環(huán)境水質(zhì)多參數(shù)檢測儀的控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)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(shè)計(jì)</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(chǔ),飲水安全則是影響人體健康和國計(jì)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(dǎo)致人類周圍的水環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和危害著人類的健康。嚴(yán)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的目標(biāo)。</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(jià)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(xiàng)目可分為兩大類：一類是反映水質(zhì)狀況的綜合指標(biāo)，如溫度、色度、濁度、pH值、電導(dǎo)率、懸浮物、溶解氧、化學(xué)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(jī)農(nóng)藥等。為客觀的評價(jià)江河和海洋水質(zhì)的狀況，除上述監(jiān)測項(xiàng)目外，有時(shí)需進(jìn)行流速和流量的測定。</p><p>　　水質(zhì)的檢測具有實(shí)時(shí)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(shí)的檢測到污染物的種類和含量能有效

5、的預(yù)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(hù)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(shí)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)，對水資源的保護(hù)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(shí)施至今。</p><p>　　對水質(zhì)設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)將有助于我們對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，世界范圍內(nèi)具有代表性的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有3部：世界衛(wèi)生組織（WHO）的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)》。其它國家或地區(qū)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)大都以這三種標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)或重要參考，來制定本國國家標(biāo)準(zhǔn)。</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(dòng)監(jiān)測在國外起步較早。1959年美國開始對俄亥俄河進(jìn)行水質(zhì)自動(dòng)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(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)；1966年安裝了第一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測自動(dòng)電化學(xué)監(jiān)測器；1973年全國水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)分為12個(gè)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)，每個(gè)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)由4—15個(gè)自動(dòng)監(jiān)測站組成；1975年在全國各州共有13000個(gè)監(jiān)測站建成為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)。在這些流域和各州(地區(qū))分布設(shè)

8、置的監(jiān)測網(wǎng)中，由150個(gè)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(jì)70年代已有便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀出售，但屬于瞬時(shí)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(shè)備方面，廣泛應(yīng)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(yùn)算，水質(zhì)監(jiān)測完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。目前，世界上已建成的WPMS類型較多，既有全自動(dòng)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，也

9、有半自動(dòng)脫機(jī)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(huì)社等都生產(chǎn)有技術(shù)成熟的在線水質(zhì)自動(dòng)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(biāo)為基礎(chǔ)的，包括水溫、混濁度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總需氧量和總有機(jī)碳等。 </p><p>　　國內(nèi)發(fā)展概述 ：我國在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測、移動(dòng)快速分析等預(yù)警預(yù)報(bào)體系建設(shè)方面

10、正處在探索階段。作為試點(diǎn)，于1988年在天津設(shè)立了第一個(gè)水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)中心站和4個(gè)子站。1995年以后作為試點(diǎn)，上海、北京等地也先后建立了水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測站。1998年以來，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的建設(shè)有了較快的發(fā)展，已先后在七大水系的十個(gè)重點(diǎn)流域建成了42個(gè)地表水水質(zhì)自動(dòng)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(gè)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。所用的自動(dòng)監(jiān)測儀多為國外進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，且運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。雖然近年來進(jìn)口

11、設(shè)備價(jià)格有所下降，但每套價(jià)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(dòng)化監(jiān)測裝置。例如，河海大學(xué)研制了CODCr自動(dòng)監(jiān)測儀，我國老字號(hào)的儀器廠如上海雷磁廠正在進(jìn)行探頭式自動(dòng)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(jì)劃在全國主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站達(dá)到100個(gè)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測周報(bào)。國內(nèi)在水質(zhì)自動(dòng)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》（HJ/T 96－104-2003），并于2003年7月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)共包括9個(gè)水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)分析儀技術(shù)要求，即pH、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷和總有機(jī)碳（TOC），這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，保

13、證了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)范化，將會(huì)大大促進(jìn)我國水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　隨著水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，相應(yīng)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(gè)不同方向的發(fā)展：</p><p>　?。?）對于儀器方法的精度、準(zhǔn)確度，尤其檢出限要求越來越高，因?yàn)殡S著水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高，水質(zhì)指標(biāo)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(jìn)儀器進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)展，提高靈敏度和檢出限。

14、</p><p>　　（2）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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到規(guī)定的要求。這種要求促進(jìn)監(jiān)測技術(shù)在兩個(gè)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(shí)間；另一方面是促進(jìn)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(yīng)用。</p><p><

15、b>　　3課題研究目的</b></p><p>　　實(shí)時(shí)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(fù)雜和所需時(shí)間等諸多問題，自動(dòng)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(dòng)的對水質(zhì)進(jìn)行采樣、預(yù)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(diǎn)。在水質(zhì)污染嚴(yán)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(shí)也可用于建立起常年連續(xù)工作的環(huán)境水質(zhì)自動(dòng)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(jìn)行在線檢測的儀器裝置，需要對我們所學(xué)課程進(jìn)行更深的認(rèn)識(shí)，在我們現(xiàn)有知識(shí)中需要用到化學(xué)預(yù)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(xué)光譜分析基本知識(shí)。也需要對現(xiàn)有儀器（微型光譜儀）有所了解，這對我們實(shí)現(xiàn)課題研究必不可少。單片機(jī)原理及應(yīng)用是設(shè)計(jì)的中

17、心組成部分，由于我們設(shè)計(jì)儀器的復(fù)雜性功能要求，因此我們在設(shè)計(jì)上，對單片機(jī)的知識(shí)也是很需要的。</p><p><b>　　4總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1實(shí)現(xiàn)功能 </b></p><p>　　此次課題設(shè)計(jì)要求實(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(jìn)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(yīng)管內(nèi)回流消解后，置入分光光度計(jì)中測定吸光度，結(jié)果表明：該法于標(biāo)準(zhǔn)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(huì)流水試劑用量少，能夠減少二次污染，同時(shí)體積小，攜帶方便，不僅能用于實(shí)驗(yàn)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(jìn)行檢測。</p><p><b>　　4.3實(shí)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(jìn)行定性和定量分析的方法。 </p><p>　　在分光光度計(jì)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(shí)，便可得到與眾不同波長相對應(yīng)的吸收強(qiáng)度。如以波長

21、（λ）為橫坐標(biāo)，吸收強(qiáng)度（A）為縱坐標(biāo)，就可繪出該物質(zhì)的吸收光譜。利用該曲線進(jìn)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(chǔ) </p><p>　　此次課題設(shè)計(jì)方案基于所學(xué)知識(shí)的深入了解及熟練運(yùn)用，將理論基礎(chǔ)與實(shí)際運(yùn)用結(jié)合起來解決面臨的問題

22、，首先對水質(zhì)采樣預(yù)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(jī)的嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hào)的起點(diǎn)，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(shí)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(qiáng)足夠大等特點(diǎn)。</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(jìn)行充分混合并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中產(chǎn)生試劑顏色的變化，然后利用反應(yīng)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(fù)合光由光

24、纖頭通過光纖導(dǎo)入光譜儀后，投射到全息凹面光柵進(jìn)行分光，由CCD陣列將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過USB或串口輸出到嵌入式ARM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作包括處理、存儲(chǔ)和傳送的功能的實(shí)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(yīng)前的光譜和反應(yīng)后的光譜進(jìn)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(jī)對話的界面去供分析者使用。</p><p>　　人機(jī)對話：使用者輸入指令對需要檢測的物質(zhì)

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

26、<p>　　4.4單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)原理</p><p>　　基于雙單片機(jī)的控制電路在系統(tǒng)中完成對整個(gè)檢測過程中的實(shí)際操作，即實(shí)現(xiàn)采樣，添加試劑，添加蒸餾水，控制步進(jìn)電機(jī)使光路對準(zhǔn)各個(gè)檢測樣品反應(yīng)池。同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)實(shí)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(jìn)行反應(yīng)，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(jìn)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(gè)單片機(jī)難以滿足對如此多個(gè)元件控制以及對限位閥的信號(hào)接收，故我們采用了如下的多個(gè)單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)，下圖所示、</p><p>　　我們所采用的設(shè)計(jì)思想是利用一片單片機(jī)作為主控單片機(jī)，負(fù)責(zé)相關(guān)的所有檢測工作的流程控制以及部分的機(jī)械方面的控制，在添加另一塊單片機(jī)用于電路中作為核心子模塊，負(fù)責(zé)三通電磁閥以及各個(gè)蠕動(dòng)泵。實(shí)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(jī)發(fā)出選通信號(hào)后，輔助單片機(jī)則將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的選通地址，達(dá)到控制對應(yīng)的蠕動(dòng)泵進(jìn)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)。 </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(dāng)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(shí)，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(yīng)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(shí)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(jìn)程安排</b></p><p><b>　　詞條圖冊更多圖冊</b></p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1] Antonio Canals,Angel Cuesta,Luis Gras,e

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