CN103592421A - 水污染源在线监测仪远程计量标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水污染源在线监测仪远程计量标准装置。本发明主要由八通阀自动采集系统、水污染源在线监测仪、4~20mA模数转换模块、3G数据传输模块、终端服务器组成。八通阀自动采集系统由控制电路以及硬件设备组成。硬件设备为八通阀，控制电路包括八通阀切换电路模块和串口通讯模块组成。4~20mA模数转换模块将水污染在线监仪的测量值也即输出的电流转换为数字信号。3G数据传输模块将经由通讯模块传送的信号发送到3G网络，并通过3G网络完整的存储在终端服务器中。本发明提高了在线实时监控数据的快速性以及准确度，从而达到测量数据的实时监控。这样可以有效地节约劳动力，提高日常检定效率，实现自动化管理。

Description

水污染源在线监测仪远程计量标准装置

技术领域

本发明涉及一种标准装置，具体涉及一种水污染源在线监测仪远程计量标准装置

背景技术

水是人类赖以生存的生命之源，然而随着工业化进程的日益加快和城市化水平的不断提高，我国已经进入了水环境污染事故的高发期，水资源短缺和水环境破坏问题日趋严重，环境治理和监测任务越发重大。因此，如何保护水资源并对污染水排放进行有效地监控已成为国家可持续性发展的重要国策之一。

水环境监测是水资源管理必不可少的组成部分，目前通常采用水污染在线自动监测仪对水源进行检测，然而，一台水污染在线自动监测仪的检定往往需要一天时间，并且每个水污染在线自动监测仪的安装地点又相距甚远，要解决目前全省2000多套水污染在线自动监测仪的日常检定任务靠目前的人力和物力是相当困难，甚至是不现实的。

发明内容

本发明的目的在于改善上述现有研究存在的缺陷，提供一种水污染源在线监测仪远程计量标准装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

水污染源在线监测仪远程计量标准装置，主要由八通阀自动采集系统、水污染源在线监测仪、4~20mA模数转换模块、3G数据传输模块、终端服务器组成。

所述的八通阀自动采集系统由控制电路以及硬件设备组成。所述硬件设备为八通阀，所述的八通阀有八个电磁阀分别对应八种标准液体通道，所述液体通道的通断都由控制电路对电磁阀进行控制，所述的标准液体包括重铬酸钾溶液、高锰酸钾溶液、四水合钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液、硫酸银溶液、硫酸汞溶液、硫酸亚铁溶液、硫酸锌溶液、尿素溶液、邻苯二甲酸氢钾溶液、无水乙醇或自来水。所述的控制电路包括八通阀切换电路模块和串口通讯模块组成，八通阀切换电路模块和串口通讯模块连接。

所述的八通阀切换电路包括芯片P1、芯片P2、电容C1、电阻R1。芯片P1的第8、13管脚分别接地GND，第16脚接5V电源；芯片P1的第8脚连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接芯片P1的第16脚；芯片P1的第10脚连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电源；芯片P1的12、11、10脚分别连接STM32单片机的41、40、39脚；芯片P1的输出端15、1、2、3、4、5、6、7分别连接芯片P2的1、2、3、4、5、6、7、8脚；芯片P2的第9脚接地GND，P2芯片的第10脚连接24V电源；芯片P2的18、17、16、15、14、13、12、11脚分别连接八通阀的Valve_0、Valve_1、Valve_2、Valve_3、Valve_4、Valve_5、Valve_6、Valve_7脚。

所述的串口通讯模块包括芯片P3、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，串口接头P4。芯片P3的9、11脚分别连接STM32单片机的43、42脚；芯片P3的12、15、16脚分别连接3.3V电源；芯片P3的第14脚连接电容C7的一端，电容C7的另一端连接3.3V电源；芯片P3的13脚连接串口接头P4的第3脚，芯片P3的第8脚连接串口接头P4的第1脚；芯片P3的第7脚连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地GND；芯片P3的第6脚连接电容C4的一端。电容C4的另一端连接芯片P3的地5脚；芯片P3的第4脚连接电容C6的一端，电容C6的另一端连接P3芯片的第2脚；芯片P3的第3脚连接电容C5的一端，电容C5的另一端接地GND；串口接头P4的第2脚接地GND。

所述的4~20mA模数转换模块将水污染在线监仪的测量值也即输出的电流转换为数字信号。该采集模块便是用4mA表示0，用20mA表示信号的满刻度1000。

所述的4~20mA模数转换模块包括芯片P5、电容C8、电容C9、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、串口接头P6、运算放大器U1、晶闸管WD1、二极管D1、保险丝F1。芯片P5的1、7、6、5脚分别和STM32单片机的28、26、33、27脚连接；芯片P5的第2脚连接2.5V电源，第4脚接地GND；芯片P5的第8脚连接5V电源，5V电源连接电容C8一端，电容C8另一端接地GND；芯片P5的第3脚连接运算放大器U1的第1脚，运算放大器U1的第1脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接5V电源；运算放大器U1的第8脚连接5V电源，运算放大器U1的第4脚接地GND；运算放大器U1的第2脚连接电阻R2的一端一起连接到5V电源，电阻R2的另一端接地GND；运算放大器U1的第3脚连接晶闸管WD1的一端，晶闸管WD1的另一端接地GND；电容C9的一端连接运算放大器U1的第3脚，电容C9的另一端接地GND；电阻R4的一端连接运算放大器U1的第3脚，电阻R4的另一端连接电阻R6、电阻R7、保险丝F1的一端，电阻R6、R7的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地GND,保险丝F1的另一端连接串口接头P6的第1脚；电阻R7的另一端连接二极管D1的一端，二极管D1的另一端连接串口接头P6的第2脚。

所述的3G数据传输模块将经由通讯模块传送的信号发送到3G网络，并通过3G网络完整的存储在终端服务器中，计量人员通过该服务器可随时调取测量数据，从而达到远程计量的目的。

所述的3G数据传输模块使用工业级CDMA2000 EV-DO模块；芯片P1采用NXP公司的74HC595，芯片P2采用STMicroelectronics公司的ULN2803，芯片P3采用TEXASNTRUMENTS公司的MAX3221，芯片P4采用MICROCHIP公司的MCP3002，STM32单片机采用STM32F103RET6。

本发明的有益效果：

1、采用八通阀标准液体自动采集系统，从而达到标准液体取样阀门的自动切换，实现无人化标准物质采样，同时采用基于3G数据传输模块的数据传输系统，提高了在线实时监控数据的快速性以及准确度，从而达到测量数据的实时监控。这样可以有效地节约劳动力，提高日常检定效率，实现自动化管理。

 2、八通阀自动控制中3个I/O口控制8个电磁阀的自动切换，从而节约了单片机的资源；水污染源在线监测仪远程计量标准装置输出信号通过4~20mA电流模数转换模块转换成可远程传输的数字信号。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明八通阀控制电路图。

图3 为本发明串口通讯电路图。

图4 为本发明4~20mA电流模数转换模块电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，水污染源在线监测仪远程计量标准装置主要由八通阀自动采集系统、水污染源在线监测仪、4~20mA模数转换模块、3G数据传输模块、终端服务器组成。

所述的八通阀自动采集系统由电路控制部分以及硬件设备组成。所述系统的硬件设备为八通阀，所述的八通阀有八个电磁阀分别对应八种标准液体通道，所述液体通道的通断都由控制电路对电磁阀进行控制，所述的标准液体有重铬酸钾溶液、高锰酸钾溶液、四水合钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液、硫酸银溶液、硫酸汞溶液、硫酸亚铁溶液、硫酸锌溶液、尿素溶液、邻苯二甲酸氢钾溶液、无水乙醇、自来水等。所述的控制电路包括八通阀切换电路模块和串口通讯模块组成，串口通讯模块和八通阀切换电路模块连接。

八通阀的输出通道与水污染源在线监测仪的采样口相连，不同时间通入不同溶液进入水污染源在线监测仪，在线监测仪会实时测量溶液的浓度并输出一个电流信号表征溶液浓度。

所述的4~20mA模数转换模块将水污染在线监仪的测量值也即输出的电流转换为数字信号。该采集模块便是用4mA表示0，用20mA表示信号的满刻度1000。

如图2所示，所述的八通阀切换电路包括芯片P1、芯片P2、电容C1、电阻R1。芯片P1的第8、13管脚分别接地GND，第16脚接5V电源；芯片P1的第8脚连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接芯片P1的第16脚；芯片P1的第10脚连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电源；芯片P1的12、11、10脚分别连接STM32单片机的41、40、39脚；芯片P1的输出端15、1、2、3、4、5、6、7分别连接芯片P2的1、2、3、4、5、6、7、8脚；芯片P2的第9脚接地GND，P2芯片的第10脚连接24V电源；芯片P2的18、17、16、15、14、13、12、11脚分别连接八通阀的Valve_0、Valve_1、Valve_2、Valve_3、Valve_4、Valve_5、Valve_6、Valve_7脚。芯片P1具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能，按照BCD编码实现对八个输出IO口的控制。比如当12、11、10都为低电平是，P1输出端八个端口都是低电平，当12、11、10都是高电平时，P1输出端八个端口都是高电平，当12、11、10分别是低、低、高电平的时候，P1的15脚是高电平，其余七个都是低电平。P2实现电流的放大和隔离作用，将单片机经P1输出的高点电平信号翻转并输出。

如图3所示，所述的串口通讯模块包括芯片P3、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，串口接头P4。芯片P3的9、11脚分别连接STM32单片机的43、42脚；芯片P3的12、15、16脚分别连接3.3V电源；芯片P3的第14脚连接电容C7的一端，电容C7的另一端连接3.3V电源；芯片P3的13脚连接串口接头P4的第3脚，芯片P3的第8脚连接串口接头P4的第1脚；芯片P3的第7脚连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地GND；芯片P3的第6脚连接电容C4的一端。电容C4的另一端连接芯片P3的地5脚；芯片P3的第4脚连接电容C6的一端，电容C6的另一端连接P3芯片的第2脚；芯片P3的第3脚连接电容C5的一端，电容C5的另一端接地GND；串口接头P4的第2脚接地GND。P3是为符合RS-232C标准串口设计的单电源电平转换芯片。电荷泵电路由1、2、3、4、5、6脚和C3、C4、C5、C6构成，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。TTL/CMOS数据从8引脚（RIN）输入转换成RS-232数据从9脚（ROUT）送到电脑；电脑的RS-232数据从11引脚（DIN）输入转换成TTL/CMOS数据后从13引脚（DOUT）输出。

如图4所示，所述的4~20mA模数转换模块包括芯片P5、电容C8、电容C9、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、串口接头P6、运算放大器U1、晶闸管WD1、二极管D1、保险丝F1。芯片P5的1、7、6、5脚分别和STM32单片机的28、26、33、27脚连接；芯片P5的第2脚连接2.5V电源，第4脚接地GND；芯片P5的第8脚连接5V电源，5V电源连接电容C8一端，电容C8另一端接地GND；芯片P5的第3脚连接运算放大器U1的第1脚，运算放大器U1的第1脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接5V电源；运算放大器U1的第8脚连接5V电源，运算放大器U1的第4脚接地GND；运算放大器U1的第2脚连接电阻R2的一端一起连接到5V电源，电阻R2的另一端接地GND；运算放大器U1的第3脚连接晶闸管WD1的一端，晶闸管WD1的另一端接地GND；电容C9的一端连接运算放大器U1的第3脚，电容C9的另一端接地GND；电阻R4的一端连接运算放大器U1的第3脚，电阻R4的另一端连接电阻R6、电阻R7、保险丝F1的一端，电阻R6、R7的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地GND,保险丝F1的另一端连接串口接头P6的第1脚；电阻R7的另一端连接二极管D1的一端，二极管D1的另一端连接串口接头P6的第2脚。电流信号经过P2接入电路，保险丝F1和D1起到保护作用，经过R7和R6时，电流信号转化为电压信号，电压信号经过轨到轨运放接入P5的3脚实现模数转换。

所述的3G数据传输模块将经由串口传送的信号发送到3G网络，并通过3G网络完整的存储在服务器中，计量人员通过该服务器可随时调取测量数据，从而达到远程计量的目的。所述的3G模块使用工业级CDMA2000 EV-DO模块,内嵌完备可靠的协议栈，可以让远端的用户设备和管理中心的电脑进行透明数据通信。

本发明所述的芯片P1、芯片P2、芯片P3 、芯片P5均采用成熟产品，串口接头P4、串口接头P6均采用成熟的接插件；芯片P1采用NXP公司的74HC595，芯片P2采用STMicroelectronics公司的ULN2803，芯片P3采用TEXASNTRUMENTS公司的MAX3221，芯片P4采用MICROCHIP公司的MCP3002，STM32单片机采用STM32F103RET6。

Claims (1)

1. 水污染源在线监测仪远程计量标准装置，主要由八通阀自动采集系统、水污染源在线监测仪、4~20mA模数转换模块、3G数据传输模块、终端服务器组成，其特征在于：

所述的八通阀自动采集系统由控制电路以及硬件设备组成；所述硬件设备为八通阀，所述的八通阀有八个电磁阀分别对应八种标准液体通道，所述液体通道的通断都由控制电路对电磁阀进行控制，所述的标准液体包括重铬酸钾溶液、高锰酸钾溶液、四水合钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液、硫酸银溶液、硫酸汞溶液、硫酸亚铁溶液、硫酸锌溶液、尿素溶液、邻苯二甲酸氢钾溶液、无水乙醇或自来水；所述的控制电路包括八通阀切换电路模块和串口通讯模块组成，八通阀切换电路模块和串口通讯模块连接；

所述的八通阀切换电路包括芯片P1、芯片P2、电容C1、电阻R1；芯片P1的第8、13管脚分别接地GND，第16脚接5V电源；芯片P1的第8脚连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接芯片P1的第16脚；芯片P1的第10脚连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电源；芯片P1的12、11、10脚分别连接STM32单片机的41、40、39脚；芯片P1的输出端15、1、2、3、4、5、6、7分别连接芯片P2的1、2、3、4、5、6、7、8脚；芯片P2的第9脚接地GND，P2芯片的第10脚连接24V电源；芯片P2的18、17、16、15、14、13、12、11脚分别连接八通阀的Valve_0、Valve_1、Valve_2、Valve_3、Valve_4、Valve_5、Valve_6、Valve_7脚；

所述的串口通讯模块包括芯片P3、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，串口接头P4；芯片P3的9、11脚分别连接STM32单片机的43、42脚；芯片P3的12、15、16脚分别连接3.3V电源；芯片P3的第14脚连接电容C7的一端，电容C7的另一端连接3.3V电源；芯片P3的13脚连接串口接头P4的第3脚，芯片P3的第8脚连接串口接头P4的第1脚；芯片P3的第7脚连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地GND；芯片P3的第6脚连接电容C4的一端；电容C4的另一端连接芯片P3的地5脚；芯片P3的第4脚连接电容C6的一端，电容C6的另一端连接P3芯片的第2脚；芯片P3的第3脚连接电容C5的一端，电容C5的另一端接地GND；串口接头P4的第2脚接地GND；

所述的4~20mA模数转换模块将水污染在线监仪的测量值也即输出的电流转换为数字信号；该采集模块便是用4mA表示0，用20mA表示信号的满刻度1000；

所述的4~20mA模数转换模块包括芯片P5、电容C8、电容C9、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、串口接头P6、运算放大器U1、晶闸管WD1、二极管D1、保险丝F1；芯片P5的1、7、6、5脚分别和STM32单片机的28、26、33、27脚连接；芯片P5的第2脚连接2.5V电源，第4脚接地GND；芯片P5的第8脚连接5V电源，5V电源连接电容C8一端，电容C8另一端接地GND；芯片P5的第3脚连接运算放大器U1的第1脚，运算放大器U1的第1脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接5V电源；运算放大器U1的第8脚连接5V电源，运算放大器U1的第4脚接地GND；运算放大器U1的第2脚连接电阻R2的一端一起连接到5V电源，电阻R2的另一端接地GND；运算放大器U1的第3脚连接晶闸管WD1的一端，晶闸管WD1的另一端接地GND；电容C9的一端连接运算放大器U1的第3脚，电容C9的另一端接地GND；电阻R4的一端连接运算放大器U1的第3脚，电阻R4的另一端连接电阻R6、电阻R7、保险丝F1的一端，电阻R6、R7的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地GND,保险丝F1的另一端连接串口接头P6的第1脚；电阻R7的另一端连接二极管D1的一端，二极管D1的另一端连接串口接头P6的第2脚；

所述的3G数据传输模块将经由串口通讯模块传送的信号发送到3G网络，并通过3G网络完整的存储在终端服务器中，计量人员通过该服务器可随时调取测量数据，从而达到远程计量的目的；

所述的3G数据传输模块使用工业级CDMA2000 EV-DO模块；芯片P1采用NXP公司的74HC595，芯片P2采用STMicroelectronics公司的ULN2803，芯片P3采用TEXASNTRUMENTS公司的MAX3221，芯片P4采用MICROCHIP公司的MCP3002，STM32单片机采用STM32F103RET6。

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