近年來(lái)，由于國(guó)際上一些地區(qū)和國(guó)家頻繁發(fā)生惡性事件，飲水安全和衛(wèi)生問(wèn)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(wèn)題，所以水資源的保護(hù)成了我國(guó)重中之重的一個(gè)問(wèn)題，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)峻的水形勢(shì)提高了人們對(duì)水污染控制的重視，對(duì)廢水的處理和檢測(cè)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(duì)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。

　　多年以來(lái)，我國(guó)的環(huán)境監(jiān)理工作一直采用人工采集、分析數(shù)據(jù)、手工匯總制表等工作手段，由于采樣間隔時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)分析匯總慢，傳遞不及時(shí)，難以對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境現(xiàn)狀正確、及時(shí)地進(jìn)行整體把握。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的耳境監(jiān)測(cè)部門也逐漸將城市水質(zhì)參數(shù)與污水流量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)列入近期實(shí)施計(jì)劃內(nèi)，但從事水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)研究的極少，我國(guó)最早研究水質(zhì)檢測(cè)儀器的上海雷磁儀器廠，曾經(jīng)研制出SJG一704型在線式pH、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率和溫度五項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)儀器：北京市水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心與北京市水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所聯(lián)合研制了“北京市地下水和地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”。但是，迄今為止，還沒(méi)有一種普遍適用于基層水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膬x器設(shè)備在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

　　水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WQMS(Water Quality Monitoring System)以監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染綜合指標(biāo)及其某些特定項(xiàng)目為基礎(chǔ)，通過(guò)在一個(gè)水系或一個(gè)地區(qū)設(shè)置若干個(gè)有連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)站，由一個(gè)中心站控制若干個(gè)子站，隨時(shí)對(duì)該區(qū)的水質(zhì)污染狀況進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的，在美國(guó)、英國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)已有相當(dāng)規(guī)模的廣泛應(yīng)用，并被納入至網(wǎng)絡(luò)化的“環(huán)境評(píng)價(jià)體系”和“自然災(zāi)害防御體系”。一則可為綜合評(píng)價(jià)水功能區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，二則可迅速發(fā)現(xiàn)突發(fā)性水質(zhì)污染事故或天災(zāi)，將水域異常水質(zhì)情況、污染傳播源及影響規(guī)模通過(guò)系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)傳至控制中心，為決策部門把握災(zāi)害的性質(zhì)狀態(tài)，從而制定災(zāi)害的防治對(duì)策提供依據(jù)。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用美國(guó)GLOBAL WATER公司的wQ系列水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)傳感器，自行設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)完整的水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。

　　在研制的過(guò)程中，選取ATmega16單片機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的核心器件，配合相關(guān)的外圍電路，將水質(zhì)傳感器監(jiān)測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA/0—5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，變成代表實(shí)際化學(xué)或物理量的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，以供現(xiàn)場(chǎng)人員的觀測(cè)、記錄和分析。這部分也可作為一個(gè)獨(dú)立的智能儀表，即水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)儀使用。

　　在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，把基層監(jiān)測(cè)部門作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心，而把轄區(qū)內(nèi)各污染物排放企業(yè)作為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)便是網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器。監(jiān)控中心的服務(wù)器和各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀都是通過(guò)調(diào)制解調(diào)接入GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)(SMS)進(jìn)行信息交換與數(shù)據(jù)傳輸。

　　在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示監(jiān)控中心和和各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的位置，用數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)或者在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)做出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為有關(guān)部門的分析和決策提供科學(xué)依據(jù)。

　　本系統(tǒng)是基于AT單片機(jī)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，硬件電路主要包括傳感器的選取，單片機(jī)的選取與應(yīng)用，A/D轉(zhuǎn)換的選用，電源設(shè)計(jì)，顯示部分設(shè)計(jì)等;軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)顯示模塊顯示。傳感器采集目標(biāo)對(duì)象的信息，將信息送到A/D的模擬通道中，由單片機(jī)通過(guò)程序?qū)⒔?jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信息讀到自己內(nèi)部的寄存器中，單片機(jī)通過(guò)自己內(nèi)部的ROM中的程序，將輸入的信息處理，然后將得到的信息通過(guò)顯示裝置顯示出來(lái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 單片機(jī)選型

　　單片機(jī)也被稱為微控制器，它在很多智能控制系統(tǒng)都有廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)是電腦CPU的小型化。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。ATmega16 具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

　　本系統(tǒng)采用ATmega16芯片作為核心，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。AVR有一個(gè)靈活的中斷模塊。控制寄存器位于I/O空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個(gè)中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級(jí)越高。I/O 存儲(chǔ)器空間包含64 個(gè)可以直接尋址的地址，作為CPU 外設(shè)的控制寄存器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為寄存器文件之后的地址0x20-0x5F。

　　2.2 復(fù)位電路和晶振電路

　　單片機(jī)若要正常工作，還需要有一些必要的外圍電路，才能正常的工作。比如復(fù)位電路和晶振電路就是單片機(jī)必要的外圍的電路。

　　(1)復(fù)位電路

　　單片機(jī)的復(fù)位如同計(jì)算機(jī)的重啟一樣，任何單片機(jī)工作之前都要有一個(gè)復(fù)位的過(guò)程，對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，復(fù)位是單片機(jī)還沒(méi)有執(zhí)行程序之前而做的準(zhǔn)備工作。一般單片機(jī)的復(fù)位只需要5ms的時(shí)間。

　　復(fù)位電路是典型的單片機(jī)系統(tǒng)的外部電路，基本的復(fù)位電路一般采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種復(fù)位方式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位電路，方便并且可以對(duì)單片機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行直接重啟。

　　(2)晶振電路

　　與復(fù)位電路一樣，晶振電路同樣是單片機(jī)系統(tǒng)的典型外圍電路。單片機(jī)的工作，是從ROM中讀取指令，然后執(zhí)行的過(guò)程。單片機(jī)訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器的時(shí)間，稱為一個(gè)機(jī)器周期，作為單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)。沒(méi)有晶振，就沒(méi)有時(shí)鐘周期，沒(méi)有時(shí)鐘周期，就無(wú)法執(zhí)行程序，單片機(jī)就無(wú)法工作。因此，晶振可以說(shuō)是單片機(jī)系統(tǒng)的心臟。本系統(tǒng)采用的晶振頻率為12MHz。

　　晶振電路一般可以分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式的晶振電路。

　　2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能要求對(duì)待測(cè)場(chǎng)所的環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，因此，需要有顯示電路的設(shè)計(jì)，來(lái)完成這一功能。

　　(1)數(shù)碼管介紹

　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管一般用做簡(jiǎn)單顯示輸出設(shè)備，一般用于顯示數(shù)字和簡(jiǎn)單信息。LED數(shù)碼管顯示器具有顯示清晰、亮度高、操作簡(jiǎn)單、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，基本可以滿足普通單片機(jī)系統(tǒng)的需要而被廣泛使用。

　　LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管按一定的結(jié)構(gòu)排列而成的顯示器件。通常使用的是帶有小數(shù)點(diǎn)的8段數(shù)碼管，分為共陽(yáng)極和共陰極數(shù)碼管兩種。

表1 數(shù)字字符對(duì)應(yīng)共陰極和共陽(yáng)極字段碼

　　2.4 傳感器的選擇

　　變光型濁度傳感器原理：當(dāng)被測(cè)物質(zhì)濁度變化時(shí)，使光源的強(qiáng)度隨之變化，光源的強(qiáng)度可對(duì)應(yīng)到被測(cè)物質(zhì)的濁度。當(dāng)液體濁度增加時(shí)，由于液體阻礙增強(qiáng)，光的通過(guò)率低，光敏電阻器接受光線弱。當(dāng)液體濁度下降時(shí)，光敏電阻器接受光線強(qiáng)。讓傳感器接收到的光信號(hào)強(qiáng)度一定，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)濁度發(fā)生變化時(shí)，使光源的強(qiáng)度隨之變化，光源強(qiáng)度可對(duì)應(yīng)到被測(cè)物的濁度。

　　變光型濁度傳感器的結(jié)構(gòu)：傳感器由光敏電阻器、平衡檢測(cè)器、固定電源、反饋控制、可調(diào)電源、光源和外殼等組成，本傳感器的最主要的特點(diǎn)就是要求2個(gè)光敏電阻器的阻值相等，也就是他們接受的光強(qiáng)一樣，如不同平衡檢測(cè)器能識(shí)別出來(lái)，然后，由反饋控制產(chǎn)生信號(hào)調(diào)整可調(diào)電源，從而調(diào)整光源的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。

　　此傳感器具有量程寬、標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、體積小等特點(diǎn)，該傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是在高渾濁度時(shí)分辨率比低渾濁度高，可滿足一些特殊的測(cè)量要求。

表2 傳感器的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

　　2.5 A/D轉(zhuǎn)換的選用

　　由于單片機(jī)只能識(shí)別數(shù)字信號(hào)所以必把傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，因此，在智能儀器的輸入通道中加入能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的芯片即A/D轉(zhuǎn)換芯片。使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)需要根據(jù)實(shí)際所需精度與分辨率的不同選擇不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片，確定采樣頻率，保證單片機(jī)的實(shí)時(shí)行要求。由于環(huán)境對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器存在一定影響，一次在選擇A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)候必須考慮環(huán)境因素。還應(yīng)根據(jù)單片機(jī)接口特征選擇A/D轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)。 A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口一般要完成的操作有單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，單片機(jī)取回轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)，讀取需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。由于A/D轉(zhuǎn)換對(duì)于提高數(shù)據(jù)精度具有較大影響，因此需要選擇一款精度較高的器件，所以本次采用ADC0832作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。

　　ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高，其目前已經(jīng)有很高的普及率。

　　ADC0832 具有以下特點(diǎn)：

　　(1)8位分辨率;

　　(2)雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換;

　　(3)輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容;

　　(4)5V 電供電時(shí)輸入電壓在 0~5V 之間;

　　(5)工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32μS;

　　(6)一般功耗僅為 15mW;

　　(7)8P、14P—DIP(雙列直插) 、PICC 多種封裝;

　　(8)商用級(jí)芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為?40°C to +85°C

　　單片機(jī)對(duì)ADC0832的控制原理：正常情況下單片機(jī)與ADC0832的接口應(yīng)該為4條數(shù)據(jù)線，分別是DI、CS、DO、CLK。但因?yàn)镈I端和DO端在通信時(shí)未同時(shí)有效地并與單片機(jī)的接口是雙向的，固電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DI和DO并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。

　　3 監(jiān)控中心應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控中心應(yīng)用程序的主體框圖如圖2所示。該程序采用VB6.0設(shè)計(jì)用戶界面，整個(gè)程序中各子模塊的功能可以通過(guò)相應(yīng)的操作菜單體現(xiàn)出來(lái)。監(jiān)控中心應(yīng)用程序的

　　主程序模塊主要由文件、視圖、設(shè)置、監(jiān)控、工具、維護(hù)和幫助等子模塊組成。

圖2 監(jiān)控中心應(yīng)用程序主體框圖

　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，用ATmega16單片機(jī)作控制系統(tǒng)核心，將傳感器和數(shù)據(jù)采集元件有效的組合在一起進(jìn)行使用，本設(shè)計(jì)配置了兩套傳感器殼用于檢測(cè)渾濁度和自由離子濃度，預(yù)留有外擴(kuò)接口可通過(guò)增加傳感器，方便的檢測(cè)水中的PH值和溶解氧等。