基于電化學的飲水機水質監測報警器設計(畢業論文畢業設計)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ................................ 23 應用方框圖 ..................................................................................... 25 管腳描述 ......................................................................................... 25 電氣參數 ......................................................................................... 27 音頻輸出線路設計 ......................................................................... 28 4 主要部件選型及參數 ......................................................................................... 29 芯片 ........................................................................................................... 29 電阻 ........................................................................................................... 29 晶振的選擇 ............................................................................................... 29 三極管的選擇 ........................................................................................... 29 5 實物部件的組裝 .................................................................................................. 30 iv 結論 ......................................................................................................................... 33 致謝 ......................................................................................................................... 36 參考文獻 ................................................................................................................. 36 附錄 ......................................................................................................................... 37 1 1 緒論 生活飲用水水質與人們的身體健康和日常生活緊密相關。由于水廠水源受到污染，許多出廠水水質不能達到國家生活飲用水水質標準。研究表明，常規凈水工藝不能去除原水致突變物，而且加氯 處理后，其出廠水的致突變陽性率經常高于未經處理的原水。水凈化工藝越來越受到人們的重視，而大規模改造現有水廠的生產工藝從經濟上尚不可行。在這種背景下，膜分離技術應運而生，特別是對水中日益增多的致病微生物與有毒有害的有機物等限值的嚴格要求，使得膜技術在飲用水處理中的應用越來越廣泛。膜工藝制備飲用水技術概述 飲用水制備技術的發展歷程早在 3000 年前的印度和中國，就有利用過濾來改善飲用水水質的記錄。總的來說，水質問題的發展經歷了 3 個階段：第一階段，致病菌如傷寒桿菌、霍亂弧菌、痢疾桿菌等病菌的介水傳染問題，從 1908 年采用加氯消毒后基本得以解決；第二階段，重金屬如汞、鎘等的污染問題，通過多種方法治理工業污水而得以解決；第三階段，即當前階段，有機物對水的污染問題，在有機物污染中可能存在致害物、致突變物、致畸物 目前，去除飲用水中“三致”廢水最有效的技術即為膜法，膜技術按照過濾精度分主要包括微濾、超濾、納濾和反滲透技術。 隨著科學技術的高速發展，人們的生活水平和質量也在不斷提高，飲用水 —這個維持生命第一要素已經由原來的自來水廠漂白粉消毒處理，甚至河水，雨水的簡單沉淀后，改造為高度凈化的純凈水和富含人體所需微量元素的礦 泉水。眾所周知，美國宇航局計劃投資 億美元建造太空廁所，這費用實在高的離譜。盡管標價昂貴但廁所并非純金制造，知識有一個很別致的功能 —— 可以把尿液轉化為飲用水。其昂貴的制水過程不僅能把尿液過濾成水，而且能從濕毛巾中吸滲出可飲用的水分，美國宇航局官員表示，這種轉換水比美國的自來水更潔凈。這其中用到的最重要的一項技術就是現在流行的膜過濾技術。 在當今生活中，膜過濾技術一般用于家用飲水機或者工廠，水凈化工藝越來越受到人們的重視，而大規模改造現有水廠的生產工藝從經濟上尚不可行。在這種背景下水過濾技術應用而生，在我 國直飲水機主要靠過濾實現，其工藝過程包括前置超濾膜、食用級陽離子交換樹脂、發絲活性炭、能量活水素、 顆粒椰殼活 2 性炭 、 后置超濾膜 、 液體激活器 幾個過程。但是一旦時間太久過濾網就會失去作用，無法完成有效的過濾過程，這樣水質就會變壞，如果人們無法察覺這種變壞就會給人們健康生活帶來問題。在國外這種水質時時報警系統發展比較早，現在已趨于成熟。但是在國內起步較晚，而這種應用于飲水機的時時報警系統上未普遍應用。 國外水質安全性評價體系及方法 世界范圍內具有代表性的水質標準有三部：世界衛生組織（ WHO）的《飲用水水質準則》、 歐盟 (EC)的《飲用水指令》以及美國環保局（ USEPA）的《國家飲用水水質標準》。其他國家或地區的飲用水標準大都以這三種標準為基礎或重要參考，來制定本國國家標準。 對于水質安全性的評價，首先是確定影響水質安全性的污染物的目標濃度限值。目前，在水中已經發現了 20xx 多種類別的化學污染物，在飲用水中已鑒別出數百種污染物，但是不可能對飲用水中鑒別出的每種化合物都制定標準限值。這不僅是因為沒有足夠的科學資料制定如此多的標準，更是由于沒有必要。應從實際出發，選擇一定數量的指標確定標準限值。 制定標準限值是 以現場調查和科學研究資料為依據。如果科學依據不充分，就無法制定限值， 即使是客觀上需要的限值，也只能暫不納入標準。對于飲用水中已檢出的低濃度污染物，甚至低于檢出限，并且不能經常檢出，就沒有必要制定限值。只有當污染物含量達到一定水平，有造成危害的可能性，而且檢出頻率高時，才有制定限值、進行檢測的必要性。對于在飲用水中經常檢出，并含有一定濃度的化學物質，當其具有明顯衛生學意義時，應列入需要優先確定限值的物質名單。為使制定的限值具有可行性，在飲用水中已存在的化學物質濃度范圍也是確定限值數值時必須考慮的關鍵因素。對 化學物質進行危險度評價所需資料主要有兩 方面來源，一是人群流行病學調查，二是動物的毒理學實驗研究。科學的人群流行病學調查可提供最有價值的資料，為制定化學物質限值提供最直接的依據。動物實驗研究是在嚴格控制的條件下進行的，可獲得明確的劑量 —— 反應關系，是安全性定量評價的重要基礎資料，也是制定限值的主要科學依據。為了確 3 保飲用水水質安全，必須進行經常性的水質監測以及在特定情況下的水質檢驗，從而基于標準限值評價飲用水的安全性。如果沒有可行的檢驗方法，就無法了解飲用水中污染物特別是化學物質的污染水平，因而無法進行安全性 評價。所以只有對已經具有可行檢驗方法的物質才能納入標準。另一方面，隨著水質標準不斷提高，相應地，對于水質監測技術的要求越來越高。這種要求引起了兩個不同方向的發展： （ 1）對于儀器方法的精度、準確度，尤其檢出限要求越來越高，因為隨著水質標準提高， 水質指標濃度越來越低，對于原來儀器方法的檢出限值提出了挑戰，促進儀器進一步改進發展，提高靈敏度和檢出限。 （ 2）對于儀器方法的監測速度提出了更高的要求，原因是新的水質標準對于水質合格的保證率要求日益提高，需要提高監測技術的速率和頻率，保證水質合格率達到規定的要求。這 種要求促進監測技術在兩個方面提高監測速度，一方面是提高原有儀器方法的分析檢測速度，大大縮短監測時間；另一方面是促進了儀器小型化和在線化，大量的在線監測分析技術和儀器產品得到了開發應用。 國內凈化水情況 國新的《生活飲用水衛生標準》結合我國的國情與實際而制定，體現國際先進水平的要求，也具有可操作性。此次標準的修訂，在我國城市供水水質現狀和多 年 積 累 資 料 的基礎上，吸取 了 國外水質標準的先進性和科學性，比較符合我國目前的發展需要。在整體指標結構和數 量 方面，已經基本接近世界先進水平（見表 1）。 水質標準的發展趨勢 研 究比較各國水質標準的發展過程，對微生物、消毒劑及其副產物對人體的影響越來越重視，對指標的規定在越來越全面嚴格的同時也充分結合實際情況考慮其合 理 性和科學性這兩點應該是未來水質標準的發展趨勢。 對現 行 飲用水水質標準的思考 一個標準體系的好壞 不 以其指標多少及嚴格程 度 來確定，應結合實施地區、實施時間段等多方面因素考慮。水質標準包括各指標參數值的選擇確定方法、整個標準系統的建 立 等相關的豐富內容。同時還應具備完善的標準修訂系統，每隔 4 一定時間對現 行 指標和指標值進 行 修訂，以使其能夠及時適應各種變化。最后要增強指標體系的可操 作性，避免以實驗室所能達到的最低限 度 作為標準而使常規供水機構無法實現。 過濾積淀需要及時更換，有多級過濾的飲水機，其纖維過濾級最多一季度就要更換，反滲透膜也需 2 年左右更換，當然用水量大，更需縮短更換間隔時間，否則，“處理”的水，不是標準的，且對人的健康損害更大，及時更換是有成本的，何時更換即使水達到標準范圍內，又恰到好處節省成本，就需要實時檢測水質變化情況，本課題項目就是基于此目的，采取電導率監測水質，應用單片機技術和語音芯片技術，研制一種小裝置附帶給量大面廣的飲用水處理領域和家庭飲水機，達到自己學以致用， 造福人民大眾之微薄奉獻。 本論文是研制總結對信號輸入原理，單片機 AY89C2051 原理，語音芯片原理進行闡述，對裝置原理、電路簡捷的設計以達到推廣普及應用的愿望。 5 2 水質監測報警器總體設計方案 裝置原理及功能說明 該水質監測報警器電路是由電極作為信號的采集，由 LM339 電壓比較器進行電信號的比較，由 AT89C2051 單片機進行數據處理，經語音芯片進行語音的控制，再由揚聲器進行報警。可由 USB 接口供電，也可外接 5V 直流電源或三個干電池作為裝置的能源輸入。當水質變壞單 片機驅動發光二極管發出報警，再由語音芯片驅動揚聲器發出音頻報警。圖 為設計的電氣原理圖。 電化學（ Electrochemistry）， 電池 由兩個 電極 和 電極 之間的 電解質 構成，因而電化學的研究內容應包括兩個方面：一是 電解質 的研究，即 電解質 學 ，其中包括 電解質 的導電性質、 離子 的傳輸性質、參與反應離子的平衡性質等，其中 電解質 溶液的物理化學研究常稱作電解質溶液理論；另一 方面是 電極 的研究，即 電極學，其中包括 電極 的平衡性質和通電后的極化性質，也就是 電極 和 電解質 界面上的電化學行為 。 由于電化學以上兩方面特性，常常被用于液體中微量元素的精確檢測，電導率檢測水質就是目前在水處理領域得到普遍應用的成熟技術，以下為電導率監測的方法和原理。 溶解于水的酸、堿、鹽電解質，在溶液中解離出正、負離子，使電解質溶液具有導電能力，其導電能力大小可用 電導率表示。 電解質溶液的電導率，通常是用兩個金屬片（即電極）插入溶液中，測量兩極間電阻率大小來確定。電導率是電阻率的倒數。其定義是截面積 1cm2，極間距離為 1cm 時，該溶液的電導。電導率的單位為西每厘米（ /scm ）。在水分析中用它的百萬分之一即微西每厘米μ s/cm表示水的電導率。 電導電極（簡稱電極）：實驗室常用的電導電極為白金電極或鉑黑電極。每一電極有各自的電導池常數，分別下列三類：即 以下， ～ 及 ～ 10。 由于電導是電阻的倒數，因此，當兩 個電極 (通常為鉑電極或鉑黑電極 )插入溶液中，可以測出兩電極間的電阻 R。根據歐姆定律，溫度一定時，這個電阻 6 值與電極的間距 L(cm)成正比，與電極截面積 A(cm2)成反比，即： R＝ ρL/A （公式 ） 由于電極面積 A 與間距