【水质监测数据的采集系统设计8600字（论文）】

水质监测数据的采集系统设计摘要我国水资源相对较少，也存在着比较严重的水污染情况。现阶段对水资源的消耗的加剧，以及人们在生活中对水质的严格要求，这就会使得水资源变得非常的宝贵。水资源的宝贵体现各个方面，在工业生产方面，需要进行产品的制造和加工，在工艺制造时需要进行冷却等等；在农业方面，植物的生存生长；在人们的日常生活中，水的正常饮用十分的重要。所以，目前正在努力提高水质的监测水平，加强水质监测的力度。以尽可能的减少对水资源的各种污染。其中水的浊度对于水质优劣来说，会是一个非常重要的判断指标。除了水的浊度以外，相对水资源的物理，化学以及生物的特性而言，水的温度对于水资源也有着非常重要的影响。水的浊度与很多方面的影响有关，主要与水中悬浮物含量等方面有关系，其中水中悬浮物对光的折射系数的不同也会对水质带来影响。为了采集水质浊度的相关数据，会根据散射光的原理进行测量，从而得到数据。水的温度的测量采取数字温度传感器，将关于温度的数据进行转换变为数字量，将获取的信号传给单片机，然后在液晶屏上进行显示。所以本水质监测数据的采集系统可以对水的浊度以及水的温度进行采集并显示，完成监测任务。关键词水质监测；浊度；温度目录TOC\o"1-4"\h\u7502摘要 I28570Abstract II15758第一章绪论 1245401.1我国的水质监测背景 111191.2国内水质监测技术现状 194041.3国外水质监测技术的现状 1187891.4水质监测的意义 2317041.5小结 211813第二章水质监测方面和部分监测原理 3311022.1水质的各方面因素及影响 3294822.2水的温度监测 3111862.3水的浊度监测 3100832.4小结 317059第三章系统的整体设计方案 429073.1系统的整体框架统计 4208583.2各模块功能 43894第四章系统硬件设计 548384.1温度传感器模块 5188444.2水浊度传感器模块 6140404.3主控制器电路设计 6304564.3.1主控芯片 6110814.3.2最小系统 7193834.3.2.1晶振电路 781904.3.2.2复位电路 8310774.4显示模块 8178344.5电源模块 815054.6整体硬件原理图 927794.7小结 1019708第五章系统软件设计 11280555.1主程序设计 1121115.2子程序设计 12283065.3小结 1221928总结与展望 1315784参考文献 15第一章绪论1.1我国的水质监测背景在现代社会中水是非常重要的生产生活资源之一，在社会中对经济市场的开发有很大的影响。我国属于人多水少的国家，水资源供需仍然存在很大的问题，尤其时空分布不均，使得各个地区的水资源的利用成为重中之重。目前全社会节水意识还需要提高，在水资源的利用方面还是存在很大的缺陷，水资源的短缺，也开始成为社会上较为严重的问题。部分水资源非常短缺的地区，也限制着人民生活水平和生态文明的建设。在水资源短缺的情况下，人们也开始意识到对水污染的治理的重要性，减少水污染相当于增加了可利用的水资源，对水的处理和监测也开始在保护水资源环境和维护人们生活环境中起到了重要作用。人们的生活生存不能缺少水，各种营养物质会通过水进入人体内，使得人们健康生活。科技在不断的发展，由此会产生水污染的问题。水污染问题的产生和堆积的污水处理的问题，使得现在越发珍惜对水资源的使用。在更好的运用水资源的流程中，应该对水进行相应的检验用以判断水质是否达标。由此人们开始越发关注水质检测的发展，因此本设计出于对水环境监测和水污染防治考虑选择水质检测系统。人们的正常生活离不开水，因为饮水安全对人们的正常健康状况会有非常重要的影响，所以饮用水有其标准，标准的设置主要是为了减少不卫生水源对人们身体的危害。在人们正常的各类工业生产活动中，工业用水也有其标准，是为了生产制造的正常运行，防止对仪器造成损害，对所以对水资源的监测是非常的重要。1.2国内水质监测技术现状近年来我国的环境检测方法还比较传统，需要用人力进行采样操作，之后再在实验室样品。刚开始的时候，我国仍需要进口水质检测仪，现在成熟的国产化设备在国内进行推广使用是为了摆脱对进口设备的依赖，建立自己的水质监测技术体系。水质监测断面被国家环保总局设立在大江大河流域，监测重心放在主要水系的干流部分，支流监测较少。在人口较少的城镇和农村地区，部分工厂对于污水处理不重视，使得部分地区污水直接排放入支流和内河，存在的污水难以监测使得水污染可能比想象中的更严重。我国的水质监测还是有些落后，所以，水质监测是很重要的一个部分。我国正在水质自动监测方面进行很大的努力，虽然不能对全流域进行自动监测，但是对一部分自动监测技术也有了很大的突破。但是基于基层水质的实时监测与水质分析环节在我国仍然较为落后，各类数据传输网络大部分仅仅是进行监测部门之间进行融合传输。但是经过这些年的发展，国家水质监测技术已经大大提升，可以监测许多流域内比较重点的指标，对于正常指标的监测，例如：PH、水温、浊度、叶绿素α、藻密度等。这些种类指标的监测可以对该流域进行简单的水质评估，而且各类基站的维护状况也会自动向总站传输。1.3国外水质监测技术的现状在水质监测技术刚开始发展的时期，国外的水质监测也离不开人工采样和实验室分析。这样就使得监测出的数据具有一定的延时性，这种方法费时也费力。所以，为了尽可能及时发现水域出现的污染状况，提高水质的防治效果，及时了解污染源，对水域的变化规律进行分析。国外也在努力发展自动监测的技术，为达到省时省力的效果，在流域中投放可以移动的监测车，在移动的过程中对水质进行分析，也可以固定监测，并运用无线数据传输，自动上传结果，将各个监测单元的数据送到统一的控制中心进行整合。这样就可以对某一片区域或者某一水系的水质进行连续的自动监测。并进行相应的分析得出该区域的部分规律。水质温度的监测在流域中监测也比较广泛且深入。其中主要的传统温度传感器包括以下几类：采用金属导体的热电阻传感器、选择半导体作为组成部分的热敏电阻传感器以及利用铂测温的RTD传感器。热电阻传感器的线性特性在这三类中较差，但是测量比较准确，其优点是可以将周围能量转化后直接使用，并且抗碰撞性能较好。缺点是在使用时应该设定相应数值进行参考，并且得到的数值波动较大，在温度变化时也不能快速反应。热敏电阻传感器的线性在其中属于最差的，想要进行比较准确的测量需要进行一定程度的校准，反省快并且灵敏是它的优点，缺点是需要进行外部供电。RTO铂传感器的线性在三类中较好，优点是测量准确并且不易波动，无法进行自供电是其缺点，它的电阻不容易增大或减小，响应速度也比较慢。在制作器件的工艺不断优化下，出现了各式各样的集成温度传感器。它们按照其各自的特点不同使得各自的优点也各有不同，对获取的信号采用的分析整理方式也不同，所以它们在结构上也采用了不同的方法。通过这个方法可以对此传感器进行相应的分类：集成化的模拟温度传感器在结构上采用带隙基准的设计方法，其具有精度高，分辨率也高，误差较小，而且监测范围大等优点。集成化的数字温度传感器在结构上采用延时单元，其具有结构简单面积小的优点。1.4水质监测的意义在污水废水处理的的过程中，对水进行监测，可以为水处理提供相关技术支持和依据。污水的常规指标可以用来判断污水的水质特征，而污水的水质特征显示了这种污水适合用什么方法进行处理。因此常规指标就显得很重要。对水的常规指标的监测，可以用来判断该水资源的适用方向，从而决定水资源进行什么方向的利用。对水质进行监测除了可以判断水资源的利用方向和处理措施以外，还可以进行水资源的防治，在水质监测区域，当水质出现异常变化时，将可以对控制中心发出警报，中心将采取各种措施，从而快速达到点对面的监测，尤其是对发出警报水域的下游的损害大大减少。1.5小结本章节主要介绍了水质监测的各个方面，从背景、发展现状和意义方面，深入了解学习了水质监测的知识。在学习过程中，也明白了水质监测在生活中是非常重要的。尤其是现在我国水环境仍较为恶劣，人民生产生活用水比较广泛，用水量也较多，所以显得水质监测技术非常的重要。第二章水质监测方面和部分监测原理2.1水质的各方面因素及影响在水质监测中，对水质的影响的因素有很多。其中水的色度、导电率、水中杂质含量等是一类判断水质综合状况的指标。其中水质色度是由对处理后或天然的水进行有关颜色的相应测定后得到的指标，规定为饮用水的色度不许超过15度。水的电导率是水可以进行导电的程度，水中杂质较多时导电率较高，水中杂志含量较低的话导电率也会比较低。导电率的测量可以用来判断是否某种物质导致了水质因素的改变。溶解氧是指水体中游离氧的含量。许多水生动植物的生存和生活也与溶解氧的浓度有关。除判断综合指标外这一类外，还有一类则是关于有害物质的监测，其中包含一些重金属物质和有机农药等。2.2水的温度监测当需要判断某物体的温度，也就是判断其冷热程度。需要测量温度时，并不能直接测量，从微观上讲，物体会在分子层面不停的进行运动，而它运动的程度才会体现出温度的高低，所以要通过物体在温度上体现的某些特征才能对温度进行测量。水中有许多生物，温度对于它们的生长繁衍造成很大的影响，所以水温是水中微生物及动植物生存的重要指标之一，因而要进行水温方面的测量。水温传感器的阻值会根据测量的水的温度不同，进行变化，从而得到水的温度。2.3水的浊度监测浊度就是水溶液浑浊度，人们可以从个人角度从肉眼判断水是否混浊，但更精细的判断还需要仪器的测量。因为大块的泥土和沙砾人们可以比较清晰的看到，但是对于肉眼无法观测的无机化合物或有机化合物，以及微生物就要通过实验室的仪器测量后才能更清楚的判断。它们的含量都会对水的浊度造成一定的影响，除了含量的的多少，因为它们的形状不同或其他原因造成对光的折射程度不同，而使得不同悬浮物的对光进入水中的影响程度也不相同，这些也会使得水质浊度不一样。浊度对水中微生物的检测影响较大。某些颗粒物上会吸附细菌，因为营养物质更容易附着于固体上，这就使得这些细菌在营养较为充足的条件下进行快速的繁殖。所以要重视对浊度方面的测量。液体浑浊度大时，由于液体中的悬浮物较多，光的通过率比较低，光敏电阻接受的光线少；而液体浑浊度较小时，由于液体中的悬浮物较少，光的通过率比较高，光敏电阻接受的光线多。通过这一性质，可以有效的检查测量水的浑浊度。浊度传感器的主要测量原理以下三类：目视比浊法因其操作比较简单，所以把它作为一种常用的方法。首先根据所需要求对浊度标准液进行制作，将此溶液与水样通过目视的方法进行判断。影响的因素是会受到个人的主观因素的影响。分光光度法通过化学方法配置浊度标准液，在光的某种波长下与水样对比，从对比结果中判断出水样浊度。影响的因素是使用透射光进行测定，反应水样的混浊程度会比较困难。仪器分析法运用光会进行透射或散射的性质，通过进行信号转换，把浊度转换成光电信号，由此得到浊度。它也包含许多不同的方式，散射法是其中一类反应迅速，检测误差率较低的方式。基于上文论述本设计采用仪器分析法的测量原理。2.4小结本课程设计主要对浊度，温度进行检测，因为浊度与温度影响的方面较多，监测也比较安全。水质浊度的鉴定应用于许多的方面，对居民饮用水的浊度要求要达标，天然水也离不开对浊度的检测，在工业工厂排除废水中，也需进行浊度、温度的初测，判断这一部分排放指标是否达标。在家庭生活中也可以在自动洗碗机，自动洗衣机中安装相应功能，来判断洗涤剂的投放量是否达标，以及水温是否适宜。第三章系统的整体设计方案3.1系统的整体框架统计因为STM32单片机的性能卓越，所以采用STM32F103单片机作为本设计的中央控制模块，以温度传感器模块和浊度传感器模块作为采集模块，被采集的数据将交由显示装置对其进行显示。对系统的硬件结构进行图示，可见图3-1。液晶显示单片机STM32F103蜂鸣器报警A/D转换浊度传感器液晶显示单片机STM32F103蜂鸣器报警A/D转换浊度传感器信号处理信号处理按键设置按键设置温度传感器温度传感器图3-1系统硬件结构框图3.2各模块功能浊度传感器模块进行浊度检测，会将信号进行多重转换，将最后获得的信号传输给单片机用以解析和整理。温度传感器模块进行温度方面的检测，可直接将所得信号输送给单片机。按键设置则可以设置监测浊度与温度的范围，如果超出这个范围，就会触发蜂鸣器报警。所有的数据经过单片机后，送入液晶屏进行显示。第四章系统硬件设计4.1温度传感器模块DS18B20由于其较为优越的性能和方便的使用方式被选为本次设计的温度传感器模块，它进行温度监测最低可以测量负55℃，最高可以测量125℃，其精度是0.5℃。与传统的温度传感器不同的是它可以将温度进行转化，将其变为数字信号。采用数字信号是有其优势的，可以直接将信号进行输送，单片机得到信号后，将信息呈现在显示器上。因为信息不论是送入还是送出，它只需要通过单线接口，所以DS18B20的连接十分方式十分方便，只用连接一条线以及地线。此温度传感器进行封装后，图为4-1。图4-1DS18B20的封装图温度检测主要通过两个计数器和一个寄存器进行计算。计数器1与寄存器需要预置值，用于进行温度的计算。两个计数器由不同的晶振送入相关脉冲。不断的输入信号后，进行对应的计算，最后得到温度值。此温度传感器原理图为图4-2。图4-2DS18B20原理图温度传感器在进行封装时会包含不锈钢保护管，这样做的目的是为了防止器件直接接触水源而导致器件受到损害。此温度传感器的实物图片为图4-3。图4-3DS18B20实物图4.2水浊度传感器模块大多数水浊度传感器都采用散射法原理。这种方式测量水样的混浊度时，会选取某种特定波长的光束。将其对水样进行照射操作，这时其浑浊度将会与光的散射强度的比值为某一常数，散射的光线主要是因为水中悬浮物的存在而产生。从正比关系中，我们可以得到水浊度的大小。该模块采用的90°散射法测量原理图为图4-4所示。图4-490°散射法测量原理水浊度传感器中的发光二极管采用了半导体，它是电流型器件。它通过恒流电源，以及脉冲供电。这样就可以用来减少因为受热而造成的影响。浊度值的获取需要进行对应的数据处理，这些数据要经过I/V转换电路和A/D转换器。输入到I/V转换电路的电流是发光二极管传来的，放大电路输出得到的电压，再进行滤波处理。之后得到的电压传给A/D转换器，将获得的信号在单片机中通过解析与整理后，最终得到需要的数值。测量采取的是90°散射法测量原理，环境温度可以是-5℃～+50℃，测量的范围是0~3000NTU。画出的水浊度传感器的原理图，即为图4-5。图4-5水浊度传感器原理图4.3主控制器电路设计4.3.1主控芯片主控芯片采用的是STM32F103C8T6。它的频率为72MHz，它可以在-40℃~85℃下工作。STM32引脚个数为48个。它内部存在四个定时器，用来实现定时功能。它还具有模数转换器，可进行A/D转换。为保证电路不受输入电压波动等的影响，内部采用了稳压芯片。在下载测试时可以通过两类编程工具进行。并且电流输出的上限较高。STM32单片机有许多的优势，尤其是为满足多点控制单元的需要进行了许多方面的优化处理。而且它拥有强大的计算性能，这使得它的运算速度很快，并且它的中断响应系统也非常的先进。将它运用在许多领域都都非常好的发展前景。STM32有丰富的引脚，各个引脚可以实现各种功能。有的引脚可以实现输入的功能，而输出功能部分引脚也可以实现。图4-6展示了各个引脚的名称和功能。图4-6STM32引脚图4.3.2最小系统当单片机可以正常的运行时，系统使用最少的器件，它就被称为最小系统。最小系统包括晶振、复位和电源电路。这里介绍最小系统中的前两种电路。4.3.2.1晶振电路晶振会提供给系统最基本的时钟信号。此系统的工作频率为72MHZ。晶振电路具体的连接方式可以看其电路图，图为4-7。图4-7晶振电路图4.3.2.2复位电路当系统刚开始启动的时候，需要电路处于起始状态，这样的操作通过复位电路运行。在系统复位或者上电操作时，应该控制其复位状态，防止输出错误指令从而进行错误的操作。此电路的连接可从电路图中看出，即图4-8。图4-8复位电路4.4显示模块字符型液晶的用处非常广泛，而且其32个字符可以一齐呈现，因此它被称为LCD1602。通过液晶的物理特性可以很好的对图像进行显示。使得LCD1602进示利用了电压，电压控制区域出现电流，通过电就可以显示出相应的图像。液晶屏显示器有很多的优点，它相对于其他显示屏比较薄。它采用集成电路技术比其他显示屏更容易。用它显示颜色十分清晰，并且当它进行显示的时候很稳定，不会出现闪烁的状况。它采用的接口为数字式，这就会在与单片机连接时更加容易。液晶分子需要进行极性变换，它们存在于液晶显示器上，显示器可以控制这种变换进行显示，因而体积比较小，重量也比较轻。在消耗能源方面，它的耗电量少。显示器的实物展示是图4-9。LCD1602的电路原理图为4-10。图4-9字符型LCD1602实物图图4-10字符型LCD1602原理图4.5电源模块电源模块分座子和开关两部分。由模块的供电可以使用5V电压。外部的电源应该连接到电源输入端上，也就是电源座子上，整个单片机的电源被六脚的开关控制。电源座子3口不用进行连接，重要的是2口和1口。其1口引脚与开关6口相连，其2口接地。电源开关选择输出端口为4、6口，则其接地为2口。该电源模块的电路图即为图4-12。图4-11电源电路原理图因为在使用过程中，单片机所需要的电压为3.3V。5V的电压直接使用会对单片机造成损害，所以主控芯片内部已经集成了5V电压转3.3V电压所需要的模块。该模块可看图4-12。图4-125V转3.3V电路图4.6整体硬件原理图本节展示该硬件部分的电路图。单片机与模块之间的相互连接，可以从该原理图中看出。其具体的原理图为图4-13。图4-13硬件原理图4.7小结本章节分别介绍了硬件部分的各个模块，首先是对温度进行测量的温度传感器模块，其次是对水质浊度进行测量的水浊度传感器模块，然后介绍了作为主控模块的STM32F103单片机，最后对显示模块和电源模块进行了说明，并且附上了各部分的原理图。在介绍系统的硬件部分时，也对各模块的选择进行了优点分析。并简单介绍了温度传感器模块的运算原理和水浊度传感器模块的监测原理，也简单介绍了STM32做为主控模块的部分引脚图。对各部分进行了分析介绍并对总体硬件进行总结。各部分进行连接形成总体的系统硬件结构组成。第五章系统软件设计5.1主程序设计各模块中程序运行要先进行初始化。模块中的定时器是其中的一部分，还包括I/O口、寄存器等部分；而且液晶显示器等也不可避免的要进行初始化这项工作。主程序进行初始化后，程序进行信息的获取和传输，最后通过显示屏显示得到的信息。在按下按键后则会对一些信息进行二次判断，这样就会对所测的水溶液的温度和浊度进行设置并根据所比较得到的信息采取分析和整理。其操作的流程图可看下图5-1。图5-1主程序流程图5.2子程序设计浊度传感器先进行相关数据检测，将得到的信号输送到单片机后，通过相应操作进行初始化。在完成操作后，将储存的数据调取系统并进行分析转换，可得到电压的数值。最后进行数据采集转化，得到浊度值。下图为浊度进行采集的流程图，即图5-2。图5-2浊度流程图5.3小结程序设计尽可能的以较为简洁的流程图的方式出现，使得软件设计思路较为简单易懂，且画法较为简单，结构十分清晰，逻辑性也较强。程序采取C语言编程，C语言作为初学语言，上手较为容易，方便灵活，数据类型较为丰富，适用范围比较广，效率也比较高。所以采取了C语言作为编程语言。总结与展望本文从国内和国外水质监测技术的现状出发，了解了水质监测的意义和目的，也体现了本设计的目的和意义。之后又对水质的各个方面进行了相关论述并对水质监测的各个方面进行原理上的了解，对如何深入，有利的进行水质数据的监测有了更深层次的理解和方式。在不断的的学习中，也成功的对学习的知识进行更深的掌握。本设计从硬件和软件两方面进行分析和构造。在硬件方面，进行了各个模块的分析取舍。从温度传感器的原理分析和水浊度传感器模块的原理分析及主控模块和显示模块的各引脚作用说明等方面，都进行了深度的思考和学习。在整体的框架下，以各个模块搭建出硬件整体的设计，画出了整体框架的原理图。也使得整个硬件的连接较为直观简洁。软件部分画出了主程序的流程图和浊度的流程图，能够较为简洁的了解整体流程，对程序的编写也有很大的作用。最后设计出可以监测水的浊度和温度的水质监测系统，在工业废水的处理和家庭对于洗衣机中换水等方面都可以发挥很大的作用。对于水质监测系统，也可以有更大更远的目标进行发展，可以考虑多点监测，总体联网上传的方式，将某流域的信息进行整合，从而对该流域进行更准确的判断，也可以对浊度、溶解氧的含量，PH值等更加多维度的进行监测，对该区域水质有着更全面多维度的分析，来减小仅仅靠浊度来进行判断而导致出现的误差。在准确度方面也可以继续提高，从而进行更加精确的科学实验时也可以进行使用。参考文献[1]郑杰.微型无线多参数水质传感器的研究与设计[D].东北石油大学,2020.000059.[2]黄鸿,陈杰,黄云彪.直接投入式水质浊度仪的设计与实现[J].自动化仪表,2019,40(07):18-23.[3]吴礼福等.基于STM32单片机的溶解氧测量仪[J].仪表技术与传感器,2017(08):28-31.[4]姚新和.基于STM32的水质监控系统的设计与实现[D].华南理工大学,2019.[5]修海