【正文】 學(xué) 號： 09142069 姓 名： 李強(qiáng) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 系 別： 機(jī)械與電氣工程系 指導(dǎo)教師： 李鑒 教授級高工 二○一三年六月 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績評議 題目： 基于電化學(xué)的 飲水機(jī)水質(zhì)監(jiān)測報(bào)警器設(shè)計(jì) 系別： 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師建議成績： 85 評閱教師建議成績： 80 答辯小組建議成績： 84 總成績： 84 答辯委員會主席簽字： 年 月 日 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 姓名 學(xué)號 專業(yè) 電氣工程及其自動化 設(shè)計(jì)（論文）題目 基于電化學(xué)的飲水機(jī)水質(zhì)監(jiān)測報(bào)警器設(shè)計(jì) 題目 性質(zhì) ● 設(shè)計(jì)； □ 論文 題目 來源 □ 教學(xué) ； ● 科研 ；□ 生產(chǎn) ； □ 其他 指導(dǎo)教師 職 稱 工作單位 備注 教授高級工程師 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )的內(nèi)容和要求： 一．目的意義 1．飲用水安全和質(zhì)量問題在現(xiàn)代社會生活很受重視 ，自從上世紀(jì) 60 年代美國宇航局處理人排泄循環(huán)再用的膜過濾 純凈水專利失效流入社會以來，以膜技術(shù)為特征的過濾處理飲用水技術(shù)風(fēng)靡世界。編程實(shí)現(xiàn)上電時累計(jì)計(jì)時，水質(zhì)變壞和濾膜到時之時發(fā)出語音提示和聲光報(bào)警信號的功能。準(zhǔn)備申報(bào)實(shí)用新型發(fā)明專利和大學(xué)生科技創(chuàng)新參賽資料。在這種背景下 水過濾技術(shù)應(yīng)用而生，在我國直飲水機(jī)主要靠過濾實(shí)現(xiàn)，其工藝過程包括前置超濾膜、食用級陽離子交換樹脂、發(fā)絲活性炭、能量活水素、 顆粒椰殼活性炭 、 后置超濾膜 、 液體激活器 幾個過程。從而電導(dǎo)率的變化可以間接反映了水質(zhì)的變化。反相器向 MPU（ 2051）發(fā)送低電平輸入信號， MPU 收到信號后激活語言存儲模塊通過放大電路驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出語音報(bào)警，同時 MPU 控制發(fā)光二極管發(fā)出閃光報(bào)警。存在問題是對存在問題的探討還可進(jìn)一步深入，對存在問題原因的分析還可進(jìn)一步展開。在這種背景下 民用 水過濾技術(shù)應(yīng)用而生，在我國直飲水機(jī)主要靠過濾實(shí)現(xiàn)，其工藝過程包括前置超濾膜、食用級陽離子交換樹脂、發(fā)絲活性炭、能量活水素、 顆粒椰殼活性炭 、 后置超濾膜 、 液體激活器 幾個過程。s health life. This design mainly expounds the signal acquisition device, data analysis chip, the design content of speech output chip, so as to achieve the effect of water quality alarm KEYWORDS: ochemical sensor。膜工藝制備飲用水技術(shù)概述 飲用水制備技術(shù)的發(fā)展歷程早在 3000 年前的印度和中國，就有利用過濾來改善飲用水水質(zhì)的記錄。在這種背景下水過濾技術(shù)應(yīng)用而生，在我 國直飲水機(jī)主要靠過濾實(shí)現(xiàn)，其工藝過程包括前置超濾膜、食用級陽離子交換樹脂、發(fā)絲活性炭、能量活水素、 顆粒椰殼活 2 性炭 、 后置超濾膜 、 液體激活器 幾個過程。這不僅是因?yàn)闆]有足夠的科學(xué)資料制定如此多的標(biāo)準(zhǔn)，更是由于沒有必要。對 化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行危險(xiǎn)度評價(jià)所需資料主要有兩 方面來源，一是人群流行病學(xué)調(diào)查，二是動物的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。 （ 2）對于儀器方法的監(jiān)測速度提出了更高的要求，原因是新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對于水質(zhì)合格的保證率要求日益提高，需要提高監(jiān)測技術(shù)的速率和頻率，保證水質(zhì)合格率達(dá)到規(guī)定的要求。同時還應(yīng)具備完善的標(biāo)準(zhǔn)修訂系統(tǒng)，每隔 4 一定時間對現(xiàn) 行 指標(biāo)和指標(biāo)值進(jìn) 行 修訂，以使其能夠及時適應(yīng)各種變化。 電化學(xué)（ Electrochemistry）， 電池 由兩個 電極 和 電極 之間的 電解質(zhì) 構(gòu)成，因而電化學(xué)的研究內(nèi)容應(yīng)包括兩個方面：一是 電解質(zhì) 的研究，即 電解質(zhì) 學(xué) ，其中包括 電解質(zhì) 的導(dǎo)電性質(zhì)、 離子 的傳輸性質(zhì)、參與反應(yīng)離子的平衡性質(zhì)等，其中 電解質(zhì) 溶液的物理化學(xué)研究常稱作電解質(zhì)溶液理論；另一 方面是 電極 的研究，即 電極學(xué)，其中包括 電極 的平衡性質(zhì)和通電后的極化性質(zhì)，也就是 電極 和 電解質(zhì) 界面上的電化學(xué)行為 。 電導(dǎo)電極（簡稱電極）：實(shí)驗(yàn)室常用的電導(dǎo)電極為白金電極或鉑黑電極。 反相器 圖 電極安裝圖 測量電極 測量電極螺紋座 測量電纜 測量電極緊固件 水流出 水流入 與電極接線 （紅黑白黃） 指示燈 5cm 15cm 10cm 圖 WT588DU 方框圖 音頻輸出 USB 下載 語音存儲 發(fā)光報(bào)警 AT89C2051 比較器 放大電路 電極采集信息 圖 系統(tǒng)構(gòu)成電氣原理 揚(yáng)聲器 啟動開關(guān) 水流進(jìn) 水流出 水桶 7 語音芯片驅(qū)動聲音報(bào)警 啟動聲光報(bào)警電路開始報(bào)警 LED 發(fā)光報(bào)警 開始 分析信號是否正常 語音芯片是否繁忙 發(fā)出聲音報(bào)警 是否按下復(fù)位 熄滅 LED 關(guān)閉 SPK RETI N Y N Y Y N 圖 構(gòu)成系統(tǒng)的流程圖 8 系統(tǒng)構(gòu)成電路圖 本設(shè)計(jì)課題的基本內(nèi)容是電化學(xué)測量飲用水的導(dǎo)電率與可編程控制器 PLC技術(shù)相結(jié)合制作飲用水水質(zhì)變化時時報(bào)警系統(tǒng)原理圖如下圖所示 圖 系統(tǒng)構(gòu)成電路圖 9 3 系統(tǒng)各部件功能說明 該水質(zhì)監(jiān)測報(bào)警器是有電極作為信號采集，經(jīng)過 LM339 電壓比較器與給定電壓比較器給單片機(jī) AT89C2051 發(fā)送輸入信號，當(dāng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)將信號傳送給單片機(jī)單片機(jī)經(jīng)過分析發(fā)出聲光報(bào)警信號，驅(qū)動 WT588DU 芯片有揚(yáng)聲器發(fā)出聲音報(bào)報(bào)警， LED 發(fā)光報(bào)警。電 極全部侵入到溶液中，以比便測量信號的不準(zhǔn)確。當(dāng)負(fù)載電流很小時 ,輸出晶體管的低失調(diào)電壓 (約 )允許輸出箝位在零電平。 LM339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。 AT89C2051 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 2K 字節(jié) 閃速存儲器 ， 128 字節(jié) RAM， 15根 I/O 口，兩個 16 位定時器，一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工 串行口 ，一個精密模擬比較器以及兩種可選 的軟件節(jié)電工作方式。 通用型單片機(jī)是一種基本芯片，它的內(nèi)部資源比較豐富，性能全面且適用性強(qiáng)，能覆蓋多種應(yīng)用需求。 AT89C2051 是一帶有 2KBFLASH 可編程、可檫除只讀存儲器的低壓、高性能 8 位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)，它采用 ATMEL 的高密非易失存儲器技術(shù)制造，不并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。 P1 口輸出緩沖器可吸入 20mA 電流可直接驅(qū)動 LED。 RST：復(fù)位輸入。并非存儲區(qū)中所有的地址單元都被占用，未占用的地址單元亦不能使用，如果對其進(jìn)行讀訪問一般返回為隨機(jī)數(shù)，寫訪問也不確定。 CJNE[… .]、 DJNZ[… .]、 JB、 JNB、JC、 JNC、 JBC、 JZ、 JNZ 等這些條件轉(zhuǎn)移指令的使用與上述原則一樣，同樣，超出物理空間的限制引起不可預(yù)知的程序錯誤。在這種情況下片內(nèi)硬件禁止對內(nèi)部 RAM 的讀寫，但允許對端口的訪問，要消除硬件復(fù)位終止空閑模式對端口意外寫入的可能，原則上進(jìn)入空閑模式指令的下一條指令不 應(yīng)對端口引腳或外部存儲器進(jìn)行訪問。 其它引腳置空，等待至少 10Ms 以上。 9．重復(fù) 5 至 8，可對整個 2K 字節(jié)陣列全部編程，直到目標(biāo)文件結(jié)束。 重復(fù) 3 到 4 步驟，即可將全部單元的數(shù)據(jù)讀取。 圖 WT588DU 封裝圖 25 應(yīng)用方框圖 管腳描述 表 WT588DU 管腳描述 封裝引腳 引腳標(biāo)號 簡述 功能描述 1 NC NC 空 2 NC NC 空 3 NC NC 空 4 NC NC 空 5 NC NC 空 6 NC NC 空 7 RESET TESET 復(fù)位腳 8 DAC DAC 音頻輸出腳需外接功放才能驅(qū)動揚(yáng)聲器。 （ 001H） =21H 聲明為 89C2051 單片機(jī) 。 程序校驗(yàn)：如果加密位 LB LB2 沒有進(jìn)行編程，則代碼數(shù)據(jù)可通過校驗(yàn)數(shù)據(jù)線讀?。? 使 RST 從“ L”變?yōu)椤?H”，復(fù)位內(nèi)部的地址計(jì)數(shù)器為 000H。 5．置 RST 端為 +12V，激活編程。 內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器： AT89C2051 內(nèi)部包含一個 PEROM 編程地址計(jì)數(shù)器，它總在 RST 上升沿來時復(fù)位到 00H，并在 XTAL1 引腳上出現(xiàn)正跳變脈沖時進(jìn)行加1 計(jì)數(shù)。此時，片內(nèi) RAM 和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變。但是在使用某些有關(guān)指令進(jìn)行編程時，需要注意一些事項(xiàng)。 表 部分串口說明 振蕩器特征 ： XTAL XTAL2 為片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如下圖所示。 沒有引出，他作為一個通用 I/O 口但不可訪問， 但可作為固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號， P3 口緩沖器可吸入 20mA 電流。掉電方式保存 RAM 內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一個硬件復(fù)位。 本電路所使用的是通用型的單片機(jī) AT89C2051 89 系列單片機(jī)有 AT89C 系列的標(biāo)準(zhǔn)型及抵擋型，還有 AT89S 系列的高檔型?，F(xiàn)在廣泛使用的微型計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)的產(chǎn)物，因此它屬于第四代計(jì)算機(jī)，而單片機(jī)則是微型計(jì)算機(jī)的一個分支。 下圖為基礎(chǔ)的比較電路 圖 LM339 基本比較電路 14 中心控制裝置 分析部分選擇了 AT89C2051， AT89C2051 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 2k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀 程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密 度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) ，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 和 Flash 存儲單元 。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（ 也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。1~177。因此當(dāng)兩個電極（通常為鉑電極或鉑黑電極）插入溶液中，可以測出兩電極間的電阻 R。 比例常數(shù) ρ 叫做電阻率。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。 5 2 水質(zhì)監(jiān)測報(bào)警器總體設(shè)計(jì)方案 裝置原理及功能說明 該水質(zhì)監(jiān)測報(bào)警器電路是由電極作為信號的采集，由 LM339 電壓比較器進(jìn)行電信號的比較，由 AT89C2051 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)語音芯片進(jìn)行語音的控制，再由揚(yáng)聲器進(jìn)行報(bào)警。在整體指標(biāo)結(jié)構(gòu)和數(shù) 量 方面，已經(jīng)基本接近世界先進(jìn)水平（見表 1）。如果沒有可行的檢驗(yàn)方法，就無法了解飲用水中污染物特別是化學(xué)物質(zhì)的污染水平，因而無法進(jìn)行安全性 評價(jià)。對于飲用水中已檢出的低濃度污染物，甚至低于檢出限，并且不能經(jīng)常檢出，就沒有必要制定限值。 國外水質(zhì)安全性評價(jià)體系及方法 世界范圍內(nèi)具有代表性的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有三部：世界衛(wèi)生組織（ WHO）的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》、 歐盟 (EC)的《飲用水指令》以及美國環(huán)保局（ USEPA）的《國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。盡管標(biāo)價(jià)昂貴但廁所并非純金制造，知識有一個很別致的功能 —— 可以把尿液轉(zhuǎn)化為飲用水。由于水廠水源受到污染，許多出廠水水質(zhì)不能達(dá)到國家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。 此項(xiàng)設(shè)計(jì)包括使用電導(dǎo)率傳感器檢測水質(zhì)情況，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析實(shí)施報(bào)警控制語音輸出，從而達(dá)到提醒人們水質(zhì)變壞的目的，及時更換過濾設(shè)備，以保證人們的健康生活。答辯小組經(jīng)過充分討論，根據(jù)該生論文質(zhì)量和答辯中的表現(xiàn)，同意評定論文成績?yōu)榱? 答辯組長（簽名）： 年 月 日 答辯成績 84 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信聲明 本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)海濱學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 二