環(huán)境水質(zhì)多參數(shù)檢測儀的控制電路系統(tǒng)設計開題報告

1、<p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p>　　課程題目：環(huán)境水質(zhì)多參數(shù)檢測儀的控制電路系統(tǒng)設計</p><p><b>　　1課題研究意義、</b></p><p>　　水是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎,飲水安全則是影響人體健康和國計民生的重大問題。近年來,由于國際上一些地區(qū)和國家頻繁發(fā)生惡性

2、事件,飲水安全和衛(wèi)生問題引起了全球的關(guān)注,飲水安全已成為全球性的重大戰(zhàn)略性問題。近年來由于我國工業(yè)生產(chǎn)水平的迅猛發(fā)展，每年的廢水也不斷增加，其中對環(huán)境產(chǎn)生影響的來源主要有未經(jīng)處理而排放的工業(yè)廢水；·未經(jīng)處理而排放的生活污水； ·大量使用化肥、農(nóng)藥、除草劑的農(nóng)田污水； ·堆放在河邊的工業(yè)廢棄物和生活垃圾； 水土流失； 礦山污水。導致人類周圍的水環(huán)境污染日趨嚴重，嚴重制約了經(jīng)濟的發(fā)展和危害著人類的健康。嚴峻的水

3、形勢提高了人們對水污染控制的重視，對廢水的處理和檢測成為了維護良好人民生活環(huán)境所必不可少的要求，廢水中是否有對環(huán)境產(chǎn)生重大影響的元素和他們的含量是否在標準以內(nèi)直接關(guān)系到我們的生存環(huán)境，做好水質(zhì)監(jiān)測是我們這次課程設計的目標。</p><p>　　水質(zhì)監(jiān)測是監(jiān)視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，評價水質(zhì)狀況的過程。監(jiān)測范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水（江、河、湖、海和地下水）及各種各樣

4、的工業(yè)排水等。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、色度、濁度、pH值、電導率、懸浮物、溶解氧、化學需氧量和生物需氧量等；另一類是一些有毒物質(zhì)，如酚、氰、砷、鉛、鉻、鎘、汞和有機農(nóng)藥等。為客觀的評價江河和海洋水質(zhì)的狀況，除上述監(jiān)測項目外，有時需進行流速和流量的測定。</p><p>　　水質(zhì)的檢測具有實時性對我們是十分有幫助的，在未知污染的區(qū)域環(huán)境中，及時的檢測到污染物的種類和含量能有效

5、的預防水污染對人類造成巨大的危害，例如在今年的福島核電站發(fā)生核燃料泄露的情況下，在保護工作人員不受到巨大輻射的情況下，利用儀器迅速檢測海洋水質(zhì)中輻射程度變得非常必要和實用，這也是不同于一般江河水質(zhì)檢測的地方。因此我們的研究方向也是在這一方面。</p><p>　　我們國家對水環(huán)境的重視由來已久，為保護和合理開發(fā)水資源，防止和控制水污染，國家技術(shù)監(jiān)督局于1994年制定了國家水質(zhì)標準，對水資源的保護方面，也制定有中華

6、人民共和國水污染污染防治法以及中華人民共和國水法并實施至今。</p><p>　　對水質(zhì)設立標準將有助于我們對水質(zhì)進行評價，世界范圍內(nèi)具有代表性的水質(zhì)標準有3部：世界衛(wèi)生組織（WHO）的《飲用水水質(zhì)準則》、歐盟(EC)的《飲用水指令》以及美國環(huán)保局（USEPA）的《國家飲用水水質(zhì)標準》。其它國家或地區(qū)的飲用水標準大都以這三種標準為基礎或重要參考，來制定本國國家標準。</p><p>　　2

7、國內(nèi)外水質(zhì)檢測發(fā)展</p><p>　　國外發(fā)展：水質(zhì)自動監(jiān)測在國外起步較早。1959年美國開始對俄亥俄河進行水質(zhì)自動監(jiān)測；1960年紐約州環(huán)保局開始著手對本州的水系建立自動監(jiān)測系統(tǒng)；1966年安裝了第一個水質(zhì)監(jiān)測自動電化學監(jiān)測器；1973年全國水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)分為12個自動監(jiān)測網(wǎng)，每個自動監(jiān)測網(wǎng)由4—15個自動監(jiān)測站組成；1975年在全國各州共有13000個監(jiān)測站建成為水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)。在這些流域和各州(地區(qū))分布設

8、置的監(jiān)測網(wǎng)中，由150個站組成聯(lián)邦水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)——即國家水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)(NWMS)。 </p><p>　　歐美及日本等國在20世紀70年代已有便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀出售，但屬于瞬時測定儀。連續(xù)多參數(shù)水質(zhì)測定儀是在80年代才開始使用的。在監(jiān)測設備方面，廣泛應用現(xiàn)代尖端的微電子技術(shù)、嵌入式微控制器技術(shù)，并做到智能化的數(shù)據(jù)采集、分析和運算，水質(zhì)監(jiān)測完全實現(xiàn)了自動化。目前，世界上已建成的WPMS類型較多，既有全自動聯(lián)機系統(tǒng)，也

9、有半自動脫機系統(tǒng)，例如澳大利亞GREENSPAN公司，德國GIMAT公司，美國的ISOC、HYDROLAB等公司，日本日立制作所和卡斯米國際株式會社等都生產(chǎn)有技術(shù)成熟的在線水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，但大部分是以監(jiān)測水質(zhì)污染的綜合指標為基礎的，包括水溫、混濁度、pH值、電導率、溶解氧、化學需氧量、生化需氧量、總需氧量和總有機碳等。 </p><p>　　國內(nèi)發(fā)展概述 ：我國在水質(zhì)自動監(jiān)測、移動快速分析等預警預報體系建設方面

10、正處在探索階段。作為試點，于1988年在天津設立了第一個水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個中心站和4個子站。1995年以后作為試點，上海、北京等地也先后建立了水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測站。1998年以來，水質(zhì)自動監(jiān)測站的建設有了較快的發(fā)展，已先后在七大水系的十個重點流域建成了42個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，黑龍江、廣東、江蘇和山東等省也相繼建成了10個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。所用的自動監(jiān)測儀多為國外進口設備，價格昂貴，且運轉(zhuǎn)費用高。雖然近年來進口

11、設備價格有所下降，但每套價格仍在20萬美元左右。 </p><p>　　國內(nèi)廠家現(xiàn)多為生產(chǎn)單一參數(shù)的水質(zhì)監(jiān)測儀，近年也有些廠家企圖生產(chǎn)水質(zhì)自動化監(jiān)測裝置。例如，河海大學研制了CODCr自動監(jiān)測儀，我國老字號的儀器廠如上海雷磁廠正在進行探頭式自動監(jiān)測儀的試制，然而由于所選的水質(zhì)參數(shù)少，質(zhì)量也不穩(wěn)定。2005年，計劃在全國主要流域重點斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站達到100個，實現(xiàn)水質(zhì)自動監(jiān)測周報。國內(nèi)在水質(zhì)自動化監(jiān)測裝置制造上

12、還跟不上快速發(fā)展的水質(zhì)監(jiān)測的要求。由此可見，國產(chǎn)化自動監(jiān)測儀有廣闊的開發(fā)和潛在的銷售市場。 </p><p>　　我國國家環(huán)?？偩钟?003年3月28日發(fā)布了環(huán)保行業(yè)標準《水質(zhì)自動分析儀技術(shù)要求》（HJ/T 96－104-2003），并于2003年7月1日實施。該標準共包括9個水質(zhì)參數(shù)的自動分析儀技術(shù)要求，即pH、電導率、濁度、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷和總有機碳（TOC），這一標準的實施，保

13、證了水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)范化，將會大大促進我國水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　隨著水質(zhì)標準不斷提高，相應地，對于水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的要求越來越高。這種要求引起了二個不同方向的發(fā)展：</p><p>　　（1）對于儀器方法的精度、準確度，尤其檢出限要求越來越高，因為隨著水質(zhì)標準提高，水質(zhì)指標濃度越來越低，對于原來儀器方法的檢出限值提出了挑戰(zhàn)，促進儀器進一步改進發(fā)展，提高靈敏度和檢出限。

14、</p><p>　?。?）對于儀器方法的監(jiān)測速度提出了更高的要求，原因是新的水質(zhì)標準對于水質(zhì)合格的保證率要求日益提高，需要提高監(jiān)測技術(shù)的速率和頻率，保證水質(zhì)合格率達到規(guī)定的要求。這種要求促進監(jiān)測技術(shù)在兩個方面提高監(jiān)測速度，一方面是提高原有儀器方法的分析檢測速度，大大縮短監(jiān)測時間；另一方面是促進了儀器小型化和在線化，大量的在線監(jiān)測分析技術(shù)和儀器產(chǎn)品得到了開發(fā)應用。</p><p><

15、b>　　3課題研究目的</b></p><p>　　實時的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在最近幾年來得到了迅速的發(fā)展，區(qū)別于傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測的復雜和所需時間等諸多問題，自動的水質(zhì)檢測系統(tǒng)所需工作人員較少，操作簡單，在檢測系統(tǒng)能自動的對水質(zhì)進行采樣、預處理、測定、數(shù)據(jù)分析和整理，具有快速獲得結(jié)果的特點。在水質(zhì)污染嚴重以及具有輻射等對人體危害極大的環(huán)境下使用非常有效，同時也可用于建立起常年連續(xù)工作的環(huán)境水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)

16、。</p><p>　　基于對不同粒子的檢測方法研究，完成研制出一種能對水中的COD、氨氮、鉻離子、鉛離子、總磷等多參數(shù)進行在線檢測的儀器裝置，需要對我們所學課程進行更深的認識，在我們現(xiàn)有知識中需要用到化學預處理技術(shù)、微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和圖像傳感器技術(shù)等，特別是在光譜分析方面。我們不僅局限于所學光譜分析基本知識。也需要對現(xiàn)有儀器（微型光譜儀）有所了解，這對我們實現(xiàn)課題研究必不可少。單片機原理及應用是設計的中

17、心組成部分，由于我們設計儀器的復雜性功能要求，因此我們在設計上，對單片機的知識也是很需要的。</p><p><b>　　4總體方案設計</b></p><p><b>　　4.1實現(xiàn)功能 </b></p><p>　　此次課題設計要求實現(xiàn)以下物質(zhì)的檢測，COD、氨氮、鉻離子、鉛離子、總磷等元素，基于光譜分析原理實現(xiàn)精確定

18、量，并且對數(shù)據(jù)的分析則要求以基于雙單片機的嵌入式系統(tǒng)控制。</p><p><b>　　4.2檢測方案選定</b></p><p>　　較通用的檢測溶液物質(zhì)含量的方法有以下幾類：例如我國對COD的測試手段發(fā)展較完善，如重鉻酸鉀法，庫倫法，高錳酸鉀法HACH比色法，分管光度法等，由于傳統(tǒng)COD（回流滴定法或重鉻酸鉀）測定方法存在著工作量大，消耗試劑多，測試時間長等不足，

19、需多科研人員針對傳統(tǒng)測試方法的不足，做了大量改進研究工作，也相繼研究出許多新型測試方法 </p><p>　　分光光度法測定水樣中的COD是直接將試樣在密閉的反應管內(nèi)回流消解后，置入分光光度計中測定吸光度，結(jié)果表明：該法于標準回流法具有可比性，符合日常COD測定要求，相對誤差小于5%，測定方法簡單節(jié)省大量會流水試劑用量少，能夠減少二次污染，同時體積小，攜帶方便，不僅能用于實驗室水樣批量測定，還適合現(xiàn)場檢測。因此

20、選定采用分光光度法來對物質(zhì)進行檢測。</p><p><b>　　4.3實現(xiàn)途徑</b></p><p>　　分光光度法是通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)光的吸收度，對該物質(zhì)進行定性和定量分析的方法。 </p><p>　　在分光光度計中，將不同波長的光連續(xù)地照射到一定濃度的樣品溶液時，便可得到與眾不同波長相對應的吸收強度。如以波長

21、（λ）為橫坐標，吸收強度（A）為縱坐標，就可繪出該物質(zhì)的吸收光譜。利用該曲線進行物質(zhì)定性、定量的分析方法，稱為分光光度法，也稱為吸收光譜法。用紫外光源測定無色物質(zhì)的方法，稱為紫外分光光度法；用可見光光源測定有色物質(zhì)的方法，稱為可見光光度法。它們與比色法一樣，都以Beer-Lambert定律為基礎 </p><p>　　此次課題設計方案基于所學知識的深入了解及熟練運用，將理論基礎與實際運用結(jié)合起來解決面臨的問題

22、，首先對水質(zhì)采樣預處理，利用分光光度法獲取水樣物質(zhì)含量信息數(shù)據(jù)，再利用基于雙單片機的嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)自動多參數(shù)水質(zhì)檢測</p><p>　　初步系統(tǒng)框圖如下 </p><p>　　光源：檢測儀中的光源是信號的起點，將直接影響儀器的可靠性、穩(wěn)定性和使用效果。根據(jù)系統(tǒng)要求，為了實現(xiàn)低成本，簡便易操作的目的，本課題采用可見光作為光源，檢測的光譜范圍是380nm

23、-700nm之間，另外要求光源具備能夠提供該方位內(nèi)連續(xù)的波長分布，光強足夠大等特點。</p><p>　　試樣檢測，以基于分光光度法為基本檢測方法，將試樣與檢測試劑進行充分混合并進行化學反應，在反應過程中產(chǎn)生試劑顏色的變化，然后利用反應前后的光譜對照得到吸收的光譜，便于得到檢測物質(zhì)的種類以及其濃度。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理：利用微型光譜儀獲取數(shù)據(jù)，光譜儀原理是透射過檢測池的復合光由光

24、纖頭通過光纖導入光譜儀后，投射到全息凹面光柵進行分光，由CCD陣列將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過USB或串口輸出到嵌入式ARM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。并進行數(shù)據(jù)的處理工作包括處理、存儲和傳送的功能的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的處理主要是完成水質(zhì)試樣與敏感試劑反應前的光譜和反應后的光譜進行相減處理，以得到吸收光譜。得到的處理結(jié)果要傳送到綜合終端或者人機對話的界面去供分析者使用。</p><p>　　人機對話：使用者輸入指令對需要檢測的物質(zhì)

25、進行檢測，系統(tǒng)對檢測物質(zhì)進行分析以后將檢測結(jié)果顯示以供使用者利用，其實現(xiàn)方法需要對控制軟件進行C語言編程，并且應該盡量滿足人們操作習慣。</p><p>　　控制系統(tǒng)：作為本次設計的核心內(nèi)容，包括有對試劑充分反應的份量控制，對光源的能量及穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，對人機對話的支持等方面的要求，各個模塊需求的功能不同以及具有時序性和邏輯判斷能力，因此實現(xiàn)這些功能的電路則確立以雙單片機為硬件主體的數(shù)字電路。 </p>

26、<p>　　4.4單片機控制電路設計原理</p><p>　　基于雙單片機的控制電路在系統(tǒng)中完成對整個檢測過程中的實際操作，即實現(xiàn)采樣，添加試劑，添加蒸餾水，控制步進電機使光路對準各個檢測樣品反應池。同時還要實現(xiàn)對直線電機實現(xiàn)攪拌針和催化紫外燈的升降功能；控制電磁閥排水和三通閥的切換；以便獲得不同試劑進行反應，控制攪拌針、催化燈、檢測光源；連接限位開關(guān)；與嵌入式核心板進行通訊等功能</p>

27、<p>　　由于控制的原件較多并且通常情況下1個單片機難以滿足對如此多個元件控制以及對限位閥的信號接收，故我們采用了如下的多個單片機電路結(jié)構(gòu)，下圖所示、</p><p>　　我們所采用的設計思想是利用一片單片機作為主控單片機，負責相關(guān)的所有檢測工作的流程控制以及部分的機械方面的控制，在添加另一塊單片機用于電路中作為核心子模塊，負責三通電磁閥以及各個蠕動泵。實現(xiàn)對儀器的所有所需試劑等的控制，在檢測中一

28、旦需要某種試劑，通過主單片機發(fā)出選通信號后，輔助單片機則將接收到的信號轉(zhuǎn)換為對應的選通地址，達到控制對應的蠕動泵進行取樣目的</p><p><b>　　4.5光譜分析原理</b></p><p>　　發(fā)射光譜分析是根據(jù)被測原子或分子在激發(fā)狀態(tài)下發(fā)射的特征光譜的強度計算其含量。 </p><p>　　吸收光譜是根據(jù)待測元素的特征光譜,通過樣品蒸

29、汽中待測元素中吸收被測元素的光譜后被減弱的強度計算其含量。它符合郎珀-比爾定律: </p><p>　　A= -lg I/I o= -lgT = KCL </p><p>　　式中I為透射光強度，I0為發(fā)射光強度，T為透射比，L為光通過原子化器光程由于L是不變值所以A=KC。 </p><p><b>　　物理原理為： </b></p&g

30、t;<p>　　任何元素的原子都是由原子核和繞核運動的電子組成的，原子核外電子按其能量的高低分層分布而形成不同的能級，因此，一個原子核可以具有多種能級狀態(tài)。 </p><p>　　能量最低的能級狀態(tài)稱為基態(tài)能級（E0=0），其余能級稱為激發(fā)態(tài)能級，而能最低的激發(fā)態(tài)則稱為第一激發(fā)態(tài)。正常情況下，原子處于基態(tài)，核外電子在各自能量最低的軌道上運動。 </p><p>　　如果將一定

31、外界能量如光能提供給該基態(tài)原子，當外界光能量E恰好等于該基態(tài)原子中基態(tài)和某一較高能級之間的能級差E時，該原子將吸收這一特征波長的光，外層電子由基態(tài)躍遷到相應的激發(fā)態(tài).。產(chǎn)生光譜 </p><p>　　電子躍遷到較高能級以后處于激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)電子是不穩(wěn)定的，大約經(jīng)過10-8秒以后，激發(fā)態(tài)電子將返回基態(tài)或其它較低能級，并將電子躍遷時所吸收的能量以光的形式釋放出去?？梢娫游展庾V過程吸收輻射能量，而原子發(fā)射光譜過程

32、則釋放輻射能量。 </p><p><b>　　5進程安排</b></p><p><b>　　詞條圖冊更多圖冊</b></p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　　1] Antonio Canals,Angel Cuesta,Luis Gras,e

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