毕业论文-自来水管网浮游式检测系统电路设计

HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目自来水管网浮游式检测系统电路设计学生姓名学生学号专业班级电子信息工程1101班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 5月25日摘要生活用水的安全很大程度的影响着人们的健康，随着人们生活质量的提高，公众对于生活用水质量安全的关注程度越来越高。出厂质量过关的自来水在运输过程中会因为各种原因产生二次污染，所以为了保证人们生活用水的安全，对自来水的实时监测就显得特别重要。传统的水质监测方法，由于技术和原理等原因，局限性较大，不能有效且准确的定位水质发生变化的点，对于分析水质的变化趋势十分困难，同时还需要大量的现场设备，导致成本非常高。本设计针对城市自来水管网，设计了一种浮游式水质监测系统，它以智能球的形式，可以再自来水管网中随水流动，在流动过程中对整个管网进行水质监测，能够实时的获得管网内的水质信息并发送到接收端进行分析，同时能够完成对智能球的定位，当检测到水质受到污染时，能够对污染进行定位。可以将几十个智能球投入到一个城市的自来水管网系统并进行不间断的监测，能够时刻把握城市各个地方的水质信息，完成水质监测任务。与传统的采样法和定点式监测法相比，智能球可以更准确的定位，更准确的测定水质信息，并且可以根据获得的水质信息预测水质变化趋势，同时大大节约了人力和造价成本。在设计中，使用GSM无线通信技术和由nRF905模块构成的无线射频通信技术完成对数据的无线传输以及对智能球的远程控制，采用极谱式余氯监测方式对自来水中余氯含量就行监测和数据分析、储存、显示。如以上所说，设计要完成的自来水管网浮游式水质监测系统有很大的可行性和必要性，它能够进一步的完善和发展现有的水质监测手段，更好的保证人们的用水安全。关键字：余氯自来水管网水质监测浮游式无线射频通信abstractSafedomesticwatertoalargeextenttheimpactonpeople'shealth,withtheimprovementofpeople'squalityoflife,levelofpublicconcernaboutthequalityandsafetyofdomesticwaterisincreasing.Factoryqualityclearanceofwaterduringtransportbecauseofvariouscausessecondarypollution,soinordertoensurethesafetyofpeoplelivingwater,real-timemonitoringofwaterisparticularlyimportant.Thetraditionalwaterqualitymonitoringmethod,thetechniquesandprinciplesandotherreasons,morelimited,itcannotchangepointefficientandaccuratepositioningofwaterqualityoccurs,fortheanalysisofwaterqualitytrendsisverydifficult,butalsorequiresalotofon-siteequipment,resultingincostveryhigh.Thedesignforthecitywaterpipenetwork,designedafloatingtypewaterqualitymonitoringsystems,whichformanintelligentball,youcanthenwiththewaterpipenetwork,waterflow,duringflowoftheentirepipenetworkforwaterqualitymonitoring,real-timeofgetinsidethepipenetworkofwaterqualityinformationforanalysisandsenttothereceiver,butcancompletethedomeofthelocation,whenthewaterqualityisdetectedtobecontaminated,contaminationcanbepositioned.Dozensofsmartballcanbeputintoacitywaterpipenetworksystemandcontinuousmonitoring,waterqualityinformationcanalwaysgraspthevariouspartsofthecity,completewaterqualitymonitoringtasks.Comparedwithtraditionalsamplingmethodsandsentinelapproachtosurveillance,intelligentballcanbemoreaccuratepositioning,amoreaccuratedeterminationofwaterqualityinformation,andtheinformationobtainedcanbebasedonwaterqualitytrendspredictwaterquality,whilesignificantlysavingthecostoflaborandcost.Inthedesign,theuseofGSMwirelesscommunicationstechnologyandradiofrequencycommunicationstechnologytocompletethenRF905modulesforwirelesstransmissionofdataandtheDomeoftheremotecontrol,monitoringmethodsusingpolarographicchlorineresidualchlorineintapwaterwilldothemonitoringanddataanalysis,storageanddisplay.Asmentionedabove,designtocompletethewaterpipenetworkfloatingtypewaterqualitymonitoringsystemshavegreatfeasibilityandnecessity,itispossibletofurtherimproveanddeveloptheexistingwaterqualitymonitoringinstruments,tobetterensurepeople'swatersecurity.KeyWord：Chlorineremained;Waterpipenetwork;Waterqualitymonitoring;Floatingtype;RFCommunications第一章绪论1.1自来水管网水质监测的必要性在自来水的生产过程中，其生产的每一个环节都进行了了严格的质量控制，实行严格的指标控制，同时在出厂之前额都进行了取样分析，测定所生产的的自来水是否符合国家标准，只有通过检测的自来水产品才能输送到供水管网中，工广大市民使用。那么，一般而言，在经过严格的质量把关以后，自来水出厂时基本能达到国家标准，这是自来水公司产品质量管理的依据。但这并不能保证输送到用户的自来水都能够符合饮用水的卫生标准，原因有以下两个：自来水出厂后到用户使用是通过无数的供水管道来进行输送的。自来水出厂后，在连续不断的输送过程中，存在有多重因素导致水质受到二次污染，进而影响水质，比如说管材质量、生长环生成、屋顶水箱等因素，都可能导致质量过关的水体造成二次污染，对人体造成伤害。自来水作为一种一次性不可退还商品，与其他商品有很大区别，因为其在出厂后，经输水管输送过程不可逆，水质好坏将直接从自来水管网中水的好坏体现。由以上两个原因，我们可以看出，为了让广大自来水用户用上安全放心的生活用水，不能仅仅依靠出厂时检测到的水质信息数据作为标准，同时还必须实时对管网进行踩点取样进行水质分析，得到各监测点的水质数据信息，结合用户反馈的信息等各方面因素综合评价水质是否符合国家饮用水标准。特别的，氯气等消毒药物在现如今的自来水生产过程中被广泛应用，自来水中余氯的含量就成为了影响水质的一个重要因素。在消毒过程中，氯气等消毒药物的用量十分重要，是为了在水中产生合适量的余氯，当余氯含量过低时，不能对水中细菌等微生物造成有效的灭杀，但是当过高时，又会产生对人体有害的致癌物质。所以，对自来水水质的实时监测，特别是余氯含量的监测是十分必要的。1.2移动式水质监测技术概况目前，常用的水质监测方式有固定式自动监测站、移动实验室、常规监测等，但是这些手段因为本身技术具有局限性，所以在面对突发的污染事件和日常监测时，很难达到令人满意的效果，具体表现为：常规监测时效性差、自动化程度低、反应慢、不能对水质进行跟踪监测和高密度监测等缺点；固定式自动监测站监测点固定，虽然能够进行连续监测，但是灵活性差，不能根据实际情况进行调整，对于突发性事件不能迅速作出反应。移动实验室一般为车载或者船载实验室，虽然有一定的机动性，但是体积过于庞大，不适合在自来水管网等环境中使用，所以其覆盖面较为有限，而且其检测手段也为现场取样，得到的数据精度和准确度较低。1.2.1基本结构移动式水质监测系统大致由六本分组成，分别为自动取水留样部分、水样处理部分、在线监测水质分析部分、现场控制部分、数据远程传输部分、远程监控部分等。与其他水质监测系统监测内容相似，移动式水质检测系统配置的自动检测项目包括：营养盐、常规五参数、无极阴离子、重金属等主要类别，合格的水质需要在《地表水环境质量标准》I类水质标准值之下。1.2.2主要功能及特点移动式水质监测系统使用自带水泵或者人工取样的方式获得现场水样并进行预处理，将水样通过专用的单独水样管导入测试仪器进行测试，记录所获得水样的水质测试结果数据。系统通过车载基站中的控制软件，对现场监测实现远程控制，使监测过程能够自动进行，完成实时数据统计和分析。为保证监测数据的有效性和可靠性，系统对获得数据惊醒标样核查和加标回收处理，通过对基站获得的监测数据进行标记和运行日志等信息，系统能够保证水质监测数据准确、可靠。在移动式水质监测系统领域，外国起步比国内要早，所以相对国内在此方面的技术也更加成熟先进可靠。新型智能移动式水质监测系统是目前国内外都致力发展的全新领域，相对于老式移动式水质监测系统，它能够适应各种复杂的水域环境，覆盖更宽广的水域面积，对于突发性污染事故能够迅速做出反应。但是，就目前而言，移动式水中检测系统多处在实验研究阶段，在市场上很少出现技术成熟，成本低廉的移动式水质监测系统。1.3水质在线监测系统概况传统的水质监测方式，先通过现场获得水质样本，然后水样经验室仪器进行分析，获得水质信息数据，这种检测手段不能够快速及时的反映出水质的信息，同时由于采样误差打、频次过低等因素导致获得监测信息不准确，不能够正确指导水质管理的决策和执法。所以就要求在进行水质监测时，采用更为合理、自动化程度高，信息化管理的新手段，对水质进行在线的监控，为水质安全管理和人们用水安全提供技术保证。1.3.1水质在线监测系统总体结构现场监测站现场监测站主要完成水质取样监控和预处理、分析水质信息、反馈设备状态等工作，根据实际情况，设立在各污水处理厂进出口附近，包括水质样本采集设备、水样预处理设备、在线监测仪等。监测站监测站通过在线监测系统管理机，完成对现场监测站数据的实时采集，并将其显示和储存，建立水质信息数据库，然后通过远程通信的方式和管理中心进行数据交换。管理中心管理中心主要完成数据处理和发布，通过其数据服务器，对来自各监控站上传的数据进行采集和存储，然后经Web服务器，把经过处理的水质数据信息发往政府部门和各个污水处理站。通讯网络通信网络是整个在线监测系统的通信媒介，主要完成现场监测站、监测站和管理中心之间的数据交换，同时向外发送数据信息。1.4水质监测技术的发展现状及前景国外在城市污染源以及江河流域水质监测方面起步较早，美国早在20世纪中叶就已经建立自动水质监测系统来代替人工监测网络的工作。到了20世纪70年代，英国，日本，荷兰等国页先后建立了水质在线监测系统。我国对水质在线监测系统的研究始于20世纪80年代，对水温、ph值、溶解氧、电导率、浊度以及氧化还原电位等指标实施监测并提供水质自动监测报告。目前，我国水质监测设备对外国进口的依赖较大，国内的水质监测仪器厂家规模较小，技术不够成熟，仪器的准确度和稳定性较差，难以和外国知名品牌（如美国哈希等）相竞争。同样，在移动式水质监测系统领域，国外起步也比较早，近年来发展了新型的智能移动水质监测系统。尽管国内移动式智能水质监测系统起步较晚，但是经过近些年的开发研究，也取得了相当不错的成绩，比如北京航空航天大学机器人研究所假发的水下自主航行器SPC-III，是有着优秀性能并且能在水下自主完成水质监测任务的移动设备等。1.5课题研究内容自来水管网浮游式监测系统的研究，就是要以智能球的形式，将移动式水质监测系统和水质在线监测系统相结合，充分实现移动式监测系统成本低、覆盖范围广以及水质在线监测系统监测数据实时性连续性的优点。1.6课题研究背景及意义目前给水管网的监测手段主要是定点式监测，需要大量的数据采集点和数据采集器，这就势必导致系统的整体造假十分昂贵，并且系统的维护也十分困难。同时，由于定点式采集的数据方位固定，只能测得空间内有限孤立的点的水质信息，不能有效且准确的定位水质发生变化的点，对于分析水质的变化趋势十分困难。本课题研究的自来水管网浮游式水质监测系统，以智能球的形式实现，体积小可以在自来水管网中随水移动，在移动的过程中对整个管网进行水质监测，能够实时的获得管网内的水质信息并发送到接收端进行分析。可以将几十个智能球投入到一个城市的自来水管网系统并进行不间断的监测，能够时刻把握城市各个地方的水质信息，完成水质监测任务。与传统的采样法和定点式监测法相比，智能球可以更准确的定位，更准确的测定水质信息，并且可以根据获得的水质信息预测水质变化趋势，同时大大节约了人力和造价成本。第二章水质监测基本原理2.1水质分析概述水质分析就是使用物理和化学的方法，对水体中的化学成分进行量的测定的方法，对于人们用水安全有着非常重要的指导价值和意义。水质分析有简分析、专项分析和全分析三个类型，在不同的环境和需求条件下，选用不同的分析方法。在分析野外水质是一般选用简分析的方式，主要因为在野外时，水质分析的项目较少，要求快速分析得到水质信息，所以选用适应性好的简分析。当需要对水质进行详细分析，比如生活用水等，此时就要选用专项分析和全分析，特别是对于饮用水的分析，其主要的目的就是要保障人们的用水安全，此时就需要对水之重的物理、化学以及微生物指标进行详细的分析。另外，对于工业用水的水质分析，其目的主要是考虑水体是否会对产品质量产生严重影响和是否会对管道容器等生产设备产生损坏，此时需要对水质中的各化学成分和指标进行详细分析和测定。目前，常用的水质分析方法主要有电化学法、离子色谱法、化学法、色谱法、分光光度法等，我们可以根据需要以及实际情况，选择正确的方法进行水质分析。2.2水质分析的相关分析指标一般情况下，对水质的分析需要进行多个项目，具体的分析项目指标共有106个，主要的分析指标有混浊度、色度、PH值、细菌总数和余氯含量等，为保证工业用水和生活用水的安全，对这些指标的分析有着重要的意义。2.2.1浊度水中的悬浮物质过多时会使水质变混浊，从而影响用水安全和质量。在水质分析时，用浊度来表示水质的混浊程度。浊度是一项光学指标，当浊度过大时，水中的悬浮物质会散射光线，散射强度和悬浮物质的质量有关。浊度较高的水给人们直观的很不干净的感觉，此外，浊度较高的水，会对过滤过程造成负荷，给给水工程造成困难，普通的砂滤并不能达到预期的效果，给运输管道的清洗造成困扰。综合以上特点，对水质浊度进行有效的分析，有着非常重要的意义。2.2.2色度水质中的一些浮游生物、金属离子和泥炭等，会让水带上一定的颜色，我们用色度来衡量这个颜色的标准，水的色度会影响水质安全，所以需要对其进行处理和分析。水的色度可分为真色和外观色两种，真是指的是将水样经离心或者过滤以后，江水中的悬浮物出去后，水样表现的色度；外观色指的是水样的直观颜色，也成为观色。此外，水样色度会随水样PH的增加而增加，在进行水样分析时应特别注意。在对水质进行消毒的过程中，需要向水体中加入氯气等化学药物，可能会产生对人体或者生产有害的物质，这些物质可能会改变水质的色度，所以甚至色度的分析，对于及时发现水体中的有害物质并减少水中的污染物有着重要作用，同时在不同地区，其色度标准可能不同，所以综合实际情况对水质色度进行分析。此外，色度偏高的水质会对生产造成负面影响，所以对于工业用水，也需要对其色度进测定。2.2.3PH值PH值为水中氢离子活度的负对数，只反映水质的酸碱性，并不能反映水中氢离子浓度。自然界水源中多含有碱性金属，使水质呈弱碱性，PH值在7.2-8.6之间。在水质净化过程中使用混凝剂，助凝剂和各种净水药物时，会使水质PH发生变化。根据国家规定，我国生活饮用水的国家标准为，饮用水PH在6.5-8.5之间，最佳值为7.5。为了使人们的用水健康安全，对水质PH值的监测控制就显得十分重要。2.2.4余氯在自来水的生产过程中，常常使用氯气或者等作为消毒剂，氯气等在与水接触一段时间以后，在水中残余的有效氯被称为余氯。在自来水的检测指标中，余氯好重是指游离性氯。随着社会的进步，人们生活质量不断提高，人们也越来越关心用水安全的问题，而余氯含量就是其中非常重要的一个指标。在使用氯气等对水体进行消毒时，如果水体中余氯浓度过低，则无法有效杀灭水体中的有害微生物，而当水体中余氯含量过高时，又会产生三卤甲烷等致癌物质，危害人们的健康。所以，对于饮用水中余氯含量的实时监控非常必要。其消毒机理是利用水中次氯酸跟和次氯酸的强氧化作用，工作原理如下：水中放入氯气，产生如下反应：+⇌+次氯酸在水中又会发生电离：⇌+极谱式电极法通过检测水中次氯酸的浓度来测量水中余氯，其原理图如下：图1极谱式电极法余氯传感器原理图余氯传感器使用一根银棒作为阳极，一个圆柱形金块作为阴极。阴阳电极同时浸泡在传感器探头中的电解液里。金电极外有一个聚四氟乙烯渗透膜，其具有选择透过性，只能透过次氯酸分子，水中的其他离子和次氯酸根离子都不能透过。在测量时，需在阴阳两极之间加上50mV的极化电压，次氯酸分子会在阴极发生还原反应，产生和次氯酸分子浓度成正比的微弱电流，化学方程式如下：银阳极：+→+金阴极：2+2+→+由极谱式电极传感器的工作原理可知，需在传感器金阴极和银阳极之间加上一个极化电压，使电解液中次氯酸分子在银电极上发生还原反应，产生微弱电流。2.3GSM通信技术GSM通信技术的出现极大的扩充了蜂窝通信的容量，使数据通信变得容易而可靠，其明确具体的规范保证了各厂家生产的GSM设备能够通用，这些优势使GSM通信技术在无线测控系统中得到广泛应用。2.3.1GSM模块与SMS通信GSM模块作为GSM通信网络中的一部分，给用户提供了使用的GSM移动终端，其可以完成Internet无线接入、短信、传真、通话等业务。实际应用中，考虑到安全、费用和数据流量等因素，GSM技术的无线测控系统使用SMS（短消息）的方式作为其指令和测控数据的传送手段。SMS使用无线控制信道进行数据传输，其储存和前传功能由短消息业务中心完成，具有很好的可靠性。在通常的测控系统中，常用字符串作为测控指令完成测控工作。通常在160个字符以内，这在每条短消息140个八位组的限制之内。同时，一条短消息所占用的空间与1秒的语音通话所占空间大致相当，所以使用SMS的方式的通讯费很低。2.3.2系统结构GSM测控系统通常中央控制计算机和测控前段构成，中央控制计算机皆有GSM模块，测控前端中嵌有GSM模块，分布在个测控点。这样，就形成了一中央控制计算机为中心，以GSM无线通信网络连接各测控前端的一对多式分布的无线测控系统。中央控制计算机和前端实行双向通信，各数据前端之间不发生通信。其系统结构如下：图2GSM测控系统结构图工作时，系统通过SMS方式，主控计算机和每个测控前端取得联系，完成对测控现场的监控。在接收到测控指令以后，前端会执行相应的动作，然后把测控结果反馈到监控主机，而当前端所在测控现场出现异常时，前端会主动把现场数据反馈到监控主机。监控主机会对接收到的测控数据进行分析、储存和显示，完成对个测控点的监控。2.4Modbus协议的应用ModBus协议是由MODICON公司推出的一个开放式现场总线通信协议，其工作方式为主从式，主机为上位机或者智能终端，从机是一台或者几台遵从ModBus协议的变送器或者智能仪表。每台主机的地址范围是0-255，它由用户设定地址，从而实现访问操作。Modbus由地址、功能码、数据段、校验码组成其帧格式，数据段内容根据主—从或从—主关系可包括寄存器起始地址、寄存器数数据位等。Modbus通信格式： 1234地址（Addr）功能码（Func）数据段（Data）校验码（LRC或CRC）主机向从机发送的请求帧格式： 1 2 34地址命令寄存器起始地址寄存器数CRC校验码1字节1字节2字节2字节2字节从机得到请求后向主机发送的响应帧格式：1234地址命令数据长度响应数据CRC校验码1字节1字节1字节N字节2字节帧首的地址范围是0-247，是智能仪表的查询地址，是信息响应的起始地址，当从机拥有地址时，才能从主机接收发来的信息，且各从机拥有唯一地址；信息帧的功能码范围是1-255，可用单个字节（RTU）或者双字符（ASCII）表示，表示的是主机命令从机执行什么操作；数据段是设备之间请求和响应的主要内容，主机向从机请求读取寄存器内容时，数据段包括寄存器起始地址，以及读取的寄存器个数，寄存器是从机存放数据的地方，每个寄存器可以存储2个字节的数据，地址为16位，按照高位在前低位在后的顺序排列，从机反馈响应的数据段包括实际采集的数据和数据长度；校验码的作用是为了保证通信的可靠性、避免误码，LRC（纵向冗余校验）和CRC（循环冗余校验）是标准ModBus协议的两种数据校验方式，ASCII模式下的传输校验使用LRC，它使用两个ASCII字符，把帧首至帧尾的字符连续异或。RTU模式下的传输校验使用CRC，使用通信领域常用的CRC-16校验法,CRC为16位(2字节),其中低位在前,高位在后,CRC生成多项式为(用16进制表示为A001)。浮游式水质监测系统硬件设计3.1设计思路来源为解决对污水管道中微小渗漏的检测和定位的问题，加拿大PureTechnologiesLtd—AbuDhabi公司在2004年研发了一种名为SmartBall的浮游式检漏系统，该系统以声波检测技术为基础，通过对压力管道中渗漏水流或者气体异常声波的检测，对微小渗漏进行识别和定位，主要包括智能球，主机，声波接收器（SBR）。结构图如下：图1：SmartBall结构示意图SmatBall进入管道后，在管道内滚动前进，其在管道中的位置，对渗漏定位至关重要。在运动过程中，SmartBall一路发射超声波，通过接收装置接收到超声波的时间，进行严密计算，对球体进行定位。当怀疑有渗漏时，可以分析SmartBall经过管道某个位子时的数据，从而对渗漏进行定位，SmartBall自身携带有加速度数据仪，将其测得的数据用曲线拟合SBR接收点，建立速度变化图，通过时间变化的分析对渗漏进行准确定位。目前而言，SmartBall因为其适应性强，不受地表结构和管道深埋的影响，检漏精度高，设备使用方便效率高的优点，广泛的应用在污水、输油等管道的检漏系统中，但在城市自来水管网的检漏和水质监测中还没出现相应的成熟产品。故而，开发出这样一种浮游式自来水管网水质监测系统，有着很高的可行性和良好的市场前景。3.2浮游式水质监测系统硬件设计3.2.1水质检测球结构设计水质检测球是浮游石水质监测系统的主体部分，它可以再自来水管道内部以浮游的方式进行移动，同时分析水质并将水质信息的相关数据储存或者无线传输到管道外，其结构图如下：ModBusModBus无线通信模块数据处理和控制单元数据采集单元水质分析单元ModBusModBus无线通信模块数据处理和控制单元数据采集单元水质分析单元ModBusModBusGSM模块GSM模块其中，水质分析单元、数据采集单元和数据处理和控制单元一起，构成余氯监测模块，水质检测球各单元之间通过ModBus协议进行通信连接。3.2.2余氯监测模块在本次设计中，，采用极谱式余氯传感器，在阴极加上极化电压后，阳极上会相应的输出一个与水中余氯值成一定比例的纳安级别的微弱电流，对该微弱电流就行转换和放大处理，从而获得水中余氯的准确数据。模块的工作流程图如下：图2：余氯监测模块工作流程图由上图可以看出，整个模块包括余氯传感器、电流转化电压、A/D转化电路、中央处理器、数字通信口、显示器等部分，完成整个余氯监测过程。余氯极化电压电路设计为满足系统需要，需要在阴阳两级之间加一个50mV的极化电压，其电路图设计如下：图3余氯极化电压基准电路由图我们可以分析，当5V电压经稳压管D1后，得到一个1.2V的基准电压，再经过一个定值电阻和一个电位器进行分压，得到一个更小的电压，调节电位器的阻值，再经过MCP6002组成的迟滞跟随器后，就可以得到一个稳定的50mV的极化电压。电流电压转换电路设计由于极化电压的作用，阴阳电极之间会产生一个非常小的电流信号，将其转化为电压信号，并且放大处理后，才能对该信号进行检测，并且进行A/D转换和进行以后的单片机处理。余氯传感器产生的纳米级别的微弱电流，最低约为3纳米左右，并且其本身的阻抗极大，所以电流电压转换电路的放大器芯片要求很低的偏置电流和很大的差分输入阻抗、很低的电流电压噪声以及很高的电源抑制比。根据以上分析，这里我们选择TI公司生产的OPA129超低电流差分运算放大器，它能放大10pA级别的微弱电流信号，满足设计需求。余氯电流电压转换电路示意图如下：图4余氯电流电压转换电路结构图将放大器视为理想状态，有虚短和虚断原理可知，输入电流和输出电压的负值成正比，即=－=－令反馈电阻==2MΩ，就可以把传感器得到的纳安级电流转换为毫伏级的电压。二级放大电路设计在经过电流电压转换电路以后，传感器的输出信号由原来的电流信号变为电压信号，但这时的电压信号仍然很小，大约为-5--300mV，为使其满足A/D转换的电压要求，就需把余氯电流电压转换电路进行二次放大，具体电路如下：图5二级放大电路电路中选用TI公司的INA122作为放大芯片，它具有很低的功耗，采用双电源供电方案是，其电压范围较宽，正输入端为1.3-18V，负输入端为-0.9-18V。在这里，我们使用±5V双电源供电模式。根据TI公司提供的数据资料，我们知道 =（－）即=，=，=，放大倍数=5+200Ω/调节的大小，就可以得到合适的放大倍数，在本次设计中，合适的放大被试大约为6.5倍。信号处理电路二级放大电路对传感器输出信号进行放大以后得到的电压信号，经A/D转换电路，输送到单片机进行处理，经过温度补偿和PH补偿，就能得到水中的余氯含量。在本次设计中，使用TI公司的TLC7135为系统的A/D转换芯片，它抗干扰能力强，精度高，稳定性好，能够满足在测定低浓度余氯含量时候对精确性和稳定性的要求，A/D转换电路如下图：图6A/D转换电路系统CPU使用ATMEL公司的ATmega128单片机，单片机处理电路如下：图7单片机处理电路3.2.3GSM无线通信模块硬件系统设计以及特点测控前端的设计是GSM通信技术测控系统的主要部分，中央主控计算机使用RS-232接口实现与TC35的直接通信。前端设计的要求是：具有合适的MCU和满足于GSM模块通信的接口电路；具有满足测控要求的输入输出通道和相应的处理单元。硬件结构示意图如经过处理分析的水质信息电信号输入I/O通道无线Moden经过处理分析的水质信息电信号输入I/O通道无线ModenTC35模块232接口MAX232Moden通信16C550uP监控MAX810微控制器89C51RDLCD显示电路EEPROMAT24CD1经过处理分析的水质信息电信号输入I/O通道键盘输入MC14068由以上结构图我们可以看出，单片机通过Moden通信芯片16C550，经过232接口转换，实现和TC35的串行通信，因为TC35使用RS-232电平驱动的通信接口，所以电路中使用一片RS-232驱动器完成COMS和RS-232的点评转换。单片机能够检测TC-232的串行口发出的载波、数据就绪、清除信息等信号，向TC35发出指令并收发数据，完成GSM通信任务。电路的设计还应该考虑GSM模块的正常功耗和最大功耗，12V供电时，TC35的正常功耗为0.42W，语音通信时最大瞬降功耗为18W，同时，为TC35提供的启动信号接口和电源需符合手册规定。软件的设计和实现主控计算机和TC35间，用RS-232接口通信，所以使用VB中MSComm控件可以编制基于GSM同喜的程序函数库。根据前端是用的MCU，运用C51编制相应函数库。通过调用GSM通信程序函数库，主控计算机和前端能够完成对GSM的一系列操作。在运行时调用函数库中的函数，系统主程序能够实现对TC35的初始化、关闭和收发SMS等功能。系统在运行过程中，软件时刻监视SIM卡在GSM网络中的注册情况和GSM自身的运行状况以及主控计算机和收到信号的强度，在系统主程序对以上三项的检测在软件完成测试初始化，进入系统主程序循环后还要继续一段时间，从而保证整个测试系统可靠运行。数据终端向GSM模块发射检测SIM卡注册状态指令，读取模块返回可识别SIM卡状态的参数，若GSM模块可以返回指令参数，就能够认为GSM模块正常工作。在运行状态下，系统周围的GSM信号的强度会发生变化，所以就要求系统软件在段时间间隔内，对天线接收到的GSM信号强度进行测试，当信号强度低于一定值时，软件应作出相应处理，从而保证整个测控系统正常运行。数据终端使用信号检测AT指令，当指令发送到GSM模块时，就能够马上获得本地和附近的蜂窝信号强度等级以及具体数值。以下是前段打开GSM模块的程序流程图:打开Moden芯片I=0延时5s，I=I+1I<=2模块打开失败！SIM卡存在网络信号正常请求调整天线延时250ms打开Moden芯片I=0延时5s，I=I+1I<=2模块打开失败！SIM卡存在网络信号正常请求调整天线延时250ms注册表正常SIM卡储存空间充足释放SIM空间设置TC35通信函数返回提示检查SIM卡YNYYNYYNN设置芯片参数设置芯片参数TC35准备好？TC35准备好？延时250ms延时250ms系统硬件配置及性能测试4.1系统硬件配置4.1.1余氯传感器本次设计中，浮游式水质监测系统主要完成自来水中余氯含量的监测。由于生产工艺、设计原理和生产原料等原因，余氯传感器的单支价格偏高，平均大概在3000/支。经挑选，我们决定使用德国E+HCCS241余氯传感器，一下是对它的介绍：产品描述覆膜式电流测量传感器，安装于流通式支架CCA250饮用水、工业用水和游泳池谁都必须使用适当的氧化剂进行消毒，如使用氯或氯化物。 氧化剂的投入量必须经过严格控制。浓度太低，导致消毒不彻底，浓度太高，可能引起 腐蚀，对皮肤造成伤害，应影响饮用水的口感。传感器CCS240测量范围：0.05...20mgClO2/l传感器CCS241尤其适用于饮用水消毒或用于检测微量氯（测量范围：0.01...5mg ClO2/l)。当适用下列含氯消毒剂：NaClO2/HCl，NaClO2/Cl2时，需检测余氯浓度。产品应用饮用水、池水、生活用水产品性能及优势流通式安装支架CCA250的最小流量：30l/h流量>30l/h时测量几乎与流量无关无需零点标定，所以无需在余氯传感器中安装活性炭过 滤器测量值不受电导率波动影响CCS240所需极化时间：10-30minCCS241所需极化时间：45-90min现成的覆膜式探头，便于更换持续工作1-4个月后需要重新标定出口压力小于1bar 图1德国E+HCCS241余氯传感器实物图购买单价：3000/只4.1.2无线通信模块在本系统中，余氯监测球可以通过无线射频模块个管道外的终端就行通信，将水质信息上传并就收终端的控制信息。这里，我们选择使用nRF905作为无线射频通信模块，实物图如下：nRF905是由挪威Nordic公司推出的无线射频收发芯片，32脚封装，工作电压为1.9～3.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道。该芯片由接收解调器、功率放大器、频率合成器、晶体振荡器以及调制器组成，不再需要外加声表滤波器，具有功耗低、抗干扰能力强、可调频等优点。nRF905主要性能参数：◆422.4～473.5MHz工作频段◆512个通讯频道，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求，通道切换时间≤6us◆发射功率可设置为：10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm◆通过SPI接口与MCU连接◆支持50kbps传输速率◆ShockBurst传输模式，自动生成前导码和CRC校验码，使用SPI家口和微控制器通 信，配置方便◆工作电压范围：1.9V～3.6V，待机模式下电流仅为12.5μA，易于实现节能◆工作温度范围：-40℃～+85℃◆市场单价10元/块在这里，我们使用的是RS232标准接口模块，实现nRF905接收端与终端的连接，通过ModBus协议进行信息传输，nRF905无限蛇皮叛逆通信接收流程如下：开始开开始开始寄存器配置寄存器配置寄存器配置寄存器配置YY初始化初始化初始化初始化打包待发数据打包待发数据设置接收模式设置接收模式NN是否存在同频载波是否存在同频载波是否有新数据传入设置发送模式是否有新数据传入设置发送模式NYNY数据发送数据接收数据发送数据接收结束串口显示结束串口显示结束结束4.2系统性能测试4.2.1余氯零点稳定性测量为了验证余氯监测模块的稳定性，首先应该确定余氯监测模块余氯零点的稳定性。为此，我们进行多次试验，先把余氯点击极化1小时，再把电极放置于300ml的离子水中，等其稳定以后，观察并记录二级放大电路输出电压，将多次几句结果进行对比。这里，我们记录有12组数据，如表1所示：试验次数测量值/mV试验次数测量值/mV121719225816324919417102853111306201221表1余氯零点稳定性测量由表1中数据对比可见，余氯监测模块在余氯为0的情况下，可重复测量性能良好，可以满足整个系统的要求。4.2.2余氯监测模块性能测定传感器的输出电流与自来水中余氯浓度成正比，为了检测余氯监测模块的性能并验证器线性变化曲线，我们使用上海诺博CN-100余氯检测仪和自制系统进行对比标定。把自制的余氯传感器和上海诺博CN-100余氯检测仪同时放在相同的水样之中，在恒定室温的条件下，逐渐向水样中低价溶液，待测量数据稳定后，记录CN-100余氯检测仪测得的余氯值和自制系统的输出电压值，我们取30个测量点，测得结果如表2： 表2余氯值和系统输出电压取点余氯值(mg/L)输出电压（mV）取点余氯值（mg/L）输出电压（mV）10.01020160.269103220.02060170.274109430.043128180.302120540.062187190.318128050.072240200.330133660.098360210.362143570.111408220.373150280.136532230.397158290.171621240.4261652100.188684250.4311684110.209741260.4431732120.216784270.4511764130.235823280.4651800140.252893290.4791848150.261989300.5001972将表1转化为曲线图，得下图：由此可见，当水中余氯浓度在0-0.50mg/L之内时，余氯标定曲线接近一条直线，可见系统具有良好的线性效果，产生误差较小，系统稳定，同时0-0.50mg/L的检测范围，可以满足自来水余氯监测的要求。4.2.3系统通信可靠性试验智能球装置和外界的通信有无线射频和GSM两种方式，所以，对智能球通信可靠性的检测分为无线射频和GSM通信两部分。考虑到智能球的工作环境为自来水管道，那么影响其通信质量的因素就主要包括水体和管材的影响，所以在检测过程中，我们对这两方面分别展开试验。为避免外界因素的干扰，测试时选择无人的开阔地进行。管材对通信质量的影响在市政给水系统中，球墨铸铁管、PE管、钢管是最常见的是那种管材，所以，在测试过程中，我们主要对这三种管材对智能球通信质量的影响进行测试。系统的无线射频通信模块使用的是nRF905模块，首先将去发射端放在一段管道中，管道两边用相同材质的板子密封，观察记录接收端在不同距离得到不同载波的误码率。下图为PE管对无线射频通信的影响：由上图可以观察得到，在PE