基于單片機的環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計與實現(xiàn)

引言

隨著人民群眾環(huán)保意識的不斷增強。以及國家對環(huán)保重視程度的不斷提高，社會對環(huán)境監(jiān)測提出了新的更高要求，環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)日趨繁重。據(jù)不完全統(tǒng)計我國已經(jīng)制定的各類國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)有400余項，涵蓋了大氣、水質(zhì)、土壤、噪聲、輻射、固體廢物、農(nóng)藥等領(lǐng)域。并且已經(jīng)開展了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、環(huán)境質(zhì)量周報、日報、預(yù)報監(jiān)測；污染源監(jiān)測、污染事故應(yīng)急監(jiān)測、污染物總量控制監(jiān)測、污染源解析監(jiān)測。環(huán)境污染治理工程效果監(jiān)測等，需監(jiān)測的污染因子達(dá)上百種。這種點多、面廣、任務(wù)繁重的環(huán)境監(jiān)測形勢，急切需要提高環(huán)境監(jiān)測的自動化水平，減少人工作業(yè)量，提高環(huán)境監(jiān)測實效。隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展。推動了單片機技術(shù)的發(fā)展。為野外條件下進(jìn)行實時環(huán)境監(jiān)測提供了便利 單片機以其“個頭小、功能強”為特征。具備微型計算機的功能。單片機應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測儀中，可以減少環(huán)境監(jiān)測儀的體積和質(zhì)量，提高環(huán)境監(jiān)測儀的自動化水平，增強環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

1 主要環(huán)境監(jiān)測儀分析

隨著社會各界對環(huán)境重視度越來越高。各級對環(huán)境監(jiān)測工作的投入也越來越多。有力推動了環(huán)境監(jiān)測水平的提升 環(huán)境監(jiān)測的方式方法也呈現(xiàn)出新的特點和趨勢 環(huán)境監(jiān)測正由人工作業(yè)向自動化、智能化方向發(fā)展。由單項監(jiān)測向立體綜合監(jiān)測方向發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測儀器更具高科技特征。

1.1 紅外溫室氣體監(jiān)測儀

溫室氣體對全球溫度影響極大。導(dǎo)致冰川融化。海平面上升，全球氣候反常惡化。因此。加強對大氣中溫室氣體的監(jiān)測。具有十分重要的意義溫室氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)主要是監(jiān)測大氣中溫室氣體的濃度變化。評估溫室氣體對環(huán)境變化的影響。為國家制定長期發(fā)展規(guī)劃提供支撐紅外光譜氣體監(jiān)測儀主要可用于空氣環(huán)境分析、燃燒排放檢測、焚化爐檢測、科研、氣體純度分析。具有靈敏度高、分辨率高、監(jiān)測氣體種類多的特點。

1.2 空氣環(huán)境有機污染物監(jiān)測儀

空氣環(huán)境有機污染物監(jiān)測儀主要完成對空氣中有機污染物排放的連續(xù)自動監(jiān)測。準(zhǔn)確界定有機污染源排放配置。有效減少有機污染物的排放。降低有機污染物對人體的傷害。減輕空氣惡化程度，提高對區(qū)域性特征有機污染物的監(jiān)測水平。該監(jiān)測分析儀具有便攜、易操作、測試快速準(zhǔn)確的特點，主要應(yīng)用于顆粒污染物的有組織排放 該設(shè)備的使用可有效降低現(xiàn)場監(jiān)測勞動強度、大大提高工作效率、實現(xiàn)現(xiàn)場出數(shù)據(jù)、提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。可以實現(xiàn)及時在監(jiān)測現(xiàn)場反映所監(jiān)測對象的排放濃度、排放速率，為區(qū)域性總量控制指標(biāo)的制定與核查提供了可靠的技術(shù)手段。對國控重點污染源企業(yè)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性、審核工作的監(jiān)督性提供了便捷的手段。

1.3 水體水質(zhì)監(jiān)測儀

水體水質(zhì)監(jiān)測儀主要完成對水體的水質(zhì)污染物排放情況進(jìn)行有效監(jiān)測，特別適用于重金屬的監(jiān)測水體水質(zhì)監(jiān)測儀主要基于順序注射分析平臺，結(jié)合光度比色、陽極伏安溶出等檢測技術(shù)。實現(xiàn)水環(huán)境的重金屬在線監(jiān)測。滿足當(dāng)前水環(huán)境重金屬在線監(jiān)測需求。該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于飲用水安全預(yù)警、污染源節(jié)能減排管理、水環(huán)境現(xiàn)狀管理評價與規(guī)劃等。

1.4 逃逸氨監(jiān)測儀

逃逸氨監(jiān)測儀的探頭使用催化劑將氨氣轉(zhuǎn)換為NOx，經(jīng)過除塵、除水，再經(jīng)過氮氧化物轉(zhuǎn)換器，將NO2轉(zhuǎn)換為NO，送人高精度的測量單元，測得混合氣體的NO濃度同時另一獨立的通道，經(jīng)過除塵、除水、除氨氣，經(jīng)過氮氧化物轉(zhuǎn)換器。送入測量單元，測量出NOx的濃度。測量的混合氣體轉(zhuǎn)換為NO的濃度減去NOx的濃度，就是氨氣的濃度同時通過采樣處理，利用光譜分析技術(shù)和分析方法。實現(xiàn)高精度測量。

2 基于單片機的環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提高環(huán)境監(jiān)測的實效。減少室外作業(yè)量。發(fā)揮單片機體積小、功耗低、數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)勢。筆者提出一種基于單片機的環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計方案該設(shè)計整體系統(tǒng)包括微處理器模塊(16位單片機、日歷時鐘芯片、復(fù)位電路及外圍電路)、傳感器測量模塊(紅外傳感器、溫濕度傳感器、氣體敏感元件等)、存儲器模塊(Fjash存儲器)、通信模塊f串口通信、無線通信)、電源模塊等組成，主要完成對空氣質(zhì)量、空氣中有機污染物及有關(guān)氣體進(jìn)行監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該儀器可以同時監(jiān)測氣體和可吸人顆粒物濃度。在同一顯示屏顯示一臺儀器可以同時監(jiān)測四種參數(shù)。該儀器工作方式為自動采樣自動分析。測量濃度直接在顯示屏上顯示。并自動計算日平均、月平均值，可以儲存30天的監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括日平均、月平均值)。儀器帶USB、RS485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存接口。可以將儲存的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計算機上。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 傳感器的選取

傳感器是決定監(jiān)測儀精度的關(guān)鍵性元件。必須慎重進(jìn)行選擇。該儀器中傳感器的選擇主要依據(jù)室外工作環(huán)境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、功耗、體積大小等因素綜合進(jìn)行考慮本監(jiān)測儀選用的各類傳感器分別為：離子敏型傳感器ISFET、集成溫度傳感器TMP35、集成濕度傳感器HM1500、氣敏傳感器MR51l等。這些傳感器具備上述優(yōu)點，同時具有體積小等特點。卜分適宜室外環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的要求。

2.3 溫室氣體測量模塊

采用MH—410V/DNDIR紅外氣體傳感器對CO，氣體進(jìn)行監(jiān)測。MH-410V/D NDIR紅外氣體傳感器是一個通用型、智能型、微型傳感器。該傳感器利用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的c0 進(jìn)行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長。內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補償；MH一410V/D是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術(shù)與微型機械加工、精良電路設(shè)計緊密結(jié)合，制作出的小巧型紅外氣體傳感器。

2.4 軟件設(shè)計

軟件運用模塊化設(shè)計，采用匯編語言與C語言混合編寫，包括主程序和中斷程序，有初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、顯示模塊、中斷模塊、系統(tǒng)測試與報警模)塊。單片機系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始化程序，完成片內(nèi)各模塊的設(shè)置、清LCD存儲器、端VI設(shè)定等初始化工作，然后轉(zhuǎn)入主程序。開啟中斷，循環(huán)設(shè)置低功耗模式并執(zhí)行空操作。初始化是對外部接口、定時器等部件初始化；傳感器模塊完成對數(shù)據(jù)的采集：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊是完成對相關(guān)單項測量結(jié)果的分析處理：顯示模塊將監(jiān)測結(jié)果：中斷控制模塊完成環(huán)保數(shù)據(jù)超標(biāo)報警或出現(xiàn)異常報警的自診斷功能。