水质远程监测数据采集系统设计
2014-10-20蔡宛涛韩峰薛晓
蔡宛涛++韩峰++薛晓
摘 要：目前水质问题日益严重，且水质监测数据单一，不能很好反映污染情况，所以设计一个水质远程监测系统可以使水质监测工作系统化、信息化。设计的水质监测系统分为现场监测部分和水质监测中心机房部分。现场监测部分主要是现场水质监测采集模块和远程测控模块。水质监测中心部分就是带有数据记录储存的计算机，用于保存数据。本设计以水的酸碱度为主，温度为参考量，用单片机采集参数，通过485总线可与远程测控模块相连实现水质远程监测数据采集任务。
关键词：监测 单片机 酸碱度 温度
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0014-02
水质自动监测系统是20世纪70年代发展起来的，1966年纽约州安装了第一台水质自动化监测器，然后美国各州开始效仿，现在美国已有了以计算机为主体的、全国性的远程水质自动监测网。而我国对水质自动监测系统的研究始于80年代，我国传统的环境监测方法多是人工操作，主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。随着经济的飞速发展，现在我国已经建立全国重点流域水质在线监测系统，并且可以很好的监测水质变化，掌握水污染变化，但是我国各地区的监测水平不一致，重点流域和经济发达城市监测系统水平较高，已经开始和发达国家的技术接轨，但是偏远地区或经济不发达的地区监测系统水平较低，有些地方甚至还是采用人工监测的手段，我国的水质监测系统还需要很多完善。本设计针对监测问题提供一个可行的监测思路，使监测工作方便化、系统化。
1 系统设计思路
水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成。水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通的。现场监测模块首先通过各种传感器对反映设备工作状态的数据进行采集，并进行分析处理和判断，然后将结果数据进行缓存，通过与单片机相连的显示模块进行显示，实现即时显示的功能。现场监测采集模块再通过RS485总线与RTU模块相连通讯，RTU内含有专用的GSM模块，RTU先通过RS485总线把测得的数据进行收集，然后通过人为设定时间，按时将收到的水质数据通过GSM模块经过GSM无线网络发送短消息给监测中心站，实现水质远程监测无线传输。水质监测中心作用为数据监听、接收并将其与数据库进行连接，将数据保存到数据库中，完成了水质监测中心对水质参数的接收、保存及管理功能。设计思路框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 测量模块设计
系统以AT89C52作为主控单片机，温度传感器直接与AT89C52单片机相连完成温度的测量，而pH传感器则需要信号调理电路、抗干扰电路和A/D转换电路后能使单片机完成测量，然后测量结果可以在液晶显示模块即时显示，然后通过RS485总线传输出去。
2.2 单片机最小系统
系统以AT89C52最小系统为基础，AT89C52芯片为中心，在RST端口外接一复位电路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震荡电路，然后把VCC和EA端口接VCC。这样一单片机最小系统就成功了。此时单片机就能实行基本的功能，晶振可以为单片机提供时钟周期，复位电路可以解决重启问题，EA解决了单片机读取内部存储的问题，最后VCC和GND保证芯片工作。最小系统图略。
2.3 传感器
pH传感器采用复合电极，玻璃电极作为测量电极，甘汞电极作为参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也随着变化，这就是复合电极的测定原理。以玻璃电极为指示电极，银-氯化银电极为参比电极，将两种电极形成的复合电极插入待测溶液中，复合电极和待测溶液形成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别接原电池正极和负极。依据nernst方程，原电池的输出电动势与被测溶液pH值之间满足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E为原电池输出电动势，E0为常数，为与电极材料，内参比溶液，内参比电极以及电位有关的电位差，K为常数，为nernst系数，T为被测溶液的绝对温度，pHx是被测溶液的pH值，pH0为复合玻璃电极内缓冲溶液pH值。
2.5 抗干扰电路
由于信号放大电路很容易受到其他信号干扰，主要表现为工频干扰，对于谐波的干扰可通过低通滤波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干扰就需要一个陷波器。50Hz工频信号对信号采集有很大影响，必须除去。本设计采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号。电路的中心频率：f=1/2π RC。对于f>f0的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，信号可经过电容直接传输到运放的同相输入端即Ui=U+；对于f 2.6 12位A/D转换 TLC2543是12位分辩率A/D转换器，在工作温度范围内10μs转换时间，11个模拟输入通道，3路内置自测试方式；采样率为66kbps，线性误差±1LSBmax，有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了，其中CLK为输入/输出时钟端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了。TLC2543接单片机如图2所示。 3 系统软件设计 主程序中首先对系统的各个参数，变量，I/O口和串口进行了初始化。通过定时器精确计时产生中断，每中断一次即启动一次AD转换子程序，读取各个监测通道的测量信号。又通过调用温度检测子程序对测量值进行温度补偿处理测量信号。最后调用LCD1602显示子程序，将测量值显示出来。完成了对传感器测量信号的采集、处理和显示的主循环。同时把测得的数据进行保存，保存的位置为自定义的存储空间，以便查找使用，然后通过串口中断把数据发送给了RTU，RTU再发送数据给接收设备，整体主程序如图4所示。 4 结论 本文系统介绍了水质远程监测数据采集系统的设计方法。水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成，水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通，实现水质远程监测数据采集任务，对水质监测工作具有一定的参考价值。 参考文献 [1] 王凯军，贾立敏.城市污水生物处理新技术开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2001. [2] 郭鹏，孙玮，韩璞.基于手机短消息（SMS）的远程无线监控系统的研制[J].计算机测量与控制，2002：506-507. [3] 戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006. [4] Bates R G，Detemination of pH theory and practice[M].wiley.Water Environment Systems，1999. [5] 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩.Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真[M].北京清华大学出版社，2008.
摘 要：目前水质问题日益严重，且水质监测数据单一，不能很好反映污染情况，所以设计一个水质远程监测系统可以使水质监测工作系统化、信息化。设计的水质监测系统分为现场监测部分和水质监测中心机房部分。现场监测部分主要是现场水质监测采集模块和远程测控模块。水质监测中心部分就是带有数据记录储存的计算机，用于保存数据。本设计以水的酸碱度为主，温度为参考量，用单片机采集参数，通过485总线可与远程测控模块相连实现水质远程监测数据采集任务。
关键词：监测 单片机 酸碱度 温度
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0014-02
水质自动监测系统是20世纪70年代发展起来的，1966年纽约州安装了第一台水质自动化监测器，然后美国各州开始效仿，现在美国已有了以计算机为主体的、全国性的远程水质自动监测网。而我国对水质自动监测系统的研究始于80年代，我国传统的环境监测方法多是人工操作，主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。随着经济的飞速发展，现在我国已经建立全国重点流域水质在线监测系统，并且可以很好的监测水质变化，掌握水污染变化，但是我国各地区的监测水平不一致，重点流域和经济发达城市监测系统水平较高，已经开始和发达国家的技术接轨，但是偏远地区或经济不发达的地区监测系统水平较低，有些地方甚至还是采用人工监测的手段，我国的水质监测系统还需要很多完善。本设计针对监测问题提供一个可行的监测思路，使监测工作方便化、系统化。
1 系统设计思路
水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成。水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通的。现场监测模块首先通过各种传感器对反映设备工作状态的数据进行采集，并进行分析处理和判断，然后将结果数据进行缓存，通过与单片机相连的显示模块进行显示，实现即时显示的功能。现场监测采集模块再通过RS485总线与RTU模块相连通讯，RTU内含有专用的GSM模块，RTU先通过RS485总线把测得的数据进行收集，然后通过人为设定时间，按时将收到的水质数据通过GSM模块经过GSM无线网络发送短消息给监测中心站，实现水质远程监测无线传输。水质监测中心作用为数据监听、接收并将其与数据库进行连接，将数据保存到数据库中，完成了水质监测中心对水质参数的接收、保存及管理功能。设计思路框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 测量模块设计
系统以AT89C52作为主控单片机，温度传感器直接与AT89C52单片机相连完成温度的测量，而pH传感器则需要信号调理电路、抗干扰电路和A/D转换电路后能使单片机完成测量，然后测量结果可以在液晶显示模块即时显示，然后通过RS485总线传输出去。
2.2 单片机最小系统
系统以AT89C52最小系统为基础，AT89C52芯片为中心，在RST端口外接一复位电路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震荡电路，然后把VCC和EA端口接VCC。这样一单片机最小系统就成功了。此时单片机就能实行基本的功能，晶振可以为单片机提供时钟周期，复位电路可以解决重启问题，EA解决了单片机读取内部存储的问题，最后VCC和GND保证芯片工作。最小系统图略。
2.3 传感器
pH传感器采用复合电极，玻璃电极作为测量电极，甘汞电极作为参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也随着变化，这就是复合电极的测定原理。以玻璃电极为指示电极，银-氯化银电极为参比电极，将两种电极形成的复合电极插入待测溶液中，复合电极和待测溶液形成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别接原电池正极和负极。依据nernst方程，原电池的输出电动势与被测溶液pH值之间满足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E为原电池输出电动势，E0为常数，为与电极材料，内参比溶液，内参比电极以及电位有关的电位差，K为常数，为nernst系数，T为被测溶液的绝对温度，pHx是被测溶液的pH值，pH0为复合玻璃电极内缓冲溶液pH值。
2.5 抗干扰电路
由于信号放大电路很容易受到其他信号干扰，主要表现为工频干扰，对于谐波的干扰可通过低通滤波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干扰就需要一个陷波器。50Hz工频信号对信号采集有很大影响，必须除去。本设计采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号。电路的中心频率：f=1/2π RC。对于f>f0的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，信号可经过电容直接传输到运放的同相输入端即Ui=U+；对于f 2.6 12位A/D转换 TLC2543是12位分辩率A/D转换器，在工作温度范围内10μs转换时间，11个模拟输入通道，3路内置自测试方式；采样率为66kbps，线性误差±1LSBmax，有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了，其中CLK为输入/输出时钟端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了。TLC2543接单片机如图2所示。 3 系统软件设计 主程序中首先对系统的各个参数，变量，I/O口和串口进行了初始化。通过定时器精确计时产生中断，每中断一次即启动一次AD转换子程序，读取各个监测通道的测量信号。又通过调用温度检测子程序对测量值进行温度补偿处理测量信号。最后调用LCD1602显示子程序，将测量值显示出来。完成了对传感器测量信号的采集、处理和显示的主循环。同时把测得的数据进行保存，保存的位置为自定义的存储空间，以便查找使用，然后通过串口中断把数据发送给了RTU，RTU再发送数据给接收设备，整体主程序如图4所示。 4 结论 本文系统介绍了水质远程监测数据采集系统的设计方法。水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成，水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通，实现水质远程监测数据采集任务，对水质监测工作具有一定的参考价值。 参考文献 [1] 王凯军，贾立敏.城市污水生物处理新技术开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2001. [2] 郭鹏，孙玮，韩璞.基于手机短消息（SMS）的远程无线监控系统的研制[J].计算机测量与控制，2002：506-507. [3] 戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006. [4] Bates R G，Detemination of pH theory and practice[M].wiley.Water Environment Systems，1999. [5] 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩.Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真[M].北京清华大学出版社，2008.
摘 要：目前水质问题日益严重，且水质监测数据单一，不能很好反映污染情况，所以设计一个水质远程监测系统可以使水质监测工作系统化、信息化。设计的水质监测系统分为现场监测部分和水质监测中心机房部分。现场监测部分主要是现场水质监测采集模块和远程测控模块。水质监测中心部分就是带有数据记录储存的计算机，用于保存数据。本设计以水的酸碱度为主，温度为参考量，用单片机采集参数，通过485总线可与远程测控模块相连实现水质远程监测数据采集任务。
关键词：监测 单片机 酸碱度 温度
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0014-02
水质自动监测系统是20世纪70年代发展起来的，1966年纽约州安装了第一台水质自动化监测器，然后美国各州开始效仿，现在美国已有了以计算机为主体的、全国性的远程水质自动监测网。而我国对水质自动监测系统的研究始于80年代，我国传统的环境监测方法多是人工操作，主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。随着经济的飞速发展，现在我国已经建立全国重点流域水质在线监测系统，并且可以很好的监测水质变化，掌握水污染变化，但是我国各地区的监测水平不一致，重点流域和经济发达城市监测系统水平较高，已经开始和发达国家的技术接轨，但是偏远地区或经济不发达的地区监测系统水平较低，有些地方甚至还是采用人工监测的手段，我国的水质监测系统还需要很多完善。本设计针对监测问题提供一个可行的监测思路，使监测工作方便化、系统化。
1 系统设计思路
水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成。水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通的。现场监测模块首先通过各种传感器对反映设备工作状态的数据进行采集，并进行分析处理和判断，然后将结果数据进行缓存，通过与单片机相连的显示模块进行显示，实现即时显示的功能。现场监测采集模块再通过RS485总线与RTU模块相连通讯，RTU内含有专用的GSM模块，RTU先通过RS485总线把测得的数据进行收集，然后通过人为设定时间，按时将收到的水质数据通过GSM模块经过GSM无线网络发送短消息给监测中心站，实现水质远程监测无线传输。水质监测中心作用为数据监听、接收并将其与数据库进行连接，将数据保存到数据库中，完成了水质监测中心对水质参数的接收、保存及管理功能。设计思路框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 测量模块设计
系统以AT89C52作为主控单片机，温度传感器直接与AT89C52单片机相连完成温度的测量，而pH传感器则需要信号调理电路、抗干扰电路和A/D转换电路后能使单片机完成测量，然后测量结果可以在液晶显示模块即时显示，然后通过RS485总线传输出去。
2.2 单片机最小系统
系统以AT89C52最小系统为基础，AT89C52芯片为中心，在RST端口外接一复位电路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震荡电路，然后把VCC和EA端口接VCC。这样一单片机最小系统就成功了。此时单片机就能实行基本的功能，晶振可以为单片机提供时钟周期，复位电路可以解决重启问题，EA解决了单片机读取内部存储的问题，最后VCC和GND保证芯片工作。最小系统图略。
2.3 传感器
pH传感器采用复合电极，玻璃电极作为测量电极，甘汞电极作为参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也随着变化，这就是复合电极的测定原理。以玻璃电极为指示电极，银-氯化银电极为参比电极，将两种电极形成的复合电极插入待测溶液中，复合电极和待测溶液形成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别接原电池正极和负极。依据nernst方程，原电池的输出电动势与被测溶液pH值之间满足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E为原电池输出电动势，E0为常数，为与电极材料，内参比溶液，内参比电极以及电位有关的电位差，K为常数，为nernst系数，T为被测溶液的绝对温度，pHx是被测溶液的pH值，pH0为复合玻璃电极内缓冲溶液pH值。
2.5 抗干扰电路
由于信号放大电路很容易受到其他信号干扰，主要表现为工频干扰，对于谐波的干扰可通过低通滤波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干扰就需要一个陷波器。50Hz工频信号对信号采集有很大影响，必须除去。本设计采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号。电路的中心频率：f=1/2π RC。对于f>f0的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，信号可经过电容直接传输到运放的同相输入端即Ui=U+；对于f 2.6 12位A/D转换 TLC2543是12位分辩率A/D转换器，在工作温度范围内10μs转换时间，11个模拟输入通道，3路内置自测试方式；采样率为66kbps，线性误差±1LSBmax，有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了，其中CLK为输入/输出时钟端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了。TLC2543接单片机如图2所示。 3 系统软件设计 主程序中首先对系统的各个参数，变量，I/O口和串口进行了初始化。通过定时器精确计时产生中断，每中断一次即启动一次AD转换子程序，读取各个监测通道的测量信号。又通过调用温度检测子程序对测量值进行温度补偿处理测量信号。最后调用LCD1602显示子程序，将测量值显示出来。完成了对传感器测量信号的采集、处理和显示的主循环。同时把测得的数据进行保存，保存的位置为自定义的存储空间，以便查找使用，然后通过串口中断把数据发送给了RTU，RTU再发送数据给接收设备，整体主程序如图4所示。 4 结论 本文系统介绍了水质远程监测数据采集系统的设计方法。水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成，水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通，实现水质远程监测数据采集任务，对水质监测工作具有一定的参考价值。 参考文献 [1] 王凯军，贾立敏.城市污水生物处理新技术开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2001. [2] 郭鹏，孙玮，韩璞.基于手机短消息（SMS）的远程无线监控系统的研制[J].计算机测量与控制，2002：506-507. [3] 戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006. [4] Bates R G，Detemination of pH theory and practice[M].wiley.Water Environment Systems，1999. [5] 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩.Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真[M].北京清华大学出版社，2008.
