基于dsPIC和MCGS的COD在线监测仪的设计与实现

论文摘要

化学需氧量COD是我国环境水质标准及污水、废水排放标准的控制指标之一,随着我国水环境污染的日益严重,环保部门对环境监测的力度不断增加,开发现代化的COD在线监测设备是提高水质监测水平所必需的。我国水域辽阔、江河众多、城市和企业的排污口多,而监测资金紧缺,国外生产的COD在线监测仪检测精度高,但价格也高,不利于在我国推广,因此开发适合我国国情的COD在线监测仪就显得非常重要。论文分析了国内外COD在线监测技术现状和COD常见的检测方法,选择了重铬酸钾法的改进方法密封催化消解-分光光度法检测COD值。应用dsPIC（数字信号控制器）和MCGS（组态软件）技术,设计了一个新型COD在线监测仪。首先,设计了COD在线自动监测仪的硬件系统,它包括计量系统、消解系统、控制系统、触摸屏。计量系统由高精度多液位光电传感器与蠕动泵组成；消解系统由密封消解管、温度控制模块和光电检测模块组成,光电检测模块中使用了导光纤维,消除了温度对光电测量的影响。根据计量系统和消解系统的组成及工作原理,设计了控制系统的电路,详细介绍了dsPIC最小系统、电源电路、开关量输出电路、模拟信号采集电路、通信接口电路的设计,并介绍了PCB板设计中抗干扰的措施。其次,设计了COD在线监测仪的软件系统,它包括控制系统的程序和触摸屏应用程序,两个模块间采用Modbus通讯协议。控制系统的程序实现了自动检测、温度PID控制、与触摸屏的通讯等功能；以MCGS作为触摸屏的开发平台,设计了主控窗口、设备窗口、用户窗口、运行策略和实时数据库,实现了客户操作、仪器状态、仪器调试、历史报表、参数设置、异常信息等功能界面,特别是3D工艺流程图界面,图中液体流向、蠕动泵及电磁阀等工作状态与仪器同步,画面生动形象、直观准确。最后,介绍了COD值标定的方法-最小二乘直线拟合算法及程序的设计,并对COD监测仪器的实验数据进行了基本误差测定和重复性误差测定,测定的结果为基本误差小于±5%,重复性误差为小于3%。结果表明：该仪器可以用于COD的在线监测,系统运行稳定可靠,符合化学需氧量测定仪检定的技术要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外COD在线监测技术
• 1.2.2 国内COD在线监测技术
• 1.2.3 数字控制技术的发展
• 1.2.4 组态软件的发展现状
• 1.3 论文研究的内容
• 第二章 COD检测方法分析
• 2.1 COD检测方法分类
• 2.2 标准方法
• 2.2.1 消解方法的改进
• 2.2.2 测定方法的改进
• 2.3 间接测定方法
• 2.4 检测方法的选择
• 第三章 COD监测仪总体设计
• 3.1 系统总体结构
• 3.2 计量系统设计
• 3.3 消解系统设计
• 3.3.1 光电检测模块
• 3.3.2 温度控制模块
• 3.4 dsPIC控制系统设计
• 3.5 触摸屏的介绍
• 第四章 dsPIC控制系统硬件设计
• 4.1 dsPIC最小系统介绍
• 4.1.1 dsPIC的内部结构
• 4.1.2 dsPIC33FJ256GP506A芯片及引脚
• 4.2 电源电路设计
• 4.2.1 电源隔离电路设计
• 4.2.2 3.3V直流电源设计
• 4.2.3 20mA恒流源电路设计
• 4.3 信号输入/输出电路设计
• 4.3.1 数字信号输出电路设计
• 4.3.2 模拟信号采集电路设计
• 4.4 通信接口电路设计
• 4.4.1 RS-232接口电路设计
• 4.4.2 RS-485接口电路设计
• 4.4.3 4-20mA模拟通讯口电路设计
• 4.4.4 USB接口电路设计
• 4.5 PCB板设计中的抗干扰措施
• 4.5.1 抑制电源线和地线阻抗噪声
• 4.5.2 印刷电路板的布线原则
• 第五章 COD监测仪软件系统设计
• 5.1 系统软件总体设计
• 5.1.1 系统软件功能框图
• 5.1.2 Modbus通信协议
• 5.2 控制系统程序设计
• 5.2.1 MPLAB集成开发环境简介
• 5.2.2 程序结构和实现方法
• 5.2.3 自动检测程序设计
• 5.2.4 温控程序设计
• 5.2.5 通信程序设计
• 5.3 触摸屏应用程序设计
• 5.3.1 MCGS组态软件
• 5.3.2 主控窗口设计
• 5.3.3 设备窗口设计
• 5.3.4 用户窗口设计
• 5.3.5 运行策略设计
• 5.3.6 实时数据库设计
• 5.4 COD监测仪软件系统调试
• 第六章 实验数据分析
• 6.1 COD值的标定
• 6.1.1 最小二乘法直线拟合算法
• 6.1.2 数据处理程序的设计
• 6.2 COD监测仪性能测试
• 6.2.1 基本误差测定
• 6.2.2 重复性误差测定
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录A 主要电路图
• 附录B 部分源程序