的手段，我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要很多完善。本設(shè)計(jì)針對(duì)監(jiān)測(cè)問題提供一個(gè)可行的監(jiān)測(cè)思路，使監(jiān)測(cè)工作方便化、系統(tǒng)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分兩部分組成。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分主要是由水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和內(nèi)部帶有GSM模塊的RTU單元組成。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分則是裝有環(huán)保綜合管理信息系統(tǒng)軟件的PC機(jī)和短信息終端接收設(shè)備，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分是通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通的。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模塊首先通過各種傳感器對(duì)反映設(shè)備工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行分析處理和判斷，然后將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，通過與單片機(jī)相連的顯示模塊進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)即時(shí)顯示的功能。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采集模塊再通過RS485總線與RTU模塊相連通訊，RTU內(nèi)含有專用的GSM模塊，RTU先通過RS485總線把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后通過人為設(shè)定時(shí)間，按時(shí)將收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GSM模塊經(jīng)過GSM無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息給監(jiān)測(cè)中心站，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)無線傳輸。水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心作用為數(shù)據(jù)監(jiān)聽、接收并將其與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成了水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心對(duì)水質(zhì)參數(shù)的接收、保存及管理功能。設(shè)計(jì)思路框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以AT89C52作為主控單片機(jī)，溫度傳感器直接與AT89C52單片機(jī)相連完成溫度的測(cè)量，而pH傳感器則需要信號(hào)調(diào)理電路、抗干擾電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后能使單片機(jī)完成測(cè)量，然后測(cè)量結(jié)果可以在液晶顯示模塊即時(shí)顯示，然后通過RS485總線傳輸出去。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)以AT89C52最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，AT89C52芯片為中心，在RST端口外接一復(fù)位電路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震蕩電路，然后把VCC和EA端口接VCC。這樣一單片機(jī)最小系統(tǒng)就成功了。此時(shí)單片機(jī)就能實(shí)行基本的功能，晶振可以為單片機(jī)提供時(shí)鐘周期，復(fù)位電路可以解決重啟問題，EA解決了單片機(jī)讀取內(nèi)部存儲(chǔ)的問題，最后VCC和GND保證芯片工作。最小系統(tǒng)圖略。

2.3 傳感器

pH傳感器采用復(fù)合電極，玻璃電極作為測(cè)量電極，甘汞電極作為參考電極，當(dāng)氫離子濃度發(fā)生變化時(shí)，玻璃電極和甘汞電極之間的電動(dòng)勢(shì)也隨著變化，這就是復(fù)合電極的測(cè)定原理。以玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極，將兩種電極形成的復(fù)合電極插入待測(cè)溶液中，復(fù)合電極和待測(cè)溶液形成原電池，復(fù)合玻璃電極的兩條輸出引線分別接原電池正極和負(fù)極。依據(jù)nernst方程，原電池的輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溶液pH值之間滿足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E為原電池輸出電動(dòng)勢(shì)，E0為常數(shù)，為與電極材料，內(nèi)參比溶液，內(nèi)參比電極以及電位有關(guān)的電位差，K為常數(shù)，為nernst系數(shù)，T為被測(cè)溶液的絕對(duì)溫度，pHx是被測(cè)溶液的pH值，pH0為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液pH值。

2.5 抗干擾電路

由于信號(hào)放大電路很容易受到其他信號(hào)干擾，主要表現(xiàn)為工頻干擾，對(duì)于諧波的干擾可通過低通濾波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干擾就需要一個(gè)陷波器。50Hz工頻信號(hào)對(duì)信號(hào)采集有很大影響，必須除去。本設(shè)計(jì)采用雙T有源濾波器來濾除50Hz的工頻信號(hào)。電路的中心頻率：f=1/2π RC。對(duì)于f>f0的高頻信號(hào)，兩個(gè)串聯(lián)的電容C阻抗很低，信號(hào)可經(jīng)過電容直接傳輸?shù)竭\(yùn)放的同相輸入端即Ui=U+；對(duì)于f

2.6 12位A/D轉(zhuǎn)換

TLC2543是12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器，在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測(cè)試方式；采樣率為66kbps，線性誤差±1LSBmax，有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；具有單、雙極性輸出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模擬信號(hào)輸入可以只采用一個(gè)端口，本設(shè)計(jì)采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在單片機(jī)I/O口上就行了，其中CLK為輸入/輸出時(shí)鐘端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模擬信號(hào)輸入可以只采用一個(gè)端口，本設(shè)計(jì)采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在單片機(jī)I/O口上就行了。TLC2543接單片機(jī)如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序中首先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，變量，I/O口和串口進(jìn)行了初始化。通過定時(shí)器精確計(jì)時(shí)產(chǎn)生中斷，每中斷一次即啟動(dòng)一次AD轉(zhuǎn)換子程序，讀取各個(gè)監(jiān)測(cè)通道的測(cè)量信號(hào)。又通過調(diào)用溫度檢測(cè)子程序?qū)y(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理測(cè)量信號(hào)。最后調(diào)用LCD1602顯示子程序，將測(cè)量值顯示出來。完成了對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)的采集、處理和顯示的主循環(huán)。同時(shí)把測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保存的位置為自定義的存儲(chǔ)空間，以便查找使用，然后通過串口中斷把數(shù)據(jù)發(fā)送給了RTU，RTU再發(fā)送數(shù)據(jù)給接收設(shè)備，整體主程序如圖4所示。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分兩部分組成。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分主要是由水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和內(nèi)部帶有GSM模塊的RTU單元組成，水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分則是裝有環(huán)保綜合管理信息系統(tǒng)軟件的PC機(jī)和短信息終端接收設(shè)備，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)部分和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心部分是通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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