近年來，由于國際上一些地區(qū)和國家頻繁發(fā)生惡性事件，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，所以水資源的保護(hù)成了我國重中之重的一個問題，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。

　　多年以來， 我國的環(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，由于采樣間隔時間長，數(shù)據(jù)分析匯總慢，傳遞不及時，難以對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境現(xiàn)狀正確、及時地進(jìn)行整體把握。近年來，國內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測部門也逐漸將城市水質(zhì)參數(shù)與污水流量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)列入近期實(shí)施計(jì)劃內(nèi)，但從事水質(zhì)參數(shù)檢測研究的極少，我國最早研究水質(zhì)檢測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)檢測儀器;北京市水環(huán)境監(jiān)測中心與北京市水電科學(xué)研究院自動化所聯(lián)合研制了“北京市地下水和地表水水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”。但是，迄今為止，還沒有一種普遍適用于基層水環(huán)境在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膬x器設(shè)備在國內(nèi)生產(chǎn)。

　　水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)WQMS (W at e r Qu ality Monitoring System)以監(jiān)測水質(zhì)污染綜合指標(biāo)及其某些特定項(xiàng)目為基礎(chǔ)，通過在一個水系或一個地區(qū)設(shè)置若干個有連續(xù)自動監(jiān)測儀器的監(jiān)測站，由一個中心站控制若干個子站，隨時對該區(qū)的水質(zhì)污染狀況進(jìn)行連續(xù)自動監(jiān)測，形成一個連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)。

　　水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，在美國、英國、日本、荷蘭等國已有相當(dāng)規(guī)模的廣泛應(yīng)用， 并被納入至網(wǎng)絡(luò)化的“環(huán)境評價(jià)體系”和“自然災(zāi)害防御體系”。一則可為綜合評價(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GLOBAL WATER公司的WQ系列水質(zhì)參數(shù)檢測傳感器，自行設(shè)計(jì)了現(xiàn)場參數(shù)在線監(jiān)測子系統(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)成一個完整的水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測及遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。

　　在研制的過程中，選取ATmega16單片機(jī)作為現(xiàn)場參數(shù)在線監(jiān)測子系統(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)測到的電信號轉(zhuǎn)換成4-20mA/0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過數(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)場人員的觀測、記錄和分析。這部分也可作為一個獨(dú)立的智能儀表，即水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測儀使用。

　　在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)時，把基層監(jiān)測部門作為系統(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)測站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測儀都是通過調(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)測站點(diǎn)的位置，用數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)時監(jiān)測每一項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)或者在一段時間內(nèi)對部分?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)測結(jié)果通過顯示模塊顯示。傳感器采集目標(biāo)對象的信息，將信息送到A/D的模擬通道中，由單片機(jī)通過程序?qū)⒔?jīng)過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顯示裝置顯示出來。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　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)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，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(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程“看門狗”定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

　　圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　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時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(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有一個靈活的中斷模塊?？刂萍拇嫫魑挥贗/O空間。狀態(tài)寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。I/O 存儲器空間包含64 個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復(fù)位的過程，對于單片機(jī)來說，復(fù)位是單片機(jī)還沒有執(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)行的過程。單片機(jī)訪問一次存儲器的時間，稱為一個機(jī)器周期，作為單片機(jī)工作的時間基準(zhǔn)。沒有晶振，就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序，單片機(jī)就無法工作。因此，晶振可以說是單片機(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)部時鐘方式和外部時鐘方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式的晶振電路。

　　2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能要求對待測場所的環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控和顯示，因此，需要有顯示電路的設(shè)計(jì)，來完成這一功能。

表 1 數(shù)字字符對應(yīng)共陰極和共陽極字段碼

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

　　(1)數(shù)碼管介紹

　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管一般用做簡單顯示輸出設(shè)備，一般用于顯示數(shù)字和簡單信息。LED數(shù)碼管顯示器具有顯示清晰、亮度高、操作簡單、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，分為共陽極和共陰極數(shù)碼管兩種。(見表1)

　　2.4 傳感器的選擇

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

　　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，如不同平衡檢測器能識別出來，然后，由反饋控制產(chǎn)生信號調(diào)整可調(diào)電源，從而調(diào)整光源的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)這一要求。

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

　　(見表2)

　　2.5 A/D轉(zhuǎn)換的選用

　　由于單片機(jī)只能識別數(shù)字信號所以必把傳感器輸出的模擬信號進(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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的芯片即A/D轉(zhuǎn)換芯片。使用A/D轉(zhuǎn)換器時需要根據(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)時行要求。由于環(huán)境對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)出啟動轉(zhuǎn)換信號，單片機(jī)取回轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號，讀取需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。由于A/D轉(zhuǎn)換對于提高數(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。

　　圖 2 監(jiān)控中心應(yīng)用程序主體框圖

　　ADC0832 是美國國家半導(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 電供電時輸入電壓在 0~5V 之間;

　　(5)工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32μS; (6) 一 般 功 耗 僅 為 15mW; (7)8P、14P—DIP(雙列直插) 、PICC 多種封裝; (8)商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級芯片溫寬為?40°C to +85°C。

　　單片機(jī)對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端在通信時未同時有效地并與單片機(jī)的接口是雙向的，故電路設(shè)計(jì)時可以將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，整個程序中各子模塊的功能可以通過相應(yīng)的操作菜單體現(xiàn)出來。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。

　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用C語言編程，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渾濁度和自由離子濃度，預(yù)留有外擴(kuò)接口可通過增加傳感器，方便的檢測水中的PH值和溶解氧等。