CN202748311U

CN202748311U - 饮用水源毒性污染激光监测系统

Info

Publication number: CN202748311U
Application number: CN 201220342324
Authority: CN
Inventors: 朱金荣; 刘占军; 王斌
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-11-14

Abstract

本实用新型涉及一种饮用水源毒性污染激光监测系统，属于智能化污染监测技术领域，本实用新型采用激光方式进行监测，由于激光属于不可见光，同时方向性好，对鱼类没有影响，因此监测结果更为准确。另外，激光发射管和激光接收管都较为便宜，所以成本较低，适合乡镇自来水厂选用。在相应程序的支持下，当单片机在设定时间内计数值高于或者低于预设范围值时，单片机点亮报警指示灯，在实际应用之中可以通过有线或者无线的方式进行报警，一旦水体被污染，系统将及时发出预警信号，提示自来水厂关闭取水口，防止有毒水进入自来水管网，危及人民群众的生命安全。同时，本实用新型装置可以直接浸入到饮用水源中，试验舱内水体与外部相通，大大降低了硬件成本。

Description

饮用水源毒性污染激光监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种饮用水源毒性污染激光监测系统，借助鱼类的异常行为对饮用水源毒性污染进行实时监测，适合乡镇自来水厂选用，属于智能化污染监测技术领域。

背景技术

目前已有许多理化方法用来监测饮用水源水质，但是对大量的不明毒物污染依然是无能为力的。一旦饮用水源遭受毒性污染而没有被及时发现，将造成无法估量的人员及生态损失。经检索，目前饮用水监测方法主要有以下三种：1、最早采用的是光学方法。光栅栏法和计算机图像处理法都比较成熟，德国BBE公司和日本正兴公司的产品具有代表性。BBE公司的Toxprotect64属于光栅栏法， Fish toximter属于计算机图像处理法,日本正兴公司的产品属于计算机图像处理法，但是价格都较为昂贵，在数十万至百万元左右，大量的乡镇自来水厂难以承受。2）、采用的电磁学方法。主动电极法比较成熟，但对鱼有干扰；被动电极法比较先进，但不成熟。德国Limco公司的MFB属于主动电极法，在一对电极中加高频电场，鱼类游泳会引起水体阻抗变化，另一对电极将感应到变化。中科院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室对Limco公司的方法作了改进，也采用主动电极法，但仍然存在价格昂贵，在十

万元左右。美国陆军环境卫生研究中心开发了一套监测饮用水系统水质的早期预警系统。研究人员让每条鱼在装有两个电极的塑料箱内游动两周，电极可传感鱼肌肉运动时发出的电信号。一旦水中出现毒物污染，鱼的生存指标就会发生变化，偏离正常值，偏离的多少与水中的毒物浓度有关。这种方法属于被动电极法3、扬州大学最初采用矢量水听器对鱼游泳、呼吸和心跳进行监测，对鱼本身无干扰，但外界对传感器干扰影响很大。目前采用激光方式监测实验容器中鱼的活动情况，利用鱼类对污染物敏感的特点，一旦发现实验容器中鱼类活动异常，即发出报警信号。

发明内容

综上所述，目前已有许多理化方法用来监测饮用水源水质，但是对大量的不明毒物污染依然是无能为力的。在化学药品种类越来越复杂的情况下，普通的理化监测方法已经没法满足需要，而目前市场上采用光学、磁学等方法进行监测的设备普遍价格较为昂贵，部分设备在监测的同时对水体中的鱼类有影响，会给监测结果带来误差。本实用新型的目的是克服现有采用光学、磁学等方法进行监测所存在的各种不足，实现对鱼类没有影响、监测结果更为准确、成本较低的适合乡镇自来水厂选用的一种饮用水源毒性污染激光监测系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，一种饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述系统包括上部、下部仪器容器和中部试验容器，上部、下部仪器容器和中部试验容器经螺栓连接；中部试验容器侧壁上开有若干通孔，中部试验容器内水体与外部相通；上部仪器容器中放置激光发射电路；下部仪器容器中放置激光接收电路、单片机控制电路和直流电源电路。

所述的中部试验容器为圆柱形结构，中部试验容器的顶面和底面均设置遮光筛板，遮光筛板不透明，遮光筛板上面有对应激光发射电路中各路激光发射单元电路激光发射二极管的通孔，上下遮光筛板的通孔相对应。

所述的上部仪器容器的底部、下部仪器容器的顶部设置盖板，盖板采用透明的有机玻璃材料。

所述的激光发射电路由二十五路激光发射单元电路组成，各路激光发射单元电路由稳压管D13，运算放大器U1C，三极管Q6，激光发射二极管D15，采样电阻R32，和滤波电容C15、C16、C17组成，运算放大器U1C采用LM358处理或运算，D13为1.2V稳压管，保证运算放大器U1C上的基准电压不会过高；R33为滑动变阻器，用来调节U1C的10脚参考电压；R32为采样电阻，它将流过激光二极管D15和NPN三极管Q6的电流转换为电压，然后输入到运算放大器U1C的9脚，通过与10脚信号的比较，调节输出使得流过激光二极管的电流恒定，保证激光二极管的亮度恒定。

所述直流电源电路设置在上部容器内，通过容器上开孔将导线连接下部容器内的电路，容器壁上的孔用防水胶密封。

所述的激光接收电路由二十五路激光接收单元电路组成；各路激光接收单元电路由激光光电二极管LD2，运算放大器U1A、U1B,电阻R10、R19、R20，电位器R34组成，运算放大器U1A、U1B采用LM358处理或运算，激光光电二极管LD2的负极接电源，限流电阻R19的一端接地，激光光电二极管LD2的接收信号接运算放大器的U2A的第3脚，U2B用作比较器，其第7脚的信号输出接逻辑处理门电路，运算放大器U2A、U2B的第4脚接电源，第11脚接地，U2B的第6脚接电位器R34的可变端，电位器R34的一端接电源，另一端接地。

所述的单片机控制电路以单片机为核心，包括显示、报警电路；以单片机为核心的包括显示、报警电路由单片机STC12C5608的最小系统，四位一体数码管C18，三极管Q7、Q8、Q9、Q10，限流电阻R24、R25、R26、R27，报警灯D14，滤波电容C13和电源指示灯L2组成，电源指示灯L2指示电源是否正常，滤波电容C13是为了电源电压更平稳，由激光接收电路输出的信号接单片机的外部中断0，单片机内根据输入的下降沿进行计数，在设定时间内记得的数值和预设值进行比较，确定水体质量，记得的数值通过数码管进行显示。如果计数值超出预设范围，则通过报警灯D14进行报警指示。

本实用新型采用激光方式进行监测，由于激光属于不可见光，同时方向性好，对鱼类没有影响，因此监测结果更为准确。另外，激光发射管和激光接收管都较为便宜，所以成本较低，适合乡镇自来水厂选用。在相应程序的支持下，当单片机在设定时间内计数值高于或者低于预设范围值时，单片机点亮报警指示灯，在实际应用之中可以通过有线或者无线的方式进行报警，一旦水体被污染，系统将及时发出预警信号，提示自来水厂关闭取水口，防止有毒水进入自来水管网，危及人民群众的生命安全。同时，本实用新型装置可以直接浸入到饮用水源中，试验舱内水体与外部相通，大大降低了硬件成本。

本实用新型由于采用的激光属于不可见光，同时方向性好，对鱼类没有影响，因此监测结果更为准确；试验容器采用圆形结构，使鱼游动自如，薄型结构更能适应浑浊水体；体积小，成本低，易于生产组装，使用方便、简单。对于全国众多的乡镇自来水厂来说投资小，易试用。

附图说明

图1为本实用新型中电路框图；

图2为本实用新型中电源电路图；

图3为本实用新型中激光发射电路中的单元电路图；

图4为本实用新型中激光接收电路中的单元电路图；

图5为本实用新型中单片机控制电路图；

图6为本实用新型中容器结构示意图；

图中，1上部仪器容器，2中部试验容器，3下部仪器容器，4上遮光筛板，5下遮光筛板。

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本实用新型，如图6所示，本实用新型包括上部、下部仪器容器1、3和中部试验容器2，上部、下部仪器容器1、3和中部试验容器2经螺栓连接；它可以直接浸入到饮用水源中，大大降低了硬件成本。中部试验容器2为圆柱形结构，中部试验容器2的侧面上开有若干通孔，中部试验容器2舱内水体与外部相通；上部仪器容器1中放置激光发射电路；下部仪器容器3中放置激光接收电路、单片机控制电路和直流电源电路。使用本实用新型时，中部实验容器2中饲养10条国际标准推荐的斑马鱼或者野生鲫鱼，圆柱形试验舱的设计使鱼游动自如，薄型结构更能适应浑浊水体。如图1所示，本实用新型的电路包括激光发射电路，激光接收电路和以单片机STC12C5608为核心的显示电路、报警电路和为各电路提供工作电源的直流电源电路。

如图2、3、4、5所示，直流电源电路为其他各电路提供工作所需要的电能，可采用现有成熟的直流电源电路。根据置入鱼的数量和容器大小确定激光发射电路中激光二极管的数量，不同数量的鱼和不同数量的激光二极管对应的单片机中参数不同，本实施例中激光发射电路共有25只激光二极管组成，在激光接收电路上有对应的25只激光接收二极管接收激光信号，并将接收到的信号经过运算放大器和比较器处理或运算送至单片机，对数据进行计数存储判断和显示，如果接收到的数据超出预设范围，证明水体被污染，单片机可以通过有线或者无线方式进行报警，在本实用新型中仅用点亮一只高亮LED作为报警信号来说明。

如图2所示，5V直流供电电路由变压器T2、整流桥、12V稳压管D7、滤波电解电容C9组成，变压器T2的两个输入端与交流输入电压两端连接，变压器T2的两个输出端连接整流桥中的二极管D9、D11，12V稳压管D7连接在整流桥中的二极管D9、D10，滤波电解电容C9并联在12V稳压管D7的两端。此电路为后续电路提供低电压工作电源。

如图3所示，激光发射电路由稳压管D13，运算放大器U1C，三极管Q6，激光发射二极管D15，采样电阻R32，和滤波电容C15、C16、C17等组成。D13为1.2V稳压管，保证运算放大器U1C上的基准电压不会过高；R33为滑动变阻器，用来调节U1C的10脚参考电压；R32为采样电阻，它将流过激光二极管D15和NPN三极管Q6的电流转换为电压，然后输入到运算放大器U1C的9脚，通过与10脚信号的比较，调节输出使得流过激光二极管的电流恒定，保证激光二极管的亮度恒定。这部分电路有25个相同的单元组成，图4所示为其中一个单元。对应的，在中间容器顶部有一个遮光筛板，筛板上面有25个小孔，保证激光的方向性。

如图4所示，激光接收电路由激光接收管LD2，运算放大器U1A、U1B,电阻R10、R19、R20，电位器R34组成。激光接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子—空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。电位器R34可以手动调节U2B的基准电压，根据水体的情况确定基准电压大小。运算放大器U1A的放大倍数为（1+R10/R20）*U_I,其中U_I为3号脚的输入信号。U1B用作比较器，将U1A输出的信号处理成为标准的高低电平。没有激光照射的时候，光电管反向电流很小，R19两端没有电势差，因此U1A的3脚相当于接地，放大后1脚输出电压很小，经过U1B比较之后输出低电平；当有激光照射时，二极管的光电流较大，U1A的3脚为电压较高，经过放大后电压更高，输入到U1B中进行比较，输出标准高电平。输出信号输入到逻辑电路中，逻辑电路主要是将25路信号进行处理，通过与或运算处理后输入到单片机中。

如图5所示，以单片机为核心的显示、报警电路由单片机STC12C5608的最小系统，四位一体数码管C18，三极管Q7、Q8、Q9、Q10，限流电阻R24、R25、R26、R27，报警灯D14，滤波电容C13和电源指示灯L2组成。电源指示灯L2指示电源是否正常，滤波电容C13是为了电源电压更平稳。由逻辑电路中输出的信号接单片机的外部中断1，单片机内根据输入的上升沿进行计数，在设定时间内记得的数值和预设值进行比较，确定水体质量，记得的数值通过数码管进行显示。如果计数值超出预设范围，则通过报警灯D14进行报警指示。

本实用新型中的直流电源电路采用现有成熟的电路。

Claims

1.一种饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述系统包括上部、下部仪器容器和中部试验容器，上部、下部仪器容器和中部试验容器经螺栓连接；中部试验容器侧壁上开有若干通孔，中部试验容器内水体与外部相通；上部仪器容器中放置激光发射电路；下部仪器容器中放置激光接收电路、单片机控制电路和直流电源电路。

2.根据权利要求1所述的饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述的中部试验容器为圆柱形结构，中部试验容器的顶面和底面均设置遮光筛板，遮光筛板不透明，遮光筛板上面有对应激光发射电路中各路激光发射单元电路激光发射二极管的通孔，上下遮光筛板的通孔相对应。

3.根据权利要求1或2所述的饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述的上部仪器容器的底部、下部仪器容器的顶部设置盖板，盖板采用透明的有机玻璃材料。

4.根据权利要求3所述的饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述的激光发射电路由二十五路激光发射单元电路组成，各路激光发射单元电路由稳压管D13，运算放大器U1C，三极管Q6，激光发射二极管D15，采样电阻R32，和滤波电容C15、C16、C17组成，运算放大器U1C采用LM358处理或运算，D13为1.2V稳压管，保证运算放大器U1C上的基准电压不会过高；R33为滑动变阻器，用来调节U1C的十脚参考电压；R32为采样电阻，它将流过激光二极管D15和NPN三极管Q6的电流转换为电压，然后输入到运算放大器U1C的九脚，通过与十脚信号的比较，调节输出使得流过激光二极管的电流恒定，保证激光二极管的亮度恒定。

5.根据权利要求3所述的饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述直流电源电路设置在上部容器内，通过容器上开孔将导线连接下部容器内的电路，容器壁上的孔用防水胶密封。

6.根据权利要求3所述的饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述的激光接收电路由二十五路激光接收单元电路组成；各路激光接收单元电路由激光光电二极管LD2，运算放大器U1A、U1B,电阻R10、R19、R20，电位器R34组成，运算放大器U1A、U1B采用LM358处理或运算，激光光电二极管LD2的负极接电源，限流电阻R19的一端接地，激光光电二极管LD2的接收信号接运算放大器的U2A的第三脚，U2B用作比较器，其第七脚的信号输出接逻辑处理门电路，运算放大器U2A、U2B的第四脚接电源，第十一脚接地，U2B的第六脚接电位器R34的可变端，电位器R34的一端接电源，另一端接地。

7.根据权利要求3所述的饮用水源毒性污染激光监测系统，其特征是，所述的单片机控制电路以单片机为核心，包括显示、报警电路；以单片机为核心的包括显示、报警电路由单片机STC12C5608的最小系统，四位一体数码管C18，三极管Q7、Q8、Q9、Q10，限流电阻R24、R25、R26、R27，报警灯D14，滤波电容C13和电源指示灯L2组成，电源指示灯L2指示电源是否正常，滤波电容C13是为了电源电压更平稳，由激光接收电路输出的信号接单片机的外部中断0，单片机内根据输入的下降沿进行计数，在设定时间内记得的数值和预设值进行比较，确定水体质量，记得的数值通过数码管进行显示。