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，所以水資源的保護成了我國重中之重的一個問題，水土流失礦山污水導致人類周圍的水環(huán)境污染日趨嚴重，嚴重制約了經濟的發(fā)展和危害著人類的健康。嚴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)境產生重大影響的元素和他們的含量是否在標準以內直接關系到我們的生存環(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、手工匯總制表等工作手段，由于采樣間隔時間長，數(shù)據分析匯總慢，傳遞不及時，難以對當?shù)氐沫h(huán)境現(xiàn)狀正確、及時地進行整體把握。近年來，國內的耳境監(jiān)測部門也逐漸將城市水質參數(shù)與污水流量監(jiān)測網絡列入近期實施計劃內，但從事水質參數(shù)檢測研究的極少，我國最早研究水質檢測儀器的上海雷磁儀器廠，曾經研制出SJG一704型在線式pH、溶解氧、濁度、電導率和溫度五項參數(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自動監(jiān)測網絡”。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)據遠程傳輸?shù)膬x器設備在國內生產。

　　水質自動監(jiān)測系統(tǒng)WQMS(Water Quality Monitoring System)以監(jiān)測水質污染綜合指標及其某些特定項目為基礎，通過在一個水系或一個地區(qū)設置若干個有連續(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)的水質污染狀況進行連續(xù)自動監(jiān)測，形成一個連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)。

　　水質自動監(jiān)測系統(tǒng)是20世紀70年代發(fā)展起來的，在美國、英國、日本、荷蘭等國已有相當規(guī)模的廣泛應用，并被納入至網絡化的“環(huán)境評價體系”和“自然災害防御體系”。一則可為綜合評價水功能區(qū)的水環(huán)境質量提供基礎性數(shù)據，二則可迅速發(fā)現(xiàn)突發(fā)性水質污染事故或天災，將水域異常水質情況、污染傳播源及影響規(guī)模通過系統(tǒng)的通訊網絡傳至控制中心，為決策部門把握災害的性質狀態(tài)，從而制定災害的防治對策提供依據。

　　1系統(tǒng)總體設計

　　本設計采用美國GLOBAL WATER公司的wQ系列水質參數(shù)檢測傳感器，自行設計了現(xiàn)場參數(shù)在線監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據遠程傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據管理子系統(tǒng)，構成一個完整的水質參數(shù)在線監(jiān)測及遠程傳輸系統(tǒng)。

　　在研制的過程中，選取ATmega16單片機作為現(xiàn)場參數(shù)在線監(jiān)測子系統(tǒng)的核心器件，配合相關的外圍電路，將水質傳感器監(jiān)測到的電信號轉換成4-20mA/0—5V的標準信號，經過數(shù)據運算處理，變成代表實際化學或物理量的數(shù)據顯示在液晶屏上，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立的智能儀表，即水質參數(shù)在線監(jiān)測儀使用。

　　在設計數(shù)據傳輸網絡時，把基層監(jiān)測部門作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心，而把轄區(qū)內各污染物排放企業(yè)作為監(jiān)測站點，監(jiān)控中心的計算機便是網絡的服務器。監(jiān)控中心的服務器和各監(jiān)測站點的水質監(jiān)測儀都是通過調制解調接入GSM網絡的短消息業(yè)務(SMS)進行信息交換與數(shù)據傳輸。

　　在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示監(jiān)控中心和和各監(jiān)測站點的位置，用數(shù)據管理軟件實時監(jiān)測每一項水質參數(shù)或者在一段時間內對部分數(shù)據做出統(tǒng)計結果，為有關部門的分析和決策提供科學依據。

　　本系統(tǒng)是基于AT單片機技術的水質監(jiān)測系統(tǒng)，硬件電路主要包括傳感器的選取，單片機的選取與應用，A/D轉換的選用，電源設計，顯示部分設計等;軟件設計主要包括主程序設計和子程序設計，監(jiān)測結果通過顯示模塊顯示。傳感器采集目標對象的信息，將信息送到A/D的模擬通道中，由單片機通過程序將經過A/D模數(shù)轉換后的信息讀到自己內部的寄存器中，單片機通過自己內部的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)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 單片機選型

　　單片機也被稱為微控制器，它在很多智能控制系統(tǒng)都有廣泛的應用。單片機是電腦CPU的小型化。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。ATmega16 具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程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，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內/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是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。AVR 內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同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構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，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 外設的控制寄存器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到數(shù)據空間即為寄存器文件之后的地址0x20-0x5F。

　　2.2 復位電路和晶振電路

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

　　(1)復位電路

　　單片機的復位如同計算機的重啟一樣，任何單片機工作之前都要有一個復位的過程，對于單片機來說，復位是單片機還沒有執(zhí)行程序之前而做的準備工作。一般單片機的復位只需要5ms的時間。

　　復位電路是典型的單片機系統(tǒng)的外部電路，基本的復位電路一般采用上電復位和按鍵復位兩種復位方式。本系統(tǒng)設計采用按鍵復位電路，方便并且可以對單片機工作狀態(tài)進行直接重啟。

　　(2)晶振電路

　　與復位電路一樣，晶振電路同樣是單片機系統(tǒng)的典型外圍電路。單片機的工作，是從ROM中讀取指令，然后執(zhí)行的過程。單片機訪問一次存儲器的時間，稱為一個機器周期，作為單片機工作的時間基準。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，單片機就無法工作。因此，晶振可以說是單片機系統(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部時鐘方式和外部時鐘方式。本系統(tǒng)采用內部時鐘方式的晶振電路。

　　2.3 顯示電路設計

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

　　(1)數(shù)碼管介紹

　　單片機應用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管一般用做簡單顯示輸出設備，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，基本可以滿足普通單片機系統(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構排列而成的顯示器件。通常使用的是帶有小數(shù)點的8段數(shù)碼管，分為共陽極和共陰極數(shù)碼管兩種。

表1 數(shù)字字符對應共陰極和共陽極字段碼

　　2.4 傳感器的選擇

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

　　變光型濁度傳感器的結構：傳感器由光敏電阻器、平衡檢測器、固定電源、反饋控制、可調電源、光源和外殼等組成，本傳感器的最主要的特點就是要求2個光敏電阻器的阻值相等，也就是他們接受的光強一樣，如不同平衡檢測器能識別出來，然后，由反饋控制產生信號調整可調電源，從而調整光源的強度來實現(xiàn)這一要求。

　　此傳感器具有量程寬、標定過程簡單、功耗低、成本低、體積小等特點，該傳感器的另一個特點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。

表2 傳感器的性能測試實驗數(shù)據表

　　2.5 A/D轉換的選用

　　由于單片機只能識別數(shù)字信號所以必把傳感器輸出的模擬信號進行數(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換成數(shù)字信號的芯片即A/D轉換芯片。使用A/D轉換器時需要根據實際所需精度與分辨率的不同選擇不同的A/D轉換芯片，確定采樣頻率，保證單片機的實時行要求。由于環(huán)境對A/D轉換器存在一定影響，一次在選擇A/D轉換器的時候必須考慮環(huán)境因素。還應根據單片機接口特征選擇A/D轉換器的輸出狀態(tài)。 A/D轉換器與單片機的接口一般要完成的操作有單片機發(fā)出啟動轉換信號，單片機取回轉換結束狀態(tài)信號，讀取需要轉換的數(shù)據。由于A/D轉換對于提高數(shù)據精度具有較大影響，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轉換芯片。

　　ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種 8 位分辨率、 雙通道 A/D 轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高，其目前已經有很高的普及率。

　　ADC0832 具有以下特點：

　　(1)8位分辨率;

　　(2)雙通道 A/D 轉換;

　　(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

　　單片機對ADC0832的控制原理：正常情況下單片機與ADC0832的接口應該為4條數(shù)據線，分別是DI、CS、DO、CLK。但因為DI端和DO端在通信時未同時有效地并與單片機的接口是雙向的，固電路設計時可以將DI和DO并聯(lián)在一根數(shù)據線上使用。

　　3 監(jiān)控中心應用程序的設計

　　監(jiān)控中心應用程序的主體框圖如圖2所示。該程序采用VB6.0設計用戶界面，整個程序中各子模塊的功能可以通過相應的操作菜單體現(xiàn)出來。監(jiān)控中心應用程序的

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

圖2 監(jiān)控中心應用程序主體框圖

　　4 結論

　　本系統(tǒng)采用C語言編程，用ATmega16單片機作控制系統(tǒng)核心，將傳感器和數(shù)據采集元件有效的組合在一起進行使用，本設計配置了兩套傳感器殼用于檢測渾濁度和自由離子濃度，預留有外擴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。