醫(yī)院廢水處理后余氯自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

第一章 緒論第一節(jié) 醫(yī)院污水處理消毒工藝醫(yī)院污水來(lái)自門診、住院部、供應(yīng)室、洗衣班等處的工作、生活、糞便污水，通過(guò)單獨(dú)排水系統(tǒng)化糞池、下水道系統(tǒng)，匯集到污水站水池中，經(jīng)污水處理裝置處理排出。1.11 醫(yī)院污水處理方法 醫(yī)院污水處理的方法主要有物理、化學(xué)、物理化學(xué)法和生物氧化法。1.12 醫(yī)院污水處理工藝醫(yī)院污水處理工藝包括污水凈化、消毒、污泥無(wú)害化及排污檢測(cè)。（1）污水凈化:就是攔截、打撈漂浮物;沉淀、分離懸浮物;并通過(guò)生物氧化使微生物降解，讓處理后污水理化性能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。（2）污水消毒:即殺滅病原微生物。國(guó)內(nèi)外通常用氯或氯的化合物作為消毒劑投入水中水解成鹽酸、次氯酸等有效氯，使其穿過(guò)微生物細(xì)胞壁，氧化酶系統(tǒng)，損傷細(xì)胞膜，使蛋白質(zhì)、RNA、DNA釋放而死亡。鹽酸、次氯酸也能破壞病毒的核酸致其死亡。常用氯消毒劑有液氯、漂白粉，也可用制氯機(jī)電解鹽水產(chǎn)生次氯酸或用二氧化氯發(fā)生器使與HCL作用，產(chǎn)生、。污水排放量不大的單位常用液氯或漂白粉，因制氯機(jī)存在原料成本、運(yùn)輸、設(shè)備維護(hù)、故障修理問(wèn)題。液氯屬嚴(yán)控有毒物品，購(gòu)買手續(xù)環(huán)節(jié)多，因其有效氯含量、殺菌效果高于漂白粉且操作簡(jiǎn)便，為許多排水量不大醫(yī)院首選。使用中，液氯通過(guò)真空投氯機(jī)水射器與水混合形成水化氯（），進(jìn)入接觸消毒池與污水混合消毒。投氯量，一級(jí)處理投氯量約在3050mg/L，二級(jí)處理約在1525mg/L，實(shí)際投氯量根據(jù)余氯檢測(cè)結(jié)果調(diào)整。投氯量過(guò)小，滅菌效果差。投氯量過(guò)大，一會(huì)對(duì)管道設(shè)施產(chǎn)生腐蝕，二會(huì)殺滅非病原微生物，三會(huì)造成氯浪費(fèi)，四會(huì)形成二次污染。氯是刺激性有毒物，常溫常壓下蒸發(fā)成氯氣，遇到眼結(jié)膜、呼吸道粘膜可附著在局部產(chǎn)生刺激作用;吸入濃度高，可侵犯呼吸道致肺水腫。液氯接觸皮膚、粘膜，可致化學(xué)性灼傷。氯瓶需防爆、防高溫。氯氣蒸發(fā)為吸熱過(guò)程，蒸發(fā)量大時(shí)產(chǎn)生冰凍，發(fā)現(xiàn)泄漏可用濕布包裹或噴水臨時(shí)處置，嚴(yán)重時(shí)推入近旁堿水池。氨水與氯氣作用形成氯化氨白煙，用于檢漏。（3）污泥無(wú)害化處理:即對(duì)化糞池、沉淀、生化處理池所排污泥采用消毒、發(fā)酵、焚燒方式進(jìn)行殺滅病原微生物處理。蠕蟲(chóng)及蠕蟲(chóng)的卵比重大于水，污水處理過(guò)程中大量沉淀于污泥，如將未處理污泥施于土壤，既污染河流、水源，也可經(jīng)蔬菜、植物和人類耕作感染人群。 為使排污系統(tǒng)有效工作，污泥需定期清理。清理時(shí)間，化糞池在37個(gè)月以上，調(diào)節(jié)、沉淀、生化池，視淤泥沉積情況。化糞池兼有沉淀、消化作用，能厭氧發(fā)酵使污泥熟化。在化糞池中，沉淀污泥在厭氧產(chǎn)酸菌作用下分解為有機(jī)酸、醇、S、P等，在厭氧甲烷菌作用下酸、醇分解為、，有機(jī)污染物被分解40%50%，病菌、蠕蟲(chóng)及蟲(chóng)卵被部分殺滅?；S池不能清理太勤，以免影響污泥熟化。但要使污水有足夠停留空間沉淀分離，又要有足 夠消化空間，也不能長(zhǎng)期不清理。各池中清理出的污泥，可用氯水消毒或用生石灰混合使pH值達(dá)12，存放7天后排除;也可堆肥發(fā)酵，利用無(wú)氧條件下厭氧菌、兼性厭氧菌分解有機(jī)污染物，產(chǎn)生高溫殺滅作用。有條件單位可焚燒或請(qǐng)環(huán)衛(wèi)部門直接處理。（4）排污檢測(cè):污水處理站化驗(yàn)人員檢測(cè)處理后污水余氯和pH值，其余由環(huán)保、防疫部門檢測(cè)。余氯，污水站當(dāng)班人員每日至少檢測(cè)2次，并作記錄;糞大腸菌群，專業(yè)人員檢測(cè)每月不少于1次;腸道致病菌，專業(yè)人員檢測(cè)每年不少于2次。污水處理站日常監(jiān)測(cè)余氯常用的方法是鄰聯(lián)甲苯胺比色法。pH值測(cè)定，使用精密pH值試紙比色即可。1.13 醫(yī)院污水處理工藝流程 醫(yī)院污水處理方式根據(jù)污水排入的受納水體而定。當(dāng)污水排入有集中污水處理廠的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)，以解決生物性污染為主，采用一級(jí)處理。當(dāng)污水排放到無(wú)集中污水處理廠的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)或地面水域，需對(duì)污水生物性、理化性污染及有毒有害物處理，采用二級(jí)處理方式。二級(jí)污水處理工藝流程:污水池過(guò)濾沉淀加氯排水進(jìn)水如圖，處理構(gòu)筑物由化糞池、下水道、格柵、泵房、集水池、調(diào)節(jié)沉淀池、生物氧化處理池、二次沉淀池、接觸消毒池、污泥池、化驗(yàn)室、堿水池組成。各類污水經(jīng)化糞池、下水道，流入污水處理站的集水池、格柵、調(diào)節(jié)沉淀池，經(jīng)污水泵提升進(jìn)入生物氧化池，二次沉淀池，在接觸消毒池與氯水混合消毒后排出。漂浮物在格柵前被打澇，沉渣污泥定期清入污泥池消毒脫水。為使各類污水充分混合又避免污水泵頻繁啟閉，考慮污水流量、水質(zhì)不恒定及污水曝氣、夜晚不開(kāi)機(jī)、雨季調(diào)水因素設(shè)置調(diào)節(jié)池，工程上常使調(diào)節(jié)、沉淀為一池。二級(jí)污水處理與一級(jí)污水處理相比，僅在工藝上增加了生物氧化處理過(guò)程，即在構(gòu)筑物上增加生物氧化處理池和二次沉淀池。二次沉淀池用以截留生化處理后殘留水中的活性污泥團(tuán)或生物氧化膜?；?yàn)時(shí)從消毒池出水取樣。堿水池是安全必備設(shè)施，當(dāng)儲(chǔ)氯瓶嚴(yán)重泄漏而無(wú)法修復(fù)時(shí)，可將其推入堿水池中，使酸堿中和降低危害。 醫(yī)院常用的生化處理法有射流曝氣、生物接觸氧化等，即活性污泥法和生物氧化膜法。1.14幾種消毒方法的介紹氯消毒應(yīng)用歷史最久，使用也最為廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)是:經(jīng)濟(jì)有效，使用方便，剩余消毒劑對(duì)管網(wǎng)水有安全保護(hù)作用等。缺點(diǎn)是對(duì)于受到有機(jī)污染(包括天然的腐殖質(zhì)類污染和人為的化學(xué)污染)的水體，加氯消毒可以產(chǎn)生對(duì)人體有害的鹵代消毒副產(chǎn)物，如三鹵甲烷類，鹵乙酸類等物質(zhì)。因此，現(xiàn)代的消毒處理必須同時(shí)滿足對(duì)水質(zhì)微生物學(xué)和毒理學(xué)兩方面的要求。1974年，氯化消毒的副產(chǎn)物三氯甲烷在美國(guó)首先被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)自來(lái)水中普遍存在較高濃度的氯仿(三氯甲烷)，二氯甲烷，一氯甲烷和氯仿等700多種有機(jī)化合物，其中許多為“三致”物質(zhì)(即致癌，致突變，致畸)。鑒于氯化處理的弊端，近年興起了一些有效的替代消FCC方法，如紫外線法消毒，臭氧消毒，膜法消毒等等。二氧化氯消毒和臭氧消毒從二十世紀(jì)七八十年代以來(lái)在歐洲得到應(yīng)用，它們共同的優(yōu)點(diǎn)是:消毒能力高于氯，不產(chǎn)生氯代有機(jī)物，消毒副產(chǎn)物生成量小，飲水的口感好等。其中二氧化氯具有剩余保護(hù)作用;而臭氧因自分解速度過(guò)快，對(duì)管網(wǎng)無(wú)剩余保護(hù)，因此采用臭氧消毒的地方還需在出廠水中投加二氧化氯作為剩余保護(hù)。二氧化氯消毒和臭氧消毒的缺點(diǎn)是:費(fèi)用過(guò)高，數(shù)倍于氯消毒;二氧化氯消毒和臭氧不穩(wěn)定，使用時(shí)均需要現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備，設(shè)備復(fù)雜，使用不便。此外，二氧化氯消毒和臭氧消毒的消毒副產(chǎn)物的危害仍需進(jìn)行全面深入的研究。因此，盡管這兩項(xiàng)消毒技術(shù)，特別是二氧化氯消毒技術(shù)，有著很好的應(yīng)用前景，但在短期內(nèi)尚不能全面替代飲用水氯消毒技術(shù)。紫外線消毒是一種物理消毒方法，利用紫外線的殺菌作用對(duì)水進(jìn)行消毒。紫外線污水消毒技術(shù)在國(guó)外經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展， 已經(jīng)成為成熟可靠、投資效益較高的綠色環(huán)保技術(shù)，在世界各地各類城市污水的消毒處理中得到日益廣泛的應(yīng)用，成為替代傳統(tǒng)加氯消毒的主流工藝技術(shù)。為了解決非典型性肺炎疫情期間的消毒問(wèn)題，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的緊急通知中將紫外線消毒作為除加氯和臭氧外的另一種有效的消毒滅菌方法。紫外線消毒處理使用紫外燈照射流過(guò)的水，通過(guò)照射能量的大小來(lái)控制消毒效果。由于紫外線在水中的穿透深度有限，要求被照射的水深度或燈管之間的距離不能過(guò)大。與化學(xué)消毒方法相比，紫外線消毒的優(yōu)點(diǎn)是:殺菌速度快，管理簡(jiǎn)單，不需向水中投加化學(xué)藥劑，產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物少，不存在剩余消毒劑所產(chǎn)生的味道。不足之處是:費(fèi)用較高，紫外燈管壽命有限，無(wú)剩余保護(hù)，消毒效果不易控制等。目前，紫外線消毒僅用于食品飲料行業(yè)用水和部分小型供水系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，氯化消毒在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)大部分污水處理廠家的主要消毒方式。在加強(qiáng)水源保護(hù)，有效去除水中有機(jī)污染物，合理采用氯消毒工藝的基礎(chǔ)上，氯消毒仍將是一種安全可靠，可以廣泛應(yīng)用的消毒方法。第二節(jié) 氯消毒機(jī)理為了保證出廠水在輸送過(guò)程中不被污染，要求水中保持一定濃度的余氯。實(shí)驗(yàn)證明:接觸時(shí)問(wèn)達(dá)30分鐘，游離余氯在0.3mg / L以上時(shí)，對(duì)腸道病原體、鉤端螺旋體、布氏桿菌等均有充分殺滅作用。游離性余氯的嗅覺(jué)和味覺(jué)閥濃度均為0.2-0.5mg / L,慢性閥劑量為2.5mg / L。因此我國(guó)2001年頒布的生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范規(guī)定，“在與水接觸30min后，游離性余氯應(yīng)不低于0.3m妙，管網(wǎng)末梢水不應(yīng)低于0.05mg/L(適用于加氯消毒) 。氯氣是一種黃綠色氣體，在大氣壓下，溫度為0時(shí)，每升重3.22克，其密度約為空氣的2.5倍:在-33.6時(shí)為液態(tài);常溫下，加壓到0.6-0.8Mpa時(shí)也為液態(tài)，此時(shí)每升重1468.4克，約為水重的1.5倍。因此同樣重量的氯氣與液氯相比，體積相差450倍，故常使氯氣液化，便于灌瓶、貯藏、和運(yùn)輸。氯氣能融于水，溶解度隨水溫升高而減少。在常壓下，如水溫在10時(shí)，可溶解1%; 20時(shí)刻溶解0.7%，當(dāng)30時(shí)，只能溶解0.55%.氯氣的殺菌原理,氯氣加入水中后，在幾秒鐘內(nèi)很快水解而產(chǎn)生次氯酸，其反應(yīng)式為:次氯酸在水中分解為:氯的殺菌作用主要依靠次氯酸HC1 0。由于次氯酸的分子量很小，是中型分子，能很快擴(kuò)散到帶負(fù)電的細(xì)菌表面，并透過(guò)細(xì)菌細(xì)胞壁而穿透到細(xì)菌內(nèi)部，以氯的強(qiáng)氧化作用來(lái)破壞細(xì)菌賴以生存的酶系統(tǒng)，從而阻止細(xì)胞吸收葡萄糖，停止新陳代謝，使細(xì)菌死亡，以達(dá)到殺菌的目的。次氯酸根是離子態(tài)的，也具有一定的殺菌作用，但由于細(xì)菌表面帶負(fù)電，因同性相斥，而難以接近，所以次氯酸根的殺菌效果較差。因此，一般認(rèn)為氯的消毒作用主要是通過(guò)次氯酸進(jìn)行的。根據(jù)水中次氯酸與PH值的關(guān)系，在較低PH值條件下，次氯酸所占比例較大，因而消毒效果較好。盡管次氯酸根難于直接起到消毒作用，但是由于水中存在次氯酸與次氯酸根的平衡關(guān)系，當(dāng)次氯酸被消耗后，次氯酸根就會(huì)轉(zhuǎn)化為次氯酸，繼續(xù)進(jìn)行消毒反應(yīng)。在計(jì)算水中消毒劑的含量和存在形式時(shí)，次氯酸與次氯酸根都被計(jì)入。天然水體中一般含有少量的氨氮。加氯產(chǎn)生的次氯酸會(huì)與氨氮反應(yīng)，生成氯胺:上式中 ，, 和分別是一氯胺，二氯氨和三氯胺(三氯化氮)，統(tǒng)稱為氯胺。氯胺本身的氧化能力遠(yuǎn)低于次氯酸，本身的直接消毒作用很弱。但是當(dāng)水中次氯酸被消耗后，氯胺可以通過(guò)逆反應(yīng)，在生成次氯酸進(jìn)行消毒。因此在計(jì)算水中消毒劑的含量時(shí)，氯胺被計(jì)為化合性氯。化合性氯的消毒能力低于游離性氯，因?yàn)榛闲月犬a(chǎn)生的次氯酸的濃度遠(yuǎn)低于水中不含胺氮時(shí)游離性氯的濃度。由于水中含有一定的微生物，粘泥，有機(jī)物及其他還原性化合物要消耗掉一部分有效氯，這部分被消耗掉的氯稱為需氯量，這時(shí)的加氯控制點(diǎn)即轉(zhuǎn)效點(diǎn)。結(jié)合氯是氯與水中某些化合物反應(yīng)生成的具有氧化能力的氯的化合物。例如: , 和,其含氯總量稱為結(jié)合氯或化合性氯，加入水中的氯量如高于需氯量與結(jié)合氯之和時(shí)，剩余的氯在水中多以次氯酸和次氯酸根存在，稱為游離(余)氯，或自由性氯。水中余氯的總和為總氯，平時(shí)所分析的余氯實(shí)際是游離氯與部分具有氧化能力的結(jié)合氯之和。由上述可見(jiàn)，水中的總氯包括游離氯和氯胺。游離氯包括次氯酸，次氯酸根離子和溶解的元素氯。而氯胺包括一氯胺，二氯胺，三氯化胺和有機(jī)氮化物的所有氯化衍生物。第三節(jié) 幾種測(cè)定余氯方法目前余氯測(cè)定方法大體分為兩大類:化學(xué)法和電化學(xué)法。1.N,N-二乙基對(duì)苯二胺DPD)分光光度法方法提要:DPD與水中游離余氯迅速反應(yīng)而產(chǎn)生紅色。在碘化物催化下，一氯胺也能與DPD反應(yīng)顯色。在加入DPD試劑前加入碘化物時(shí)，一部分三氯胺與游離余氯一起顯色，通過(guò)變換試劑的加入順序可測(cè)得三氯氨的濃度。本方 法 適 用于經(jīng)氯化消毒后的生活飲用水及其水源水中游離余氯和各種形態(tài)的化合余氯的測(cè)定。本方法最低檢測(cè)質(zhì)量為0.1 vg，若取l0ml水樣測(cè)定，最低檢測(cè)質(zhì)量濃度為0.Ol mg/L。高濃度的一氯胺對(duì)游離余氯的測(cè)定有干擾，可以用亞砷酸鹽或硫代乙酞胺控制反應(yīng)以除去干擾。氧化錳的干擾可通過(guò)作水樣空白扣除。鉻酸鹽的干擾可用硫代乙酞胺排除。2.3,3,5,5-四甲基聯(lián)苯胺比色法方法提要:在PH值小于2的酸性溶液中，余氯與3,3,5,5-四甲基聯(lián)苯胺反應(yīng)，生成黃色的醒式化合物，用目視比色法定量。本方法可用重鉻酸甲溶液配制永久性余氯標(biāo)準(zhǔn)色列。本方法適用于經(jīng)氯化消毒后的生活飲用水及其水源水中總余氯及游離余氯的測(cè)定。最低檢測(cè)余氯質(zhì)量濃度為0.005mg/L。超過(guò)0.12mg/L的鐵和0.05mg/L的亞硝酸鹽對(duì)本方法有干擾。3.丁香荃連氮分光光度法方法提要:丁香荃連氮在PH值為6.6的緩沖介質(zhì)中與水樣中游離余氯迅速反應(yīng)，生成紫紅色化合物，于528nm 波長(zhǎng)以分光光度法定量。以上方法都為化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方法，所需試劑種類多，配制麻煩，儀器攜帶不方便，操作流程繁瑣，不適于實(shí)時(shí)在線測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。因此在現(xiàn)代化污水處理廠中大量應(yīng)用可在線測(cè)量的基于電化學(xué)原理的測(cè)量方法。電化學(xué)分析方法是儀器分析中普遍應(yīng)用的一類方法，這類方法具有快速、靈敏、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，所用儀器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，通過(guò)和電子及微控制器技術(shù)的緊密結(jié)合，能夠使測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化。第四節(jié) 余氯測(cè)量的意義氯氣是一種常用的消毒殺菌劑，尤其是在給排水工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。但是，氯氣又是一種有毒物質(zhì)，當(dāng)氛氣的濃度太大時(shí)，能夠?qū)θ梭w的皮膚、貓膜、呼吸道等器官造成損傷，甚至危及生命。如果氯氣的濃度太低，又難以起到消毒殺菌的作用。因此，在很多場(chǎng)合都必須嚴(yán)格控制氯氣的濃度，以便達(dá)到既能消毒殺菌，又不危害人體健康的目的。在給排水工業(yè)中，余氯(包括C12, HC10等無(wú)機(jī)活性氯)和總氯(包括無(wú)機(jī)活性氯化物以及CH3C1, NH2C1等有機(jī)氯代物)是評(píng)判水質(zhì)好壞的兩個(gè)重要參數(shù)，是經(jīng)常需要測(cè)定的指標(biāo)之一.為了能更好地控制水質(zhì)，必須實(shí)現(xiàn)余氯、總氯的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定和余氯的在線檢測(cè)。醫(yī)療廢水中存在大量的細(xì)菌和其他有機(jī)污染物，對(duì)周圍環(huán)境影響十分嚴(yán)重。因此，國(guó)家環(huán)保部門要求醫(yī)療機(jī)構(gòu)的所有廢水必須處理后才能排放。目前，一般處理方法是在廢水中通入氯氣將細(xì)菌殺滅。既在密封反應(yīng)罐中，氯酸鈉溶液與鹽酸性活性劑在負(fù)壓條件下由控制系統(tǒng)控制，定量輸送到反應(yīng)系統(tǒng)中，經(jīng)負(fù)壓爆氣反應(yīng)產(chǎn)生二氧化氯與氯氣混合氣體，經(jīng)吸收系統(tǒng)吸收后形成一定濃度的二氧化氯消毒劑，然后，進(jìn)入污水池中，對(duì)污水進(jìn)行消毒。顯然，消毒劑的供應(yīng)量必須恰當(dāng)，才能保證既能對(duì)廢水進(jìn)行有效地消毒，又能保證消毒后的水中剩余氯的含量不致過(guò)高。否則，大量的余氯會(huì)污染地下水及周遍土地，造成新的污染。為檢驗(yàn)氯氣的供應(yīng)量是否適當(dāng)，一般通過(guò)檢測(cè)處理后的水中剩余氯的含量來(lái)進(jìn)行。能夠精確、適時(shí)跟蹤檢測(cè)出余氯的含量，并根據(jù)余氯含量隨機(jī)調(diào)整氯氣的供應(yīng)量，是精確進(jìn)行消毒的基礎(chǔ)。第二章 余氯測(cè)量原理第一節(jié) 余氯測(cè)量方法的選擇縱觀通常采用的國(guó)內(nèi)外各生產(chǎn)廠商的在線余氯分析儀，大部分儀表測(cè)量的是游離(自由)余氯，如ALLDOS公司的314-650, E十H 公司的CCM253/CCS141, Capital公司的1870EC, Ficher&Porter公司的T17M4400,Wallace&Tieman公司的DEPOLOX4等。其中部分儀表更換傳感器或增加緩沖藥劑后還可用來(lái)測(cè)量總余氯，如1870EC,T17M4400等。根據(jù)測(cè)量原理的差異，電化學(xué)測(cè)量方法又可分為電位測(cè)量和電流測(cè)量?jī)煞N方法.1.電位測(cè)量法檢測(cè)電路處理顯示121-電極（pt） 2-參比電極（Ag/AgCI）圖2.1 點(diǎn)位測(cè)量法原理原理圖如圖1.1所示。電位測(cè)量法是利用電池反應(yīng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，通過(guò)電池的電流為零的條件下，利用電極電位和濃度間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)定的一種電化學(xué)分析法。在測(cè)定離子的濃度時(shí)，電位法僅僅測(cè)定溶液中的自由離子，它不破壞溶液中的平衡關(guān)系。電位測(cè)量時(shí)，將一支指示電極與另一支合適的參比電極試液中，構(gòu)成一個(gè)電化學(xué)電池，并通過(guò)測(cè)定該試液的電動(dòng)勢(shì)或電極電位，以求得被測(cè)物質(zhì)的含量。電位分析中使用的電極有離子選擇電極和基于電子交換反應(yīng)的電極，它們均可作為指示電極或參比電極。測(cè)量時(shí)組成電池：指示電極|試液|參比電極電位法測(cè)量得到的電動(dòng)勢(shì)遵循能斯特方程式中E-指示電極電位E0-參比電極電位R-氣體常數(shù)，8.3151J/KT-溶液的絕對(duì)溫度KF-法拉第常數(shù)，96484.6Cn-電極反應(yīng)中得失電子數(shù)氧化態(tài)離子濃度還原態(tài)離子濃度2.電流測(cè)量法方法簡(jiǎn)介：在浸于待測(cè)溶液中的檢出電極和相對(duì)電極之間加上恒定電壓，從電極之間流過(guò)的電流可以測(cè)定出游離余氯的濃度。該方法可以實(shí)現(xiàn)余氯自動(dòng)連續(xù)測(cè)量。具體的在下一節(jié)將詳細(xì)介紹。第二節(jié) 電流法測(cè)量原理余氯是指氯投入水中后，除了與水中細(xì)菌、微生物、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等作用消耗一部分氯量外，還剩下了一部分氯量，這部分氯量就叫做余氯。余氯可分為化合性余氯和游離性余氯，總余氯即化合性余氯與游離性余氯之和。平時(shí)所分析的余氯實(shí)際是游離氯與部分具有氧化能力的結(jié)合氯之和。在分析了目前關(guān)于在線式余氯分析儀器的發(fā)展現(xiàn)狀后，確定采用目前比較先進(jìn)的電化學(xué)電流分析方法。電化學(xué)是物理化學(xué)的一個(gè)組成部分，它研究化學(xué)載流子(電子、空穴、離子等)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，電化學(xué)分析法是建立在溶液的電化學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上的一類分析方法。溶液的電化學(xué)性質(zhì)是指電解質(zhì)溶液通電時(shí)，其化學(xué)組成和濃度隨電位、電流、電導(dǎo)或電量等化學(xué)特性而變化的性質(zhì)。電化學(xué)分析法的實(shí)質(zhì)就是利用這些性質(zhì)，通過(guò)電極這個(gè)變換器，把被測(cè)物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化成電化學(xué)參數(shù)而加以測(cè)量。本章通過(guò)對(duì)電解過(guò)程的分析，揭示出了電解過(guò)程中擴(kuò)散電流與溶液濃度之間的關(guān)系。2.2.1 測(cè)量過(guò)程中的電化學(xué)應(yīng)用電化學(xué)電流分析法測(cè)量余氯的實(shí)質(zhì)是以余氯(主要成分為次氯酸)作為電解質(zhì)進(jìn)行電解反應(yīng)，通過(guò)擴(kuò)散電流的大小反映出次氯酸的濃度，從而達(dá)到進(jìn)行測(cè)量的目的。測(cè)量原理圖如圖2.1所示電位設(shè)定電流讀取工作電極WE反電極CE圖2.2 電流測(cè)量法原理圖對(duì)工作電極和反電極施加以恒定極化電壓，被測(cè)介質(zhì)內(nèi)的次氯酸，在工作電極還原后，產(chǎn)生擴(kuò)散電流信號(hào)陣。其反應(yīng)式如下：陰極(工作電極WE)陽(yáng)極(反電極CE)反應(yīng)過(guò)程中溶液的電化學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律分析如下。2.2.2 法拉第定律法拉第根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，于1833年提出了法拉第定律(Faradayslaw)，它表達(dá)了電解過(guò)程中通過(guò)電解池的電量和電極上起了變化的物質(zhì)的量之間的關(guān)系，內(nèi)容如下：(1)電解時(shí)，電極上發(fā)生變化的物質(zhì)的量與通過(guò)電解池的電量成正比，即與電流強(qiáng)度和通過(guò)電流的時(shí)NJ的乘積成正比;(2)在不同的電解質(zhì)溶液中，當(dāng)分別通過(guò)等量的電流時(shí)，在電極上發(fā)生變化的每種物質(zhì)的量與它們的化學(xué)當(dāng)量成正比，并且在電解池中每通過(guò)96484.6庫(kù)侖(稱為一個(gè)法拉第，以F表示)的電量(以Q表示)，就表示在電極上已經(jīng)有1克當(dāng)量的物質(zhì)起了變化。法拉第定律可用公式表示為: （2-1）式中n為電極反應(yīng)物質(zhì)的當(dāng)量數(shù).假設(shè)電極反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)在電極表面的單位流量為，由式（2-1）法拉第定律可以求得相應(yīng)的電流值為: （2-2） 式中A為電極的表面積。2.2.3 擴(kuò)散方程根據(jù)菲克(Fick)第一定律:放電粒子擴(kuò)一散通過(guò)單位截面積的速度正比于濃差梯度 ，即: （2-3）式中J稱為擴(kuò)散流量，單位，表示電極表面附近溶液中放電離子的濃度梯度，單位為。D為擴(kuò)散系數(shù)，即單位濃度梯度下的粒子的擴(kuò)散速度，單位為，與溫度、粒子的大小和溶液粘度等有關(guān)。負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度增大的方向相反。在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散(濃度及濃度梯度不隨時(shí)間而改變)條件下，為常數(shù)，即 （2-4）式中為溶液深處的濃度，近似等于通電前整體溶液的濃度;為通電時(shí)電極表面附近放電粒子的濃度;為擴(kuò)散層的有效厚度。在實(shí)際情況下，只有存在對(duì)流(自然對(duì)流或者強(qiáng)制對(duì)流)時(shí)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，因此傳感器測(cè)量時(shí)應(yīng)當(dāng)放在保持一定流速的待測(cè)水中，以補(bǔ)充在電極上消耗掉的反應(yīng)物。設(shè)電極反應(yīng)為，即每消耗l mol的反應(yīng)物。就通過(guò)n F的電量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。所以擴(kuò)散流量(參考式2-2)以電流密度(單位面積的電流)可表示為: （2-6）式中負(fù)號(hào)表示反應(yīng)粒子移動(dòng)方向指向電極表面。將式(2-3)和式(2-4)代入，可以得到 （2-7）在穩(wěn)態(tài)條件下，溶液中存在大量惰性電解質(zhì)時(shí)(忽略擴(kuò)散層中放電粒子的電遷移效應(yīng))，擴(kuò)散速度就等于整個(gè)電極過(guò)程的速度，即等于外電流密度，則 (2-8)隨著陰極電流密度增加電極表面附近放電粒子的濃度降低，在極限情況下，這時(shí)擴(kuò)散速度達(dá)到最大值，陰極電流密度也就達(dá)到極大值，即極限擴(kuò)散電流密度為 (2-9)由上式可知道，極限擴(kuò)散電流密度與放電粒子的整體濃度成正比例，與擴(kuò)散層有效厚度成反比例。因此當(dāng)電流密度均勻時(shí)，可以得到此時(shí)外電流為 （2-10）由式(2 -10)可以看到，對(duì)于確定的電極，當(dāng)待測(cè)水樣的流速恒定在一定范圍時(shí)，擴(kuò)散層有效厚度6基本保持不變，外電流與放電粒子整體濃度成正比例，因此通過(guò)測(cè)量此電流值，即可確定所含余氯濃度。第三章 余氯測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以微處理器為核心的各種各樣的嵌入式控制系統(tǒng)已經(jīng)日益廣泛的應(yīng)川在通訊系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、語(yǔ)音、計(jì)算機(jī)外設(shè)、家電、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器的性能越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，系列越來(lái)越多，價(jià)格也越來(lái)越便宜。而在測(cè)量系統(tǒng)中的典型應(yīng)用主要包括單片機(jī)(MCU)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)單片機(jī)實(shí)際上是一塊集成電路，它在一塊硅片上集成了中央處理器CPU、存儲(chǔ)器RAM, ROM或EPROM和各種輸入、輸出接口，甚至定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、并行口、串行口、A/D轉(zhuǎn)換器等。它實(shí)際上是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)具有功耗小、抗干擾能力強(qiáng)，體積小、功能全、價(jià)格低、軟件豐富、面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便、容易產(chǎn)品化等優(yōu)點(diǎn)，能夠方便地嵌入到產(chǎn)品內(nèi)部，組成各種智能式測(cè)量控制系統(tǒng)，因此得到極其廣泛的應(yīng)用。DSP在本質(zhì)上也是一種單片機(jī)，主要應(yīng)用在需要大規(guī)模數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，例如通信、圖像、語(yǔ)音處理，因此集成了更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可以進(jìn)行復(fù)雜的大規(guī)模運(yùn)算，并且能夠靈活地組成各種應(yīng)用系統(tǒng)。DSP在功能上比單片機(jī)更加強(qiáng)大，相應(yīng)地系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也較復(fù)雜，并且價(jià)格也比單片機(jī)系統(tǒng)要高。而在本測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用中，出廠水余氯是變化十分緩慢的量，并且系統(tǒng)中只進(jìn)行少量的數(shù)字信號(hào)處理。因此對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等的速度要求不高，單片機(jī)系統(tǒng)完全能夠滿足要求，因此本測(cè)量?jī)x器采用單片機(jī)系統(tǒng)。第一節(jié) 測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不受外界環(huán)境的干擾;要保證測(cè)量的范圍能夠滿足實(shí)際的需要:還要保證數(shù)據(jù)的采集速度能夠滿足需要，并且能夠?qū)崿F(xiàn)必要的人機(jī)交互。按照以上硬件設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)該在線余氯測(cè)量?jī)x的整體系統(tǒng)框圖原理圖如圖3.1所示。AT89C528155A/D轉(zhuǎn)換鍵盤及顯示D/A轉(zhuǎn)換i-v轉(zhuǎn)換及放大電路調(diào)理電路4-20mA余氯傳感器圖3.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)測(cè)量的工作原理是，在余氯傳感器中次氯酸HCIO被還原，產(chǎn)生還原電流I，電流I轉(zhuǎn)換為電壓V并經(jīng)過(guò)放大濾波等處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入微控制器AT89C52，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，顯示，并輸出一個(gè)用于控制的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。以下就各部分的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行闡述。第二節(jié) 傳感器電路設(shè)計(jì)3.2.1 傳感器選型在此次設(shè)計(jì)中選用499ACL-01余氯傳感器。499ACL-01型傳感器，是一種隔膜覆蓋的電流傳感器，其由（鉑）陰極、（銀）陽(yáng)極和電解液構(gòu)成，陰極上覆蓋著一層允許氣體滲透的多孔隔膜。傳感器工作期間，被測(cè)溶液中的余氯（次氯酸與次氯酸根離子）通過(guò)隔膜擴(kuò)散至陰極上，施加在陰極上的極化電壓將余氯(CL)還原成氯離子(CL-1)，進(jìn)而在陰、陽(yáng)電極之間產(chǎn)生能由分析儀器檢測(cè)出來(lái)的電流，該電流與余氯擴(kuò)散到陰極的速率成正比，即最終與被測(cè)溶液中余氯的濃度成正比。l 不需要預(yù)處理系統(tǒng)，不需要繁瑣、昂貴的反應(yīng)試劑；l 自動(dòng)修正溶液pH值（最高可達(dá)pH 9.5）l 隔膜更換方便，無(wú)需專用工具；l 自動(dòng)補(bǔ)償由于溫度變化對(duì)傳感器隔膜滲透性的影響；l 自動(dòng)壓力平衡，防止隔膜變形；l 可以與Detla和Rosemount Analytical決大多數(shù)分析儀器配套使用；l VP電纜接頭，使傳感器更換時(shí)，無(wú)需更換電纜。傳感器技術(shù)規(guī)格l 測(cè)量范圍 ：0-10ppm（mg 余氯/L）l 濕材料* ：Noryl，Viton，鉑或聚四氟乙烯（只適用于-56 選型代碼）l 陰 電 極 ：鉑（通常的濕材料*）l 精 度 ：取決于化學(xué)比對(duì)測(cè)試儀器的精度l 適用的pH 值修正范圍：6.0-9.5pHl 采樣電導(dǎo)率 ：50s/cml 響應(yīng)時(shí)間 ：25C 時(shí)，22 秒完成最終讀數(shù)的95%l 壓力 ：0-65psig（0-549KPa，絕壓）l 溫度 ：32-122F（0-50C）l 過(guò)程連接 ：1”MNPTl 電解液 ：約25毫升l 電解液使用壽命：約3個(gè)月，要想獲得最好的測(cè)量結(jié)果，請(qǐng)每月更換電解液l 電纜長(zhǎng)度（標(biāo)準(zhǔn)一體化電纜）：25英尺（7.6米）l 電纜長(zhǎng)度（最長(zhǎng)）：300英尺（91米）l 采樣流量/流速 ：如表3-1：流通式1-5克/分鐘（3.8-19升/分鐘）明渠通道（敞開(kāi)水池）1英尺/秒（0.3米/秒）低流量流通池（PN 24091-00）8-15克/小時(shí)（30-57升/小時(shí)）低流量流通池（PN 24091-01）2-5克/小時(shí)（8-19升/小時(shí)）3.2.2傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1-腹膜 2-工作電極WE, 3-反電極CE,4-電解液,5-參考電極RE傳感器采用覆膜式探頭，內(nèi)充滿pH值恒定的電解質(zhì)溶液，用一層滲透膜將電解質(zhì)溶液與被測(cè)介質(zhì)隔離1f來(lái)水無(wú)法通過(guò)覆膜滲透到電解液內(nèi)，但次氯酸卻可以。探頭內(nèi)裝止電極，分別為工作電極(Au)，反電極(Ag/AgCl)和參考電極，電極浸入電解質(zhì)溶液內(nèi)。覆膜材料選用聚四氟乙烯PTFF(俗稱鐵氟龍、塑料王)，聚四氟乙烯是一種乳白色的合成材料，它的化學(xué)穩(wěn)定性極好，即使在“王水”、濃堿中也不起變化，而且.不溶于任何已知有機(jī)溶劑，其性能比玻璃更為穩(wěn)定，是目前化學(xué)穩(wěn)定性最佳的合成材料。它的溫度適用范圍也很寬，為-195-200目聚四氟乙烯具有強(qiáng)烈的憎水性，因此可以防止被測(cè)介質(zhì)內(nèi)的水分侵入到探頭內(nèi)部。由此可以看出聚四氟乙烯仆常適合作為探頭的覆膜材料3.2.3 傳感器電路設(shè)計(jì)傳感探頭內(nèi)的前置轉(zhuǎn)換放大電路示意圖如下圖4.2所示。圖3.3 前置轉(zhuǎn)化放大電路為解決信號(hào)穩(wěn)定問(wèn)題，在傳感器上設(shè)置一個(gè)第三電極即參考電極RE,RE電極的主要作用是控制WE電極和CE電極之間的電位，使其處于某一選定值，R2,R1,C1.IC1構(gòu)成恒電位儀電路，Vbias為偏置電壓。工作電極WE將擴(kuò)散電流引出，經(jīng)過(guò)放大器IC2放大濾波，再經(jīng)過(guò)CMOS模擬開(kāi)關(guān)CD4053來(lái)選擇器放大倍數(shù)，R3,R4之比嚴(yán)格滿足9: 1，使其放大倍數(shù)的變化為10倍，從而可以在兩個(gè)量之間進(jìn)行切換。輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后送入處理芯片。第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計(jì)3.3.1AD轉(zhuǎn)換器選型余氯量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換后是電壓信號(hào)，屬于模擬量，只有轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后才能被處理器采集進(jìn)行分析運(yùn)算等操作，因此要選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可分為逐次逼近式、雙積分式、電荷平衡式等。逐次逼近式A/D速度較快，而雙積分和電荷平衡式的轉(zhuǎn)換速度較慢，但轉(zhuǎn)換精度。選擇A/D要考慮的主要是A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)，有轉(zhuǎn)換精度（包括分辨率和轉(zhuǎn)換誤差）、轉(zhuǎn)換速度等。選擇A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，除考慮這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)注意滿足其輸入電壓的范圍、輸出數(shù)字的編碼、工作溫度范圍和電壓穩(wěn)定度等方面的要求。1、分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬輸入信號(hào)的最小變化量。設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n滿量程電壓為FSR，則A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為分辨率=由上式可以看出，輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)n越多，A/D 轉(zhuǎn)換的分辨率數(shù)值越小，分辨能力越高。位數(shù)越高，分辨率越高另外也可以用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示分辨率，此時(shí)的分辨率稱為相對(duì)分辨率。相對(duì)分辨率定義為：目前一般都簡(jiǎn)單地用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n來(lái)間接代表分辨率。如12 位分辨率A/D 轉(zhuǎn)換2、 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位LSB 的倍數(shù)表示。例如給出，這就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。3、 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。一般微秒（us ）或毫秒（ms） 來(lái)表示通常轉(zhuǎn)換時(shí)間是根據(jù)模擬輸入電壓值來(lái)規(guī)定的。2.3.2 選擇結(jié)果本測(cè)量選用了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，余氯量的變化是十分緩慢的，因此對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的速率要求不高，選用可滿足要求。ICL7135是四位半CMOS雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，采用28腳雙列直插式封裝，雙電源5V供電，量程為2V,A/D結(jié)果為01.9999V，精度1，以多路BCD碼形式輸出結(jié)果，具有數(shù)據(jù)輸出選通脈沖，方便與微處理器的接口。1、主要性能l CMOS集成電路；l 雙積分變換技術(shù)；l 單一參考電壓；l 采用BCD碼掃描輸出；l 能用閃爍顯示的方式表示超量程狀態(tài)；l 具有6路輸入輸出（I/O）輔助信號(hào)，可以與微控制器相連，進(jìn)行復(fù)雜控制；l 具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的超量程和欠量程信號(hào)；l 允許差分輸入；l 具有自動(dòng)極性判別功能和自動(dòng)校零電路；l 雙電源供電；l 準(zhǔn)確度高：0.005%1個(gè)字；l 輸入漏電流低：1pA；l 分辨率高：14位；l 零讀數(shù)漂移低：；l 輸入阻抗高：；l 轉(zhuǎn)換速度慢：3次/s；l 噪聲低：2、極限參數(shù)l 正電源電壓：+6V。l 負(fù)電源電壓：9V。l 模擬輸入電壓： l 參考電壓：l 時(shí)鐘輸入電壓： l 存儲(chǔ)溫度范圍：-65+160.l 功耗：陶瓷封裝：1000mW;塑料封裝：800mW。引線焊接溫度（10s）：+300。3、7135主要特點(diǎn)如下：l 在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零操作。l 在2000字（2V滿量程）范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度1字。l 具有自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。l 輸出電流典型值1PA。l 所有輸出端和TTL電路相容。l 有過(guò)量程（OR)和欠量程（UR)標(biāo)志信號(hào)輸出，可用作自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)。l 輸出為動(dòng)態(tài)掃描BCD碼。l 對(duì)外提供六個(gè)輸入,輸出控制信號(hào)(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于數(shù)字電壓表外,還能與異步接收 /發(fā)送器,微處理器或其它控制電路連接使用。l 采用28外引線雙列直插式封裝，外引線功能端排列如圖4.4所示。圖3.4 ICL7135外引線功能端排列各外引線功能端文字符號(hào)說(shuō)明如下：l V- 負(fù)電源端，l V+ 外接基準(zhǔn)電壓輸入端，l AGND模擬地，l INT積分器輸出，外接積分電容（Cint)端，l AZ外接調(diào)零電容（Caz)端，l BUF緩沖器輸出，外接積分電阻（Rint)端，l Rr+、Rr-外接基準(zhǔn)電壓電容（Cr)端，l INTO、INHI被測(cè)電壓（低、高）輸入端，l V+正電源端，l D5、D4、D3、D2、D1位掃描選通信號(hào)輸出端，其中D5（MSD）對(duì)應(yīng)萬(wàn)位數(shù)選通，其余依次為D4、D3、D2、D1（LSD，個(gè)位），l B8、B4、B2、B1BCD碼輸出端，采用動(dòng)態(tài)掃描方式輸出，l BUST指示積分器處于積分狀態(tài)的標(biāo)志信號(hào)輸出端，l CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端，l DGNG數(shù)字電路接地端，l R/H轉(zhuǎn)換/保持控制信號(hào)輸入端，l ST選通信號(hào)輸出端，主要用作外部寄存器存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的選通控制信號(hào)l OR過(guò)量程信號(hào)輸出端，l UR欠量程信號(hào)輸出端。在電路內(nèi)部，CLK和R/H兩個(gè)輸入端上分別設(shè)置了非門和場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電路，以保證該兩端在懸空時(shí)為高電平。V+ = +5V，V- =-5V，TA=25，時(shí)鐘頻率為120KHz時(shí)，每秒可轉(zhuǎn)換3次。功耗：1000mW（MAX）；電源電壓：V+：+6V（MAX）；V-：-6V（MAX）4、ICL7135數(shù)字部分?jǐn)?shù)字部分主要由計(jì)數(shù)器、鎖存器、多路開(kāi)關(guān)及控制邏輯電路等組成。ICL7135一次A/D轉(zhuǎn)換周期分為四個(gè)階段：1、自動(dòng)調(diào)零（AZ）；2、被測(cè)電壓積分（INT）；3、基準(zhǔn)電壓反積分（DE）；4、積分回零（ZI）。具體內(nèi)部轉(zhuǎn)換過(guò)程這里不做詳解，主要介紹引腳的使用。l R/H（25腳）當(dāng)R/H=“1”（該端懸空時(shí)為“1”）時(shí)，7135處于連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，每40002個(gè)時(shí)鐘周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換。若R/H由“1”變“0”，則7135在完成本次A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入保持狀態(tài)，此時(shí)輸出為最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，不受輸入電壓變化的影響。因此利用R/H端的功能可以使數(shù)據(jù)有保持功能。若把R/H端用作啟動(dòng)功能時(shí)，只要在該端輸入一個(gè)正脈沖（寬度300ns），轉(zhuǎn)換器就從AZ階段開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。注意：第一次轉(zhuǎn)換周期中的AZ階段時(shí)間為9001-10001個(gè)時(shí)鐘脈沖，這是由于啟動(dòng)脈沖和內(nèi)部計(jì)數(shù)器狀態(tài)不同步造成的。l /ST（26腳）每次A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后，ST端都輸出5個(gè)負(fù)脈沖，其輸出時(shí)間對(duì)應(yīng)在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)的5個(gè)位選信號(hào)正脈沖的中間，ST負(fù)脈沖寬度等于1/2時(shí)鐘周期，第一個(gè)ST負(fù)脈沖在上次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后101個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生。因?yàn)槊總€(gè)選信號(hào)（D5-D1）的正脈沖寬度為200個(gè)時(shí)鐘周期（*只有AZ和DE階段開(kāi)始時(shí)的第一個(gè)D5的脈沖寬度為201個(gè)CLK周期），所以ST負(fù)脈沖之間相隔也是200個(gè)時(shí)鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態(tài)（R/H=“0”）則ST無(wú)脈沖信號(hào)輸出。ST信號(hào)主要用來(lái)控制將轉(zhuǎn)換結(jié)果向外部鎖存器、UARTs或微處理器進(jìn)行傳送。l BUSY（21腳）在雙積分階段（INT+DE），BUSY為高電平，其余時(shí)為低電平。因此利用BUSY功能，可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的遠(yuǎn)距離雙線傳送，其還原方法是將BUSY和CLK“與”后來(lái)計(jì)數(shù)器，再減去10001就可得到原來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。l OR（27腳）當(dāng)輸入電壓超出量程范圍（20000），OR將會(huì)變高。該信號(hào)在BUSY信號(hào)結(jié)束時(shí)變高。在DE階段開(kāi)始時(shí)變低。l UR（28腳）當(dāng)輸入電壓等于或低于滿量程的9%（讀數(shù)為1800），則一當(dāng)BUST信號(hào)結(jié)束，UR將會(huì)變高。該信號(hào)在INT階段開(kāi)始時(shí)變低。l POL（23腳）該信號(hào)用來(lái)指示輸入電壓的極性。當(dāng)輸入電壓為正，則POL等于“1”，反之則等于“0”。該信號(hào)DE階段開(kāi)始時(shí)變化，并維持一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換調(diào)期。l 位驅(qū)動(dòng)信號(hào)D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20腳）每一位驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)，脈沖寬度為200個(gè)時(shí)鐘周期，其中D5對(duì)應(yīng)萬(wàn)位選通，以下依次為千、百、十、個(gè)位。在正常輸入情況下，D5-D1輸出連續(xù)脈沖。當(dāng)輸入電壓過(guò)量程時(shí)，D5-D1在AZ階段開(kāi)始時(shí)只分別輸出一個(gè)脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開(kāi)始時(shí)才輸出連續(xù)脈沖。利用這個(gè)特性，可使得顯示器件在過(guò)程時(shí)產(chǎn)生一亮一暗的直觀現(xiàn)象。l B8、B4、B2、B1（16、15、14、13腳）該四端為轉(zhuǎn)換結(jié)果BCD碼輸出，采用動(dòng)態(tài)掃描輸出方式，即當(dāng)位選信號(hào)D5=“1”時(shí)，該四端的信號(hào)為萬(wàn)位數(shù)的內(nèi)容，D4=“1”時(shí)為千位數(shù)內(nèi)容，其余依次類推。在個(gè)、十、百、千四位數(shù)的內(nèi)容輸出時(shí)，BCD碼范圍為0000-1001，對(duì)于萬(wàn)位數(shù)只有0和1兩種狀態(tài)，所以其輸出的BCD碼為“0000”和“0001”。當(dāng)輸入電壓過(guò)量程時(shí)，各位數(shù)輸出全部為零，這一點(diǎn)在使用時(shí)應(yīng)注意。最后還要說(shuō)明一點(diǎn)，由于數(shù)字部分以DGNG端作為接地端，所以所有輸出端輸出電平以DGNG作為相對(duì)參考點(diǎn)?；鶞?zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓的輸入必須對(duì)于模擬公共端COM是正電壓。3.3.2A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)1、設(shè)定工作方式：(1)ICL7135有兩種轉(zhuǎn)換方式，由A/D轉(zhuǎn)換控制端確定，當(dāng)接低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后保持轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸入一個(gè)正脈沖侯(寬度大于300ns)，啟動(dòng)ICL7135開(kāi)始另一次轉(zhuǎn)換;當(dāng)接高電平時(shí)，自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換，周期為40002個(gè)時(shí)鐘。在本系統(tǒng)中采用連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，接+5V高電平。(2)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取:以中斷形式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，ICL7135的端接AT89C52外部中斷，完成一次A/D轉(zhuǎn)換后，該引腳輸出5個(gè)負(fù)脈沖 ，分 別選通新的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高位至低位的BCD碼數(shù)據(jù)輸出，供AT89C52讀取。(3)時(shí)鐘設(shè)定: 將AT89C52芯片的ALE輸出脈沖進(jìn)行1/16分頻后接到ICL7135的時(shí)鐘輸入端CLOCK，由于在本系統(tǒng)中AT89C52時(shí)鐘頻率采用12MHz，則ICL7135的工作時(shí)鐘為，這時(shí)轉(zhuǎn)換速度為，即每秒鐘3次左右，這對(duì)于測(cè)量余氯量是適合的.2、AD轉(zhuǎn)換器外圍電路3、A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘的單片機(jī)控制電路單片機(jī)的ALE端輸出的1MHZ的輸出脈沖經(jīng)過(guò)74LS393進(jìn)行1/16分頻后接到7135的CLK端，并且由單片機(jī)和8155的時(shí)鐘共同控制，具體電路如下圖：第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1單片機(jī)選型根據(jù)CPU的字長(zhǎng)(即數(shù)據(jù)運(yùn)算和傳送的位數(shù))，目前應(yīng)用比較多的低檔單片機(jī)有4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)等，高端的有32位單片機(jī)，例如目前最通用的32位RISC處理器-ARM7處理器系列。32位單片機(jī)主要應(yīng)用在多媒體演播機(jī)、機(jī)頂盒、路由器和調(diào)制解調(diào)器等Internet設(shè)備。4位機(jī)適用于比較簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，例如玩具，簡(jiǎn)單的智能電器等。通過(guò)分析各型單片機(jī)性能結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際需要，本測(cè)量?jī)x選用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能8位CMOS型微處理器。主要功能特性如下:l 兼容MCS51指令系統(tǒng)l 8k可反復(fù)擦寫(xiě)(1000次)Flash ROMl 32個(gè)雙向I/0口l 2568bit內(nèi)部RAMl 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷l(xiāng) 時(shí)鐘頻率024MHzl 2個(gè)串行中斷l(xiāng) 2.7-6V寬工作電壓范圍l 2個(gè)外部中斷源l 內(nèi)置一個(gè)模擬比較放大器l 2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線l 3級(jí)加密位l 低功耗睡眠功能l 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能l 可編程串行通道可反復(fù)擦寫(xiě)的8k bytes F1nsh存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本，256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),可以充分滿足需要，無(wú)需另外擴(kuò)展存儲(chǔ)器;器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容最常用的MCS-51指令系統(tǒng)，方便了軟件程序的開(kāi)發(fā)。3.4.2單片機(jī)功能介紹ATMEL公司是美國(guó)20世紀(jì)08年代中期成立并發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體公司。該公司的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于推出發(fā)Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)量、高可靠性的生產(chǎn)技術(shù)，它率先將獨(dú)特的Fhash存儲(chǔ)技術(shù)注入于單片機(jī)產(chǎn)品中。其推出的AT89系列單片機(jī)，在世界電子技術(shù)行業(yè)中引起了極大的反響，在國(guó)內(nèi)也受到廣大用戶歡迎。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes。的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和256k byte.隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。器件采用六TMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，32個(gè)可編程I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器、低功耗空閑和掉電模式、片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元。其功能方框圖如圖4.3:引腳功能說(shuō)明:. Vcc:電源電壓. GND:地. P0口:P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。圖4.3 AT89C52引腳圖在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，PO口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí).輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)要求外接上拉電阻。. P1口:P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口.做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。. P2口:P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口P2寫(xiě)“1”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，此口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出鎖存器的內(nèi)容.Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口線，更重要的用途時(shí)它的第二功能，如下表所示：表4-2 P3口的第二功能端口引線第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)0）P3.5T1（定時(shí)計(jì)數(shù)1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器xie選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）此外，P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲(chǔ)器編程