新颖废水取样/留样器与配套数据采集传输仪设计

摘要

随着我国水环境污染问题的不断恶化，各级政府对各类企业废水污染物排放的监测与管理日益重视，持续加大对监测系统的投入。污染源监测系统一般由各类在线分析仪器组成，然而相关法律规定此类仪器的监测数据只能作为参考，只有现场采集水样的化验结果才能作为处罚依据。取样/留样器用于对废水进行水样采集与留存，供环境监测部门化验分析。由于缺乏有效的高实时性连续监测手段，现有的留样方式一般间隔1～2个小时定期留样，或对根据现场分析仪器的分析结果进行超标留样。常见分析仪器多采用化学方法，分析周期很长，导致所留存的水样无法准确反应排污企业的排污情况。
　　有鉴于此，设计一套可对废水浓度峰值水样进行准确留存的取样/留样器，将有效提高污染源废水留样的准确性与监管力度。本课题提出一种全新的COD（化学需氧量）峰值留样方法，并设计了废水取样/留样器及其配套数据采集传输仪样机。废水取样/留样控制器以STM32F103为嵌入式处理器，通过低成本的吸光度测量模块实时监测废水的UV254数值变化，得到COD的相对变化趋势，从而抓取一个留样周期内的COD峰值水样进行留存，并将峰值水样送至监测点已普遍配备的重铬酸钾法分析仪进行精确的COD分析。通过这种方法，以很低的成本实现对COD的高实时性变化趋势监测并抓取其峰值进行留样，从而为环境监测部门提供有效可靠的监管手段。与之配套的数据采集传输仪以ARM9-S3C2440为处理器，基于Linux操作系统开发，不仅兼容本系统的高实时性数据通信与存储，还符合国家标准HJ477-2009、HJ/T212-2005所规定的技术要求与通信协议。
　　本学位论文共分五章，第一章介绍了课题的研究背景、国内外废水留样系统的研究现状及本论文的主要研究内容;第二章详细介绍基于UV254的COD变化趋势监测与峰值留样原理及其方案，并在此基础上提出了本系统的总体设计方案;第三章介绍了系统硬件设计，包括吸光度测量模块、废水取样/留样器控制模块以及数据采集传输仪模块的设计;第四章介绍系统各模块的软件设计;第五章介绍了数据分析与干扰补偿方法，系统调试安装以及在研发过程中遇到的问题。
　　目前系统样机已在实验室试运行，由于本系统监测与留样方法的新颖性和创新性，已与导师联名申请发明专利“一种能连续监测COD浓度峰值水样的废水采/留样器”，并已获授权。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第二章 系统监测原理及总体方案设计

2．1 基于UV254的COD峰值留样原理及方案

2．1．1 基本测量原理

2．1．2 光源及传感器选择

2．1．3 基于UV254的COD峰值监测装置结构

2．1．4 测量干扰因素以及补偿方法

2．2 系统需求分析

2．2．1 现有污染源监测点系统组成

2．2．2 新颖废水取样／留样器设计需求

2．2．3 数据采集传输仪设计需求

2．3 系统总体结构设计

2．4 本章小结

第三章 系统硬件设计

3．1 嵌入式系统硬件总体设计

3．2 吸光度测量模块硬件设计

3．2．1 吸光度测量模块硬件总体设计

3．2．2 前端微电流调理电路设计

3．2．3 4mA~20mA变送器电路设计

3．3 废水取样／留样器控制模块硬件设计

3．3．1 废水取样／留样器控制模块硬件总体设计

3．3．2 主处理器及其最小系统电路设计

3．3．3 模拟量输入电路设计

3．3．4 开关量输入电路设计

3．3．5 电磁阀驱动电路设计

3．3．6 继电器输出电路设计

3．4 数据采集传输仪模块硬件设计

3．4．1 数据采集传输仪模块硬件总体设计

3．4．2 主处理器及其最小系统电路设计

3．4．3 以太网接口电路设计

3．4．4 USB接口电路设计

3．4．5 SD卡接口电路设计

3．4．6 RS232／485接口电路设计

3．4．7 LCD屏信号转换电路设计

3．5 电源管理电路硬件设计

3．5．1 电源管理电路需求分析及其总体设计

3．5．2 各电源管理环节电路设计

3．6 本章小结

第四章 系统软件设计

4．1 新颖废水取样／留样器嵌入式软件设计

4．1．1 软件需求与总体框架设计

4．1．2 主程序设计

4．1．3 铁电存储器驱动程序

4．1．4 实时时钟驱动程序

4．1．5 外部模数转换器驱动程序

4．1．6 基于MODBUS的COD分析仪通信程序设计

4．1．7 SPI从机通信程序设计

4．1．8 吸光度修正与COD峰值留样程序设计

4．2 数据采集传输仪软件设计

4．2．1 Linux操作系统定制与开发环境搭建

4．2．2 软件需求与总体框架设计

4．2．3 SPI通信驱动程序设计

4．2．4 U盘与SD卡文件存储／转存程序设计

4．2．5 以太网通信程序设计

4．2．6 数据采集传输仪通信协议程序设计

4．2．7 图形化界面程序设计

4．3 本章小结

第五章 数据分析与系统调试

5．1 基于UV254的COD峰值监测实验与数据分析

5．1．1 紫外吸光度测量实验与数据分析

5．1．2 悬浮物干扰实验及其修正方案

5．1．3 电网波动干扰实验及其修正方案

5．1．4 温度干扰实验及其修正方案

5．1．5 基于UV254的COD峰值留样实验

5．1．6 基于UV254的COD峰值监测实验与数据分析小结

5．2 系统安装与调试

5．2．1 系统样机安装调试

5．2．2 通信协议测试

5．2．3 开发过程中遇到的问题及解决办法

5．3 本章小结

结束语

致谢

研究生阶段研究成果及发表学术论文情况

参考文献