污染源水质、水量监测系统

摘要

公开的是一种环境保护的监视装置，包括微处理器、存储器、接口电路、键盘及显示电路、模数转换电路、串行通讯接口电路。微处理器输出的位控信号起动采样装置动作，完成定时或定量采样的工作过程。采集的水温、流量、pH值等模拟信号，在监控程序控制下，经模数转换送微处理器进行数据处理。它改变了由于人工操作单一仪器取样准确度差、数据处理不科学的落后状况，做到了污水监测及采样自动化。

说明书

本发明涉及环境保护的监测装置，具体地说是一种水质、水量的监测设备。

为实行水污染源的污染物总量控制，必须要有科学的水质、水量测试手段，才能准确地掌握住排污负荷量。以往对于水污染源监测，通常采用人工瞬时采样、单一仪器定时或定量采样及单台仪器对污水流量进行监测，然后靠人工进行数据综合处理，这种监测方法所带来的缺点是：排污负荷量的上报数据不够准确、科学，不能及时准确，全面地反映排污口污染物的排放状况，使得有关部门对污染源实行总量控制，实行排污许可证制度带来了很大的困难。

本发明的目的是提供一种能在连续监测污水流量PH值等参数的同时，控制采样装置进行定时或定量采集具有代表性的水样，数据处理科学、及时的污水监测装置。

本发明的技术要点是：

它由微处理器、存储器、接口电路、驱动电路、键盘及显示电路、模数转换电路、串行通讯接口电路组成。微处理器的并行输出端输出位控电信号，通过接口电路的光电隔合器件及逻辑控制器件送驱动电路起动采样装置动作，完成定时或定量采样的工作过程。采集的水温、流量、PH值等模拟信号，在只读存储器内的监控程序控制下，经模数转换电路送微处理器进行数据处理。然后按一定记录格式存储在随机存储器中，并可在上位计算机的控制下，经串行通讯接口电路进行工作过程控制及数据通讯。键盘及显示电路可实现人机对话。

本系统由于采用了单片计算机配置相应的辅助部件来完成，在连续监测污水流量，PH值、水温的同时，实现了对污水采样自动控制及数据处理的自动化。改变了以往通过人工或人工操作单一仪器取样准确度差、数据处理不科学的落后状况。做到了污水监测及采样自动化。其结构简单，使用方便，可靠性高，具有推广价值。

图1为本发明的方框图。

图2为本发明的气路及控制示意图。

图3为本发明的微处理器及相关部分电路原理图。

图4为本发明的键盘及显示电路原理图。

图5为本发明的接口和驱动电路原理图。

图6为本发明的电源电路原理图。

图7为本发明的监控程序框图之一。

图8为本发明的监控程序框图之二。

图9为本发明监控程序框图之三。

本发明的模数转换器（A/D）U₈输入端INo、IN₁、IN₂分别与常用的PH值变送器、流量Q变送器、水温C变送器输出端相连（见图3）。微处理器U₁配置存放监控程序的只读存储器U₄和静态随机存储器U₅，U₄和U₅的选址端口通过与微处理且相连的译码器U₂给出，系统的控制程序及数据处理程序均固化在只读存储器U₄中。与微处理器U₁相连的专用模数转换器U₈，是通过微处理器U₁给出的地址，经译码器U₂、U₆输出至U₈端口选中，其起动转换信号和读入信号分别由微处理器U₁的写信号WR和读信号RD端经或非门U₁₂和反相器U₁₃提供，其输入信号的选择是由微处理器U₁的数据总线D₀-D₂的编码不同控制的。模数转换器（电路）U₈的时钟信号是将U₁的ALE信号经十进制计数器U₇的二分频供给。微处理器U₁定时（1秒）从U₈中读取PH值、流量、水温的数字量，经U₁进行数据处理后按一定的记录格式存储在随机存储器U₅中。

采样装置（见图2）包括往复真空泵、二位三通电磁阀、密封杯、吸水管、电磁夹紧阀、步进电机、旋转机构及采样瓶，其顺序动作是在微处理器U₁经接口电路及驱动电路的控制下完成的。当流量或时间的累计值与给定值相等时，U₁的并行输出端P_1.7发出低电平信号，经反相器U₉反相后，通过光电耦合器件U₂₆（见图5），然后使晶体三极管BG10导通，输出进入逻辑控制器件U₂₇输入端的4脚，其输出端5、7产生的高电平使继电器J₁、J₃动作，控制真空泵BN启动和注瓶电磁阀JF保持关闭，压缩空气由吸水管排出，以清洗管路杂物，经过14秒钟后，逻辑控制器件U₂₇输出端6变高电平，经继电器J₂开启二位三通电磁阀FA，使气路换向，使水样通过吸水管CS进入密封杯MF内，水样充满密封杯MF时，杯内的液位传感器YC发出一个开关量信号，送逻辑控制器件U₂₇的9脚，使其6脚状态改变，导致二位三通电磁阀FA换向，排除多余的水样，当水样达到预先的设定值时，微处理器U₁的P1、7端发出高电平信号经U₉反相后，送光电耦合器件U₂₆，使晶体三极管BG10截止，导致逻辑控制器件U₂₇的7脚的为高电平，继电器J₃吸合使电磁夹紧阀JF开启完成注瓶动作。当完成采样周期后，微处理器U₁的P1.0端口发出脉冲信号经U₉反相后，送光电耦合器件U₂₅使晶体三极管BG9瞬时导通，由继电器J₄控制步进电机BD动作，将配液管P推到下一个瓶号上，当24瓶采完之后，由U₁的P_1.0口发出电平信号，使逻辑控制器件U₂₇产生停止采样工作的信号。图5中AN₂为手动换瓶按钮开关，按动一次完成一次换瓶动作。

系统在运行之前，应根据现场情况，把所要选择的采样方式，定时或定量间隔值及投入运行的日期、时间值，通过键盘存入随机存储器U₅中。其方法是（见图6）接通电源开关K₁、K₂，整机上电，按复位键AN₁（见图3），显示器BG1显示提示符A（见图4），系统处于等待状态，按数字键、LD键或E键，将系统开始投入运行日期（年、月、日）、时间（时、分、秒），定时间间隔（3-9999分）或定量间隔（3分钟的流量值-9999m³），存入随机存储器U₅中，其中LD键是存入键，E键是删除键，只用于修改数字键的误操作。按命令键RUN，系统投入运行后，显示器BG1-BG8显示累计的流量值，按数字键1，显示器BG1-BG6显示输入的日期;按数字键2，显示器BG1-BG6显示当前的时间值;按数字键3，显示器BG1-BG8显示当前的流速值;按数字键4，显示器BG1-BG5显示水流的温度值;按数字键5，显示器BG1-BG6显示检测的PH值;按数字键6，显示器BG1-BG6显示定时的时间间隔值;按数字键7，显示器BG1-BG4显示定量间隔值;按数字键8，显示器BG3-BG4显示采样的瓶数;按数字键9，显示器BG1-BG5显示污水的液位高度。

键盘输入的工作过程是，数据总线通过锁存器U₁₆输出的信号经U₂₁-U₂₄反相后，输出作键盘输入信号线。它由译码器U₁₅控制，3条列线由U_cc1电源经电阻R₁₂-R₁₄引出，键盘的输出信号线通过三态缓冲器U₁₇引至数据总线的Do-D₂。显示器BG1-BG8是采用5V电源供电的共阴极LED数码管，U₁的数据总线D₀-D₇经锁存器U₁₄和U₁₉、U₂₀反相后，驱动BG1-BG8的相应端，U₂₁-U₂₄供给显示器大的沉电流，以便进行位选。U₁₅的输入信号由U₁的地址总线A₂-A₆和译码器U₆的输出Y₂提供的，锁存器U₁₆在U₁₅的控制下将位控信号读入U₁中。

为了保证系统在运行过程中，突然掉电而随机存储器U₅内的数据不丢失，设置了随机存储器掉电保护电路。当电源V_cc1大于失电保护电压E时（3-4.5V）时，二极管D₁导通（见图3），二极管D₂截止，由V_cc1供给U₅工作电压，当瞬时断电，V_cc1逐渐小于E时，D₂导通、D₁截止，电源E向U₅供电，并通过R₃保证U₅的CE端为高电平，从而达到使数据不丢失的目的。

当现场突然掉电，由稳压管D₁₂、电阻R₂₃、R₂₄、R₂₅及晶体三极管BG11等元件构成的U₁掉电信号触发电路，当脉动直流低于V_cc1-0.7V+D₁₂的稳压值时，晶体三极管BG11集电极输出高电平信号INT₀（见图6），经U₉反相后，送U₁产生执行U₄中的外部中断服务程序命令，将U₁中的数据存入U₅中。反之，INT₀为低电平，经U₉反相后，使U₁处于禁止外部中断状态。

本系统的监控程序采用模块式结构，由U₁的定时中断、外部中断和串行中断决定程序的分支，将几套不同功能的程序有机地结合为一体，它包括：

初始化模块：对系统进行初始化。

显示及键盘扫描处理模块：对输入的键盘值进行分析、处理、判断，然后转向相应的处理模块。

时钟模块：在执行过程中，不断查询设置的不同时间标志，然后转向执行相应程序。

数据采集模块：控制A/D转换器定时进行数据采集和进行数字滤波、数据处理，并存入存储器。

控制采样装置工作模块：控制采样装置完成清洗-抽吸-量测-注瓶-换瓶等动作。

外部中断服务程序模块：当外部产生掉电信号时，将U₁内随机存储器的数据送入U₅进行断电保护，上电时将U₅中保护的数据送回到U₁内部随机存储器中。

串行中断服务程序模模块：当与上位机联网时，对上位机发来的不同站号和命令进行分析判断，然后执行不同的程序。

图中微处理器U₁的型号为8031，译码器U₂的型号为74LS139，锁存器U₃的型号为74JS373，U₁₄、U₁₆的型号为74LS273，只读存储器U₄的型号为2764，随机存储器U₅的型号为6264，译码器U₆的型号为74LS139，计数器U₇的型号为74LS90，模数转换器U₈的型号为ADC0809，译码器U₁₅的型号为74LS138，三态缓冲器U₁₇的型号为74LS125，U₁₈为或门74LS32，光电耦合器件U₂₅、U₂₆的型号为TIL113，逻辑控制器件U₂₇的型号为GSK-1，稳压集成块U₂₈、U₂₉的型号为7805，稳压集成块U₃₀的型号为7809，电源滤波器U₃₁的型号为DNX-F。LED显示器BG1-BG8的型号为DDC502，晶体三极管BG9-11的型号为3CG733，BG10的型号为3CG23C，R₁-R₂₅为电阻，C₁-C₁₃为电容，B₁、B₂为变压器，BX1-BX3为保险丝，D₁-D₁₈为二极管。继电器J₁-J₄的型号为JZX-17F，往复真空泵BN的型号为GZB-1，二位三通电磁阀FA的型号为Q23XD，液位传感器YC的型号为GEU-1，电磁夹紧阀JF的型号为GDF-1，步进电机BD的型号GBJ-1。