（农业机械化工程专业论文）基于单片机的地下水监测系统研究.pdf

摘要 水资源是人类社会的宝贵财富，在生活、工农业生产中是不可缺少的。随着世界 人口的增长及工农业生产的发展，需水量也在日益增长水已经变得比以往任何时候 都要珍贵。但是，由于人类的生产和生活，导致水体的污染，水质恶化，使有限的水 资源更加紧张。因此，为保护有限的水资源，进行地下水监测是必要的。 本文详细阐述了多参数地下水监测系统的研究方案、组成结构及其特点。整个采 集系统完成对地下水的水位、水温、电导率等参数的测量，而且在需要时，可适当扩 充被测量的地下水参数。系统使用相应的传感器，将地下水参数由物理量转换为电信 号。这些电信号经过各自的前置放大电路进行一级放大，信号变为合适的幅度。然后 经前置放大电路处理过的信号经过滤波电路以消除其它频率的干扰信号，并进行二级 放大处理，送入a d 转换器进行a d 转换。转换后的数字信号被送入微处理器，微处 理器采用a t 8 9 c 5 2 单片机，使系统智能化。特有的数据存储功能使仪器掉电后数据不 丢失，并且可以查询历史数据。 铡量电路的一级放大采用a d 6 2 3 测量放大器，a d 6 2 3 是具有低温漂、低价格、低 功耗、高精度的仪器仪表用放大器，尺寸小、功耗低特别适合于电池供电、便携式应 用场合。使用多路模拟开关m a x 3 0 8 ，使系统对前置放大后的多路信号进行分时处理。 d 转换器选用美国a d 公司生产的一型高精度模拟数字转换器a d 7 7 0 5 ，它直接从 二级放大器接收电平信号并输出串行数字信号。为记录测量的时间，需要实时时钟， 本系统采用d s l 3 0 2 芯片。 在单片机智能测控系统的设计中，断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电复 位功能、电源电压监控功能等对系统是非常重要的美国x i c r o 公司生产的x 2 5 0 4 5 芯片集上述功能于一身，这种组合大大简化了硬件设计。提高了系统的可靠性，减少 了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗。 本系统在a t 8 9 c 5 2 的控制下，进行报警、显示、打印等各种数据处理。下位机是 在单片微型机控制下的智能仪器，具有省电、体积小、造价低、工作可靠的优点。本 仪器是一套适合野外现场使用的、携带方便的地下水监铡系统。 关键字；地下水监测；多路数据采集；单片机；传感器 s t u d y o i lt h eg r o u n d w a t e rm o n i t o r i n gb a s e do nt h es c m a u t h o r c h e nl i s u p e r v i s o r q i 衄t ，o l l g - p i n g m a j o r ：a g r i c u l t t w a lm e c h a n i z a t i o n a b s t r a c t t h ew a t e rr e s o u r c e sa r eh u m a n s o c i e t y sp r e c i o u sw e a l t h i ti se s s e n t i a li nt h el i f e t h e i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ep r o d u a i o n w i t ht h ew o r l dp o p u l a t i o ng r o w t ha n dt h ei n d u s t r ya n d 删t u r ep r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t , t h ew a t l b 贯d e m a n di sg r o w i n gd a yb yd a y t h ew a t e r a l r e a d yc h a n g e di i l o r ep r e c i o u s l yt h a na n yt i m e b u th u m a n i t y sp r o d u c t i o na n dl i f ec a l , k q e t h ep o f l u f i o no fw a t e rb o d y , t h ew a t e rq u a l i t yt ob ew o r s e na n dc 纠l j t h el i m i t e dw a t e r r c s o u r g c st ob em o r el m x i o l b s o f o r 豫v i n gt h el i m i t e dw a t e rr e s o u r ) i ti sn e c e s s a r yt o m o n i t o rm eg r o u n d w a t e r t h i sa r t i c l ev i e w st h er e s o l o t ；o no ft h em u l f i p a r a m e t e rg r o u n dw a t e rm o n i t o r i n g s y s t e m c o n f i g u r a t i o na n dc h a f a c t e r t h ew h o l ec o l l e c t e ds y s t e mh a sf i n i s h e dt h ed e t e c t i o n o fw a t e rh e i g h t 、w a t e rt e m p e r a t u r es p e c i f i cc o n d u c t i v i t ye t cp a r a m e t e ro ft h eg r o u n d w a t e r a n d , i f n e c e s s a r y 。i t 啪b em a n g n i f i e dt h ea n a o u n t so f t h ep a r a m e t e r t h es y s t e ml i s t s t h ed i f f e r e n ts e n s o r s 刎c h a n g e st h ef o r mo fg r o u n d w a t e rp a r a m e t e rf r o mp h y s i c a l q u a n t i t yi n t oe l e c t r i c a l $ i n g l l a l s t h o s ee l e c t r i c os i n 粤l a j sa 佗s i g n i f i e db yf o r m e rm a g n i f y c i l 池a n di tw a st u r n e di n t os u i t a b l ea m p l i t u d e t h e n , t h r o u g hf i l t e rc i r c u i tt h ed i s t u r b i n g s i g n a li nt h eo t h e rf r e q u e n c yw a se r a s e da f t e rt h ee l e c t r i c a ls i n g n a lm a n g n i f i e db yf o r m e r m a g n i f yc i r c u i t , t h e ni tw a st a k e na n a l o g u et od ig i _ t a lc o l l v c 1 - q c da f t e rm a g n i f i e db ys e c o n d m a g n i f yc i r c u i t c h a n g e dd i g i t a ls m g n a iw a st a k e nt om i c r o p r o c e s s o r 1 1 地m i c r o p r o c e s s o r u s e sa t 8 9 c 5 2s c mw h i c hm a k e st h es y s t e mi n t e l l i g e n t i z e d t h ed a t ac a n n o tl o s es i n c e t h eu n i q u ed a t as t o r a g ef t m c t i o na f t e rt h ee l e c t r i c a li sc u t 飘kc a na l s oi n q u i r et h eh i s t o r i c a l d a t a a d 6 2 3 ，ak i n do fi n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r , w h i c hh a st h ec h a l s o t e 巧a b o u tl o w t e m p e r a t u r ef l o a t 、l o wp o w e rl o s s 、h i 【g hp r e c i s i o n , w a sa p p l i e da tt h ef i r s t 1 a s s m e a s u r e m e n tc i r c u i t ，a n da d a p tt ot h es i t u a t i o na sb a t t e r yp o w e rs u p p l y 、p o r t a b l ed u et o s m a l ls i z e 、l o wp o w e ra n dl o s sp a r t i c u l a r l y m u l t i - w a ya n a l o gs w i t c hm a x 3 0 8w a su s e d ，i t c a u s e st h es y s t e md e a l sw i t hm u l t i - w a ys i g n a jw h i c ha f i e rp r e - a m p l i f i c a t i o nm u l t i w a y s i g n a l mt r a n s f o r m e ri sa d 7 7 0 5w h i c hi st h et y p eo f a m a d ei nc o m p a n ya di n a m e r i c a 。i ti sh i g hp r e c i s i o no n e i tc a n d i r e c t l yr e c e i v ee l e c t r i c a ls i g n a la n do u t p u td i g i t a l s i g n a l f o rr e c o r d i n gm a 塔u 坞t i m e 。r e a l t i m ec l o c ki sn e e d e d t h es y s t e ms e l e c t sd s l 3 0 2 c h i p 。 i nt h ed e s i g no fs c m so p f i t u d em c a b m l ec o n l r o ls y s t e m , t h ef u n c t i o no ft h ed a t a c a n n o ti o s ca f t e rt h ee l e c t r i c a li sc u t , t h ef u n c t i o no f w a t e m o g t h ef u a c t i o f p o w e r - o na n d p o w e r - f a i l ，也ef u n c t i o no f p o w e rs u p p l yv o l t a g ei n s p e c t i n g , i ti sa l l i m p o r t a n tt ot h es y s t e m mx 2 5 0 4 5c h i pw p r o d u c e do fu s ax i c oc o m p a n yh a st h ef u n c t i o na b o v e t h i s a s s e m b l e d g r e a t l yp r e d i g e s t h a r d w a r e d e s i g n , i m p r o v i n gd e p e n d a b i l i t yo ft h e s y s t e m , r e d u c i n gt h er e q u e s to fp r m t e db o a r d ss p a c e ，r e d u c i n gc o s ta n dp o w e r c o n s u m p t i o n i nt h ec o m r o lo fa t 8 9 c 5 2 ，t h es y s t e mh a v et h ed a t ap r o c e s s i n go fg i v ea l la l a r m 、 d i s p l a ya n dp u tas e a lo i le r e t h es l a v ec o m p u t e rw a st h es m a r ti n s u u m e n t u n d e rt h e c o n u o lo fm i c r o p r o c e s s o r , i th a v et h ea d v a n t a g eo fe c o n o m yi ne l e c t r i c i t y ，t h es t i g h t v o l u m e ，l o wc o s t , t h ew o r kr e l i a b l e t h i si n s l z u m e n ti st h eg r o u n dw a t e rm o n i t o rs y s t e m w h i c has e ts u i t st h eo p o nc o u n u yf i e l du s e ，o a r r i e 8c o n v e n i e n c e k e y w e r d s ：g o u n d w a t e rm o n i t o r i n g ；m u l t i p a t hd a t ac o l l e c t ；s c m ；s e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑些盔些盘茎或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：j 绦莉 签字日期： 7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑些盔些盘鲎有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑韭壅些盘堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： 陈前 导师签名： 强杆 签字日期：矿t7 年6 月珀签字日期：川年占月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 基于单片机的地下水监测系统研究 1 1 研究的目的与意义 1 引言 地下水是水资源的重要组成部分。在我国北方地区及许多城市，地下水是重要的供水水源 对当地的经济社会发展起着十分重要的作用。地下水监测是地下水规划管理、合理开发利用和水 资源优化配置调度的重要基础工作，地下水监测信息对于工业生产、农田灌溉、城市供水及生态 环境保护等都具有重要作用，直接关系到人民生活工农业生产的布局，关系到我国国民经济的 建设与发展。自6 0 年代以来，水利部门开始监测地下水水位、水质、开采量和水温等要素a 多 年来，这些地下水监测信息为水资源管理和合理开发利用做出了很大贡献。但目前地下水监测仍 然存在许多问题整体工作还很薄弱。如在重要水源地和大型漏斗区都缺少地下水j | 每测井，地下 水监测手段落后，信息传输时效性差等，满足不了水资源管理的需要。 与地下水类似的监测系统，如水利、气象、地震等都进入了卫星时代，这些部门都能及时地 为国家及地区提供正确的实时的资料。科学的发展，尤其是应用科学的发展，首先要看它是否有 显著的经济效益和社会效益，如果你的监测结果不能及时地提供给有关部门，也就得不到国家和 各级政府的支持。也就是说，科学技术必须形成生产力才是科学技术发展的必由之路。 为了合理的开发和利用地下水资源，遏制地下水环境进一步恶化，防止新的地下水环境问题 出现，在加强勘查研究的基础上，必须对地下动态变化进行监测。地下水动态是指地下水的数量 和质量的变化状况。对地下水动态实施监测，从而可了解地下水在时空上的分布情况和动态变化 规律，以适时地制定相应的对策，达到地下水资源的可持续开发利用的目的。 地下水监测是为保障社会经济可持续发展而开展的一项重要的基础性、公益性工作。加强地 下水动态监测，一方面是为制定开发利用和保护方案提供基础资料，另一方面，也是检验水资源 开发利用是否合理，地质环境保护措施是否得当的直接手段，通过长期监测资料的分析，找出开 发利用中存在的问题，提出改进方向和进一步的保护措施。因此，地下水监测既是国民经济和社 会发展的基础性支撑条件，又是实现可持续发展的保障措施。 为了提高水资源利用效率，合理开发利用地下水，实现从传统水利向现代水利，可持续发展 水利转变，实现水资源的可持续利用，保障经济社会的可持续发展，必须改变地下水监测的落后 现状，加强地下水监测工作。 1 2 国内外地下水监测研究的现状 目前全国共有：1 个中国地质环境监测院，3 1 个省级地质环境监测总站，2 1 7 个地市级监测 分站，3 0 0 0 多人从事地下水监测工作，其中专业人员占7 0 以上。在全国2 3 8 4 7 个地下水监测 点中，4 7 6 4 个监测点可供修复利用，2 8 个均衡试验场中2 个可供修复利用。大部分监测点仍以 传统的人工测量方法( 电表、铡钟、测绳等) 为主，监测精度无法控制，监测效率较低，监测数 据无法满足科研和生产实际应用的需要。部分监测孔只能进行水位或水质单项监测：水质监测， 分析项目较少。缺乏专门针对与地下水有关的生态环境问题和地质灾害的地下水监测。 我国政府对地下水监测工作十分重视。从五十年代中后期就开始进行地下水的监测研究，形 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 成了以国家级地下水监测网为龙头，省、地级监测网为主体的监测网络，积累了大量的第一手监 测资料，为地下水资源评价和开发利用奠定了扎实的基础，为水资源可持续利用和管理提供了可 靠依据。到2 0 0 1 年底全国共建立地下水环境监测点2 0 7 3 8 个( 其中。国家级点1 4 2 2 个) ， 监测工作的主要内容以地下水的水位、水温、水质为主，监测方式采用人工监测为主。 经过广大地质环境t 作者的努力，如今，全国地质环境监测总站向国十资源部有关部门提交 的全国地下水情通报、全国地下水情预报、地下水动态5 年研究报告等成果资料 已运用到监测工作中，这些成果在我国环境保护领域产生了重大的影响；此外，为了使地质环境 监测成果规范化，全国地质环境监测总站还相继制定了国家级地下水监测技术要求等规程， 为地质环境监测成果奠定了基础 在地下水环境监测仪器方面，自2 0 世纪7 0 年代初开始，经过3 0 多年的发展，目前国内 已研制生产了不少产品。 在水质监测方面，目前国内有通用的实验室分析仪器以及c o d 测定仪、b o d 测定仪溶解氧测 定仪等专用监测仪器，但高质量的分析仪器、专用监测仪器和自动监测系统多是国外引进的，国 内仍然是采用现场水样的采取、保存和送到化验室进行分析测定。 国外一些发达国家在地下水监测方面都有几十年乃至上百年的历史，其监测设备水平各异。 其中美国、荷兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平。近年来，水质现原位测试技术 在国外一些发达国家已经开始发展，如美国、日本等国家已相继研制出水质自动监测设备，并开 始走进国内市场( 以水利系统为主) 表l 为国外地下水环境监测仪器对比表 寰1 国外地下水环境监测仪器 t a b l e lf o m p m o n i t o r i n s t r u m e n t o f u n d c t w a t e r c r l v i r o n m c t l t 2 基于单片机的地下水监测系统研究 2 1 系统总体硬件设计 2 硬件设计 该系统设计是多参数实时监测系统设计能够对一定区域的地下水的多种参数进行实时监 测并通过r s - 2 3 2 总线，把相关的数据发送到主控机房，集中分析。本系统能够对地下水的水 位、水温、电导率、酸度和溶解氧进行监测，并且在需要时可以添加其它传感器对其它相应的参 数进行监测。 整个设计框图如图l ，各项参数通过传感器和测量电路变成单片机所能接受的模拟电压。这 些电压分别送入 d 转换通道。转换成数字量，然后送给单片机。此时单片机可以根据实际需要 进行各种处理如数据记录、显示、报警等功能。 2 2 传感器选择 图1 总设计框图 f i g 1t h e 丘a mo f t o t a ld e s i g n 传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位。随着计算机技术的不断发展，信息处理 技术也在不断发展完善。但作为提供信息的传感器它的发展相对于计算机的信息处理功能来说 就落后了。这使得自动监测技术受到影响，也直接影响到多种技术的进一步发展。基于上述原因 越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息 处理技术的发展。对于地下水监测，传感器是地下水监测的关键，以下是系统中应用到的几种 传感器。 2 2 1 水位传感器 由于大量使用地下水资源，造成地下水的过量开采，使水资源十分缺乏应对地下水的水位 进行监测，以警惕地下水的枯竭 随着各种传感器的研制和开发。有大量新型的传感器不断问世并被应用于水文自动测报系统 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 中目前在水位测量仪器中除了应用较为广泛的浮子式编码水位传感器以外，压力式水位传感器 有价格合理、简化土建施工、安装便利等优点，所以，本系统选川压力式水位传感器来监测地f 水的水位 压力式水位传感器选用北京市三强电子厂的s t 3 0 1i 型液位变送传感器，它可以朋来测量 开口容器及河渠、湖泊，水井中的液位。具有结构简单、测量精确、安装方便等优点s t 3 0 1 1 型液位变送传感器由不锈钢探头，导气电缆和电气盒组成。探头与电气盒之间由专用电缆连接， 电缆中间有一导气管使传感器的背腔与大气相通，电缆与探头和电气盒之间为密封连接。当把传 感器投入到水中某一位置时，测点的静水压力为： 尸一h y 其中：p 测点的静水压力，g 锄2 ： h 测点水深，即测点至水面距离，c m ； ，一水体容重； 推测得测点水深： h = p | y 测点水位：h 。= h e + p i t 式中： 月。捌点的绝对高度； h ，测点对应的水位 2 2 2 水温传感器 在水质的温度传感器中使用最多的是热电偶、集成温度传感器和铂电阻。随着技术的发展， 石英晶体温度传感器和红外温度传感器也已经实现了商品化。由于热电偶的检测灵敏度较低，现 在在许多需要精确测定水温的场合已不使用集成温度传感器是伴随着大规模集成电路技术发展 起来的半导体温传感器，这其中具有代表性的是美国a d 公司生产的a d 5 9 0 。由于它是一种电流 型元件，信号可以远距离传输且不易受到外界电磁场的干扰，在许多需要对水质温度进行自动检 测控制的场合中被大量采用。 a d 5 9 0 是a d 公司利用p n 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器 a d 5 9 0 是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，a d 5 9 0 的后级以i 、j 、k 、l m 表示。a d 5 9 0 l 、a d 5 9 0 m 一般用于精密温度测量电路。其电路外形如 图2 所示它采用金属壳3 脚封装，其中l 脚为电源正端v + ；2 脚为电流输出端工d ；3 脚为管壳， 一般不用集成温度传感器的电路符号如图3 。 4 j 。，鼻 田2 晒的外形电路图 f i f r 3o u t s i d e c i r c u i t & a w i n g o f a d 5 9 0 图3 集成温度传辱器电路符号 f i f r 4i n t e g r a t e dc i r u t t i t e m p e r a t u r eo a n s d u c e 基于单片机的地下水监测系统研究 a d 5 9 0 的主特性参数如下： 工作电压：4 3 0 v ： 工作温度：5 5 + 1 5 0 e ； 保存温度：- 6 5 - - - + 1 7 5 e ； 正向电压：- t 4 4 v ； 反向电压：2 0 v ； 焊接温度( 1 0 秒) ：3 0 0 e ； 灵敏度：1 【a 。 在被测温度一定时。a d 5 9 0 相当于一个恒流源。把它和5 , - - 3 0 v 的直流电源相连，并在输出 端串接一个i k 8 的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将 会有l m k 的电压信号。 2 2 3 电导率传感器 电导率是物质传送电流的能力，是电阻率的例数。在液体中常以电阻的倒数一电导来衡量 其导电能力的大小。水的电导是衡量水质的一个很重要的指标。它能反映出水中存在的电解质的 程度。根据水溶液中电解质的浓度不同则溶液导电的程度也不同。水中可溶性盐类大多以水合 离子状态存在，在外加电场的作用下，水溶液传导电流的能力用电导率来表示。它与水中溶解性 盐类有密切的关系，在一定温度下，水中的电导率越低，表示水的纯度越高。因此广泛用于监测 水的质量。 本系统选用电感式电导率传感器。感应式电导率传感器的测量原理是定频率的交流电源加在 初级线圈上，在初级线圈圆局截面上感应到一个定频率的交流感应电动势u c 。在u c 的作用下周 围的流体形成一个电流回路，其交流电流为：i l = u 次级线圈感应到l d m ( m 为次级线圈匝数) 的交流电流，通过对r t 进行取压可以得到一个与流体电导率相关的电流电压信号。 2 2 4p h 值传感器 地下水参数除电导率外，p h 值也是水文地球化学环境的重要指标，它们能灵敏地反映出地 下水化学环境的变化。 本系统采用p h 值光纤传感来测p h 值。采用0 5 发光二极管作光源，硅光电二极管作检测器， 大芯径、大数值孔径的y 型分叉光纤束作传感介质。 光纤p h 传感探头结构及检测原理； ( 1 ) 直接固定式光纤p h 探头： 将苯酚红试剂配成o 0 0 1 m o l f l 的苯酚红溶液。使用时用水稀释至适当浓度。采用高性能均相 强碱性阴离子交换膜( 华东理工大学制作) 作固定苯酚红的载体在使用之前，先将膜放在去离子 蒸馏水中浸饱2 4 小时以上，使其达到必要的溶胀平衡。将浸泡好的阴离子交换膜剪成2 c m x 2 c m 的方块，放入苯酚红溶液中，晃动烧杯，交换一定时间后取出。用清水冲洗干净，即可用于p h 测 试。改变交换时间可以控制膜上固定试剂的量。苯酚红敏感膜在水中浸泡一个月以上，没有发现 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 掉色现象。将制成的敏感膜剪成与光纤末端同样大小的圆形，放在光纤末端黑色p v c 外套管i 与光纤端部通过螺纹配合，将敏感膜压在光纤末端。敏感膜下面置一反射镜，探头结构如幽4 所示。 1 2 3 5 l 噶 0 驿一 1 且i rl i - j 、l il 一 竹 1 探头件i2 探头件i i3 光纤末端4 苯酚红敏感膜5 反射镜6 定位螺钉 7 ，8 螺纹配合9 通水孔 田4i 接固定式光纤p i 撮头结构 f i g4 t h ed c 把c 6 盯曲仙：帆, , f d 抽a l y s m t i o n m y t y p e o 面c 酊行b 百p h ( 2 ) 光纤p h 传感器的检测原理 固定在载体上的染料指示剂仍保持其酸碱变色的指示特性，当与待测溶液接触时，与溶液中的 i f 、o h - 建立起化学平衡； h i n 营h + + 0 h 一 妇= 剁 m 式中4 h + 为待测溶液的氢离子活度， h i n 、【h 1 1 分别为固定化染料的共轭酸式、共轭碱式浓度。 对一特定的传感器，固定化染料的总浓度c h 为常数，即 c i n = 陆卜西一j( 2 ) 将式( 2 ) 代入( 1 ) ，可导出 【i n 一】= 羔 ( 3 ) 根据p h 的定义，p h = - l g a * ( 4 ) p k a 的定义，m c f - l g k 3 ( 5 ) 对苯酚红，p k a = 7 ，9 。 将式( 4 ) 和式( 5 ) 代入式( 3 ) ，得到染料共轭碱式浓度与溶液p h 值的关系； 品= 南 苯酚红的共轭碱式光密度较共轭酸式高，即当p h 值发生变化时，共轭碱式具有更高的光灵敏 度因此选择只被染料共轭碱式吸收的波长为5 6 5 n m 的光作检测光 基于单片机的地下水监测系统研究 在图9 所示的探头结构中，入射光透过试剂层( 敏感膜) 后，被试剂层f 面的反射镜反射二次 穿过试剂层。假设敏感膜上直接反射的光强与二次透过光强度相比可以忽略根据明伯比尔定律， 有 l g 孕：吐：c ： 2 ( 7 ) 式中，1 0 2 为没有染料存在时的光强； 1 2 为光线二次穿过染科敏感膜时的光强： k 为光线两次穿过染料敏感膜的有效光强； c 2 为敏感膜上染料共轭碱式的浓度 将染料的共轭碱式浓度，式( 6 ) 代入，从而得出基于吸收原理的光纤p h 传感器的响应方程： i t ( 8 ) 1 9 了o = 屯c 如雨1 丽觚己说明，我们设计觥纤p h 传感器是以涨刖圆巳现明，氓制琨丌州尢计传悬需悬h 敬长 分别为6 5 5 n m 的红光、5 6 5 n m 的绿光作参比光和信号光，两束光进入探头后，只有绿光被染料试 剂层吸收，检测红光与绿 ! qd 光的输出光强之比，即 而 ，一 培若“g ( 芒矧砘告地告 式中，k 为红色参比光强，染料对其不吸收： k 一为没有染料存在时的绿色信号光强； i 一为绿色信号光被染料吸收后的光强； 当实验条件固定时，为；丝一常数，记为k l ，将式( 8 玳入式( 9 ) ，有 ，m 芒一班j + 脚“南 “ 对于特定的传感器，k 1 、e 、l 、c l n 均为常数，因此，输出光强仅与溶液的p h 值有关。 当溶液p h 值改变时，接收到的光信号强度将随p h 值增加而减少，而吸光度则增加 2 2 5 溶解氧传感器 溶解氧是指溶解于水或液相中的分子态氧，常以d o 表示对水中溶解氧浓度的测定在医 疗、临床医学、工业处理、环境监测等领域都具有重要意义，特别在水质监测和水处理中溶 解氧是一项重要的控制指标，同时也是水环境保护、水产养殖业及海洋科学中最重要的调查参 数与最常规的研究项目。 为了准确测量溶氧浓度，前人做了大量工作，开发了多种溶解氧探测装置。主要包括 - i n k l e r 滴定分析法”“、c l a r k 溶氧电极1 、以及荧光猝灭技术”。w i n 2 k l e r 滴定分析法虽是 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 一种国际公认的标准化分析方法，但由于费时费力且只能离线操作，无法对过程中的溶解氧浓 度变化作出及时的响应，所以仅限于实验室采用。c l a r k 溶氧电极虽然能够在线检测溶氧浓度， 但由于它的透气膜易老化，而且它是依靠电极本身在氧的作用下所发生的氧化还原反应测定氧 的浓度测定过程需消耗氧( 且需定期更换电解液) ，所以测量精度和响应时间都受到扩散因素 的严重约束1 ( 1 ) 工作原理及结构 光纤溶解氧传感器采用荧光猝灭原理氧对一些荧光物质的荧光具有猝灭作用从而导致 其荧光强度的降低和荧光维持寿命的缩短荧光的强度或寿命与氧气浓度的关系可用 s t e r n 2 v o l m o e r 方程来描述： ，r 一一 二生= 二生= l + 足i 口i ，f 一。 式中，io to 分别为有氧条件下的荧光强度和寿命i ，s 分别为无氧条件下的荧光强度和寿命； q 为溶解氧的浓度；k 为$ t e r n 2 v o l m o e r 常数，对于特定的指示剂其值是固定的。通过测定i 。i 或to ，r 可测定溶解氧的浓度。光纤溶解氧传感器由光源、探测器、传输光纤、y 型光纤分路 器和传感头等组成，如图5 所示，光源采用蓝色半导体发光二极管( l e d ) ，以获得较高的光子能 量去激发荧光。激发光经y 型光纤分路器传输到光纤端头的传感头，传感头是光纤的端面上包 覆一层作为指示剂的荧光材料膜，被激发的荧光沿光纤原路返回，经y 型光纤分路器被探测器 接收。 l 磁力搅拌器i2 恒温水夹套；3 搅拌子； 7 发光二极管；8 光电倍增管； 口 4 溶氧调节池：5 精密温度计：6 高精度稳压电源 9 斩波滤波光片：1 0 光纤；1 1 荧光薄片 田5 溶解氧监测蕾田 f i g 5 t h e f l u m e o f d i s s o l v e d o x y g e n m o n i s t o r ( 2 ) 关键技术 由于过渡金属有机化合物大多具有很长的激发态寿命，在可见光范围内具有很强的吸收光 谱，对氧敏感而又不消耗氧，对光和热以及强酸强碱或有机溶剂等都非常稳定，成为理想的氧 检测材料因此以氯化钉、邻菲咯啉等为原料，合成了r u ( ) 的邻菲咯啉配合物作为指示剂。 光纤：光纤是传导信号的介质，为避免信号损失，光纤的传播模式和数值孔径极其重要。笔者 研制了大数值孔径、弯曲性能好和高效传输可见光的多模分叉型石英光纤，并且具有标准s g a 终 端为了提高传感器的稳定性敏感头是把光纤尖端在指示剂溶液中浸涂、干燥而制成的。 遮光膜：传感器采用硫化硅酮为遮光膜涂敷在指示剂外层来提高抗化学干扰，捧斥周围光和 消除反射系数影响。电路：由于光纤很细，在传感头上包覆的荧光材料很少，所以，能够接收到 8 基于单片机的地下水监测系统研究 的荧光非常微弱，一般只有p _ 至n - 量级的强度。因此，采用光电倍增管为检测器。受元器件本 身噪声的影响：一般接收电路难以分辨，故采刖锁相放大电路来实现。 补偿：d o 扩散通过遮光膜的速率，随着温度的变化而变化，荧光强度也相应变化。因此，要 采用补偿的方法，保证测量的准确度 标定：由于 窬解氧的浓度极低，标定的精度应严格保证。纯氧和纯氮由国家标准物质中心研 制的标准气体稀释装置，配制成不同浓度的氧气，通入水中。被测水与探头接触时，应保持一定 的流速，以防接触的瞬间水中溶解氧被耗尽；标定容器应能密封以隔绝空气并带有搅拌器。 2 3 测量电路设计 电路主要包括多路模拟开关、放大器、滤波器。传感器输出的信号经过多路模拟开关选择， 然后通过放大器放大，再进行滤波，经a d 转换，最后传到单片机进行数据处理。如图6 。 多 传 前路低a 堇 穆 置 日 模遁 岛 级 司 d片 叫 放拟 叫 滤放 转 机 器 大开被大 换 关 2 3 1 前置放大电路设计 固6 信号处理流程 f i g 6t h ef l o wo f f l l es i g n a lp i 在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成模拟信号，往往是微伏级的微弱信号， 需要用放大器加以放大。现在市场上可以采购到的各种放大器( 如通用运算放大器、测量放大器) 中。由于通用放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂因此，通用运算放大器 不能直接用于放大微弱信号，而测量放大罂则能较好的完成此功能。 现在市场销售的集成测量放大器有多种型号，其中美国a n a l o g 州c 公司提供的a d 6 2 3 型测量放大器满足设计要求。 a d 6 2 3 是一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输人阻坑、低输出阻抗、强抗共 模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用 作前置放大器。本系统在模拟开关前也没置了五个测量放大器。对输入的不同参数的模拟信号进 行放大。 a d 6 2 0 的基本特性：a d 6 2 3 是一个集成单电源仪表放大器。它能在单电源( + 3 v + 1 2 v ) 下 提供满电源幅度的输出a d 6 2 3 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵 活性。在无外接电阻的条件下a d 6 2 3 被设置为单位增益：外接电阻后。a d 6 2 3 可编程设置增 益，其增益晟高可达1 0 0 0 倍。 a d 6 2 3 通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比( a c c m r r ) 而保持最小的误差。 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达2 0 0 hz 时仍保持恒定而受到抑制。虽然ad 6 2 3 在单 电源方式进行优化设计但当它1 ：作于双电源( 2 5 6 v ) 时，仍能提供优良的性能。低功耗( 3 v 时i 5 m w ) ，宽电源电压范围、满电源幅度输出使a d 6 2 3 成为电池供电应用的理想选择。 a d 6 2 3 测量放大器的电路原理如图7 所示由图7 可见测量放大器是由三个运算放大器构 成，并分为二级：第一级是两个同相放大器a l 和a 2 ，因此输人阻抗高；第二级是普通的差动放 大署，把双端输入变为对地的单端输出。下面以图7 所示的a d 6 2 3 的前置放大电路，讨论a d 6 2 3 测量放大器的工作原理。 a d 6 2 3 测量放大器的增益可用以下公式确定： 盖= u ，u o 矾：= 而( 一u 矾3 - ：) u ( | 4 ) ，u o 面 c 厅= c 在一血融 【，3 = 叻i + 尼尺i u n 一曲】 p c 【，3 一u r o + r t + 矗2 u , 一u 2r g a d 6 2 3 输出电压为 u o = u 4 熹r - + 钏rj j m 鲁l + 足l ，矗3 a d 6 2 3 采用对称结构，可以很大程度上的抑制温漂，即取r i n 9 2 ；r 3 = r 4 ；r 3 = r 6 。联 立解式并整理得 x=淼=卜2船r,，、lrsi 2r 3功一功l船， 所以，通过调节外接电阻鼬的大小可以很方便地改变a d 6 2 3 的增益 1 0 u 1 2 u 1 2 田7 前i 放大电路 m s 7f o r m e r m a g n i f yc i r c u i t 基于单片机的地下水监测系统研究 2 3 2 多路模拟开关 在多路被测信号共用一路数据采集系统中，模拟多路开关( 简称多路开关) 通常用来将多路被 测信号分别传送到a d 转换器能对多路被测信号进行处理。a d 转换器进行转换，使计算机能 够对多路被测信号处理。 在此数据采集系统中，使用了电子式多路开关。本系统采用m a xi m 公司的集成模拟开关芯 片m a ) ( 3 0 8 。 m a x3 0 8 是m a xi m 公司生产的8 路集成模拟开关芯片，可单电源和双电源供电，在单电 源形式下，电压范围是4 s v - 3 0 v ，图8 是m a x 3 0 8 的引脚图和内部框图。 田 m 越q m j 蚴 围8m “3 0 8 的引脚固和内部框图 f i g 8t h e p i n 缸m a n d i n n e r s k e t c h m a p 袭2 卧x 3 的引脚功能说明 t a b l e 2 p i n f u a c t i o ns h o w o fn l c m a x 3 0 8 1 4 引脚名称 功能 m a x 3 0 8 的导通电阻为6 0 q ，漏电流0 0 2 n a ，通过计算漏电流引起的误差电压小于量化单位： 开关切换时问t 为4 0 m ，满足系统设计要求。 图9 为m a x 3 0 8 的应用电路，是一路模拟开关的电路连接，n i l 和n 1 2 与其中的八路输入信 号相连，l e n 和l a o 、l l 由单片机的p 2 口控制，作为选通和通道选择控制信号，输出信号作 为后级放大电路的输人信号。 舡 m 计 | 主| | 量 聊 姗 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 l e n 2 e n v + l a 0l a o l a l1 6 a l l 址1 5 a 2 1 而、! n 1 硒 in 2 o 【丌 i n 3s 6 d o 司，7 d j 4 同 1i1 环丁5 墨一； 矾60 n d i n 7 珊8 。 玳8 m a x 3 0 8 田9i t 舣3 0 6 的应用电路 f i g 9a p p l i c a t i o nc i r c u i t o f m a x 3 0 8 图l o 为a t 8 9 c 5 2 对m a x 3 0 8 的控制连接，p 2 5 口决定m a x 3 0 8 是否被选中，p 0 0 、p 0 1 、 p 0 2 决定选择哪一路输入端。 2 3 3 滤波电路设计 , t