基于电化学的饮水机水质监测报警器设计(毕业论文毕业设计).doc

毕业设计(论文)

基于电化学的饮水机水质监测报警器设计

学 号：

姓 名：

专 业：
电气工程及其自动化
系 别：

指导教师：

教授级高工

二○一三年六月

毕业设计(论文)

基于电化学的饮水机水质监测报警器设计

学 号：
09142069
姓 名：
李强
专 业：
电气工程及其自动化
系 别：
机械与电气工程系
指导教师：
李鉴
教授级高工

二○一三年六月

北京交通大学毕业设计（论文）成绩评议

题目： 基于电化学的饮水机水质监测报警器设计

系别： 专业：电气工程及其自动化

姓名： 学号：

指导教师建议成绩： 85

评阅教师建议成绩： 80

答辩小组建议成绩： 84

总成绩： 84

答辩委员会主席签字：

年 月 日

北京交通大学毕业设计（论文）任务书
姓名

学号

专业
电气工程及其自动化
设计（论文）题目
基于电化学的饮水机水质监测报警器设计
题目
性质
● 设计； □ 论文
题目
来源
□ 教学；● 科研；□ 生产； □ 其他
指导教师
职 称
工作单位
备注

教授高级工程师

毕业设计(论文)的内容和要求：
一．目的意义
1．饮用水安全和质量问题在现代社会生活很受重视，自从上世纪60年代美国宇航局处理人排泄循环再用的膜过滤纯净水专利失效流入社会以来，以膜技术为特征的过滤处理饮用水技术风靡世界。但是过期的膜、及积累毒素的过滤层反会对人产生危害，必须及时更换、处理。遗憾的是人们可能忽视和错过更换和处理，喝二次污染水，实时监测水质非常必要。
2．在量大面广的过滤式饮水机上装个小装置计时并实时监测水质变化意义很大，可以形成专利推广应用。
3．基于电化学原理、采用模拟电子、数字电子技术和单片机技术的小装置研制充分体现现代大学生学以致用服务社会用科技施惠人类的典型范例特质。
二．内容和要求
1．以电化学原理研制水质电导率实时监测传感器，便于安装在饮水机的管路上。
2．以单片机2051为核心，连接电压比较器（检测电导信号）、语音芯片、放大器、扬声器等外围器件制成小盒装置实物。编程实现上电时累计计时，水质变坏和滤膜到时之时发出语音提示和声光报警信号的功能。
3．系统实际应用场合调试，编制使用说明，撰写技术论文，争取申报专利或创新参赛。

毕业设计(论文)主要参考资料：
[1] 童诗白、华成英 《模拟电子技术基础》（第四版） 高等教育出版社 2010（05）
[2] 阎 石 《数字电子技术基础》（第五版） 高等教育出版社 2010 (11)
[3] 张晓乡 《89C51单片机实用教程》 电子工业出版社 2010 (08)
[4] maigoozxn 《[直饮机]直饮水机工作原理及过滤程序》 百度知道 201212）
[5] 何希才、薛永毅 《传感器及其应用实例》 机械工业出版社 2004 (04)
[6] 施金鸿、陈光明 《电子技术基础实验与综合实践教程》.北京航空航天大学出版社. 2006 (07)

毕业设计(论文)应完成的工作：
1查找饮用水标准及与之相关的饮水机技术资料。
2探讨、计算电导率与水质变化的曲线关系。
3设计单片机与外围接口以及语音芯片驱动的原理线路。
4 设计选型、购买器件，动手制作小装置。
5录音、编程并实物调试，实现实时监测和计时、超限语音提示声光报警功能。
6技术总结完成论文。准备申报实用新型发明专利和大学生科技创新参赛资料。

进度安排：
2012年12月底—2013年1月初，完成资料调研，写出开题报告；
2013年3月初—4月初 完成所有图纸、选型设计；
2013年4月初—4月底 研制做成小装置。
2013年5月初—5月中 系统编程、调试；
2013年5月中—5月底 完成论文 准备答辩
指导教师签字：

日期： 年 月 日

系意见：

签字：
系（盖章）

日期： 年 月 日

北京交通大学毕业设计（论文）开题报告
姓名

学号

专业
电气工程及其自动化
设计（论文）题目
基于电化学的饮水机水质监测报警器设计
1. 毕业设计(论文)的目的及意义（含国内外的研究现状分析）：
随着科学技术的高速发展，人们的生活水平和质量也在不断提高，饮用水—这个维持生命第一要素已经由原来的自来水厂漂白粉消毒处理，甚至河水，雨水的简单沉淀后，改造为高度净化的纯净水和富含人体所需微量元素的矿泉水。众所周知，上一世纪中期美国宇航局计划投资2.5亿美元建造太空厕所，这费用实在高的离谱。尽管标价昂贵但厕所并非纯金制造，只是有一个很别致的功能——可以把尿液转化为饮用水。其昂贵的制水过程不仅能把尿液过滤成水，而且能从湿毛巾中吸渗出可饮用的水分，美国宇航局官员表示，这种转换水比美国的自来水更洁净。这其中用到的最重要的一项技术就是现在流行的膜过滤技术，后来这项水质净化专利技术年久失效，走入民间成为水处理实用技术普及。
在当今生活中，膜过滤技术一般用于家用饮水机或者工厂，水净化工艺越来越受到人们的重视，而大规模改造现有水厂的生产工艺从经济上尚不可行。在这种背景下水过滤技术应用而生，在我国直饮水机主要靠过滤实现，其工艺过程包括前置超滤膜、食用级阳离子交换树脂、发丝活性炭、能量活水素、颗粒椰壳活性炭、后置超滤膜、液体激活器几个过程。但是一旦时间太久过滤网就会失去作用，无法完成有效的过滤过程，这样水质就会变坏，如果人们无法察觉这种变坏就会给人们健康生活带来问题。在国外这种水质时时报警系统发展比较早，现在已趋于成熟。但是在国内起步较晚，而这种应用于饮水机的时时报警系统上未普遍应用。
对此，本人作为一个即将毕业的大学生，想利用自己大学期间所学的知识来研究一个，基于电化学的饮水机水质监测报警器，以达到饮水机水质变化时报警，提醒人们更换过滤网。这一装置主要用到了大学所学的电化学知识、微机单片机控制技术、数字电子技术、模拟电子技术。

2. 基本内容和技术方案：
一．本设计课题的基本内容是电化学测量饮用水的导电率与单片机应用技术相结合制作饮用水水质变化实时监测报警装置。（原理图详见图2）
1）电化学原理（Electrochemistry），由于纯水是不导电的，当水质不纯水中含有电解质（离子）时，水就可以导电，就可以测水中的电导率。从而电导率的变化可以间接反映了水质的变化。

图 1 水中杂质导电可以测水中的电导率

2）单片机原理：单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器 （Microcontroller Unit）， 常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。
3）系统构成图（见下页）

MPU

MPU

语言存储

放大电路
发光二极管
比较器
反相器
饮水机水管
柱状监测电导率电极
扬声器

图 2 系统结构示意图（电源未标示）
装置功能、工作原理：实时检测进入饮水机水管的电极测量两极之间的离子浓度，将数值发送到比较器，和比较器内正常数值做比较，离子浓度小于正常数值，则说明水质合格，否则发送信号给反相器。反相器向MPU（2051）发送低电平输入信号，MPU收到信号后激活语言存储模块通过放大电路驱动扬声器发出语音报警，同时MPU控制发光二极管发出闪光报警。运行开关启动时就开始累计记时，根据过滤膜的寿命定时，时间一到则向MPU发出信号，发出声光报警。
4）传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
二 设计（论文）结构提要
1. 课题题目：基于电化学的饮水机水质监测报警器设计
绪言
2．关键词： 电化学 电导率传感器 单片机 语音芯片
3．电化学监测水质机理分析
3.1 电导率与水质
3.2 电导率传感器
4．单片机应用原理
4.1 51系列MPU的接口
4.2 51系列MPU指令系统
4.3 外围电路驱动—语音芯片
5．水质监测报警器研制
5.1 各部件原理接线设计及参数计算
5.2 各部件结构和装配图设计
5.3 2051程序编写
5.4 产品的安装调试
6．使用说明书
6.1 原理简介和技术指标
6.2 安装、操作步骤方法
6.3 传感器的标定和报警设定
6.4 常见故障处理
7．研制总结、存在问题分析
后记 感谢协作者
3. 主要参考文献：
[1]童诗白、华成英《模拟电子技术基础》（第四版） 高等教育出版社 2010 (05)
[2]阎 石 《数字电子技术基础》（第五版） 高等教育出版社 2010 (11)
[3]张晓乡 《89C51单片机实用教程》 电子工业出版社 2010 (08)
[4]maigoozxn 《[直饮机] 直饮水机工作原理及过滤程序》百度知道 2012 (12)
[5]何希才、薛永毅《传感器及其应用实例》 机械工业出版社 2004 (04)
[6]施金鸿、陈光明 《电子技术基础实验与综合实践教程》北京航空航天大学出版社
2006 (07)

4. 进度安排：
（1） 2012/12/23—2013/1/10 资料调研和开题报告撰写
（2） 2013/01/--2013/02/20 假期进行有关部件调研考察，方案设计
（3） 2013/03初---第一周 汇总调研有关技术资料，准备方案
（4） 2013/03中---2013/03末 原理设计接线图设计
（5） 2013/03末---2013/04初 工程安装设计，包括数值计算、编写程
（6） 2013/04中---2013/04末 购买器件，制作组装
（7） 2013/05初---一周时间 仿真模拟调试
（8） 2013/05中---2013/05末 项目总结，完成论文 答辩

5. 指导教师意见：
开题简单明了，这是很实用的小装置研制，锻炼动手能力，希望能做出实物，并申报大学生科技创新计划中去。

指导教师签字：
日期： 年 月 日
6. 系意见：

签字：
系（盖章）

日期： 年 月 日

北京交通大学毕业设计（论文）指导教师评阅意见

姓名

学号

专业
电气工程及其自动化
指导教师

职称
教授级高工
单位

指导教师

职称

单位

毕业设计（论文）题目
基于电化学的饮水机水质监测报警器设计
指导教师评语：

是否同意答辩：同意
论文成绩：85
指导教师（签名）：
年 月 日

北京交通大学毕业设计（论文）评阅教师评阅意见

姓名

学号

专业
电气工程及其自动化
指导教师

职称
教授级高工
单位

指导教师

职称

单位

毕业设计（论文）题目
基于电化学的饮水机水质监测报警器设计
对论文的评语：
xx同学毕业论文的选题基于电化学的饮水机水质监测报警器设计，论文探讨了系统分析和设计方法，具有一定实用价值。该同学收集的数据资料较翔实，分析和论证有一定深度，结论正确合理。论文的写作基本规范。存在问题是对存在问题的探讨还可进一步深入，对存在问题原因的分析还可进一步展开。
综上所述，xx同学已经掌握了本专业的基础理论和相关专业知识，该同学写作的毕业论文已经达到本科毕业论文水平，可以提交答辩。

是否同意安排论文答辩：同意
论文成绩：80
评阅教师（签名）：
年 月 日

北京交通大学毕业设计（论文）答辩小组评议意见

姓名

学号

专业
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目
基于电化学的饮水机水质监测报警器设计
答 辩 小 组 成 员:
姓 名
职 称
工作单位
备注

组长

答辩小组评语：
本论文在设计上有意义，设计完整，遗憾未调出结果。在论文答辩过程中，该生能在规定时间内比较流利、清晰地阐述论文的主要内容能恰当回答与论文有关的问题。答辩小组经过充分讨论，根据该生论文质量和答辩中的表现，同意评定论文成绩为良

答辩组长（签名）：

年 月 日
答辩成绩
84

毕业设计（论文）诚信声明
本人声明所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学海滨学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名： 日期：

毕业设计（论文）使用授权书
本人完全了解北京交通大学有关保管、使用论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；③学校可允许论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容。

本人签名： 日期：

摘 要
在当今生活中，膜过滤技术一般用于家用饮水机或者工厂，水净化工艺越来越受到人们的重视，而大规模改造现有水厂的生产工艺从经济上尚不可行。在这种背景下民用水过滤技术应用而生，在我国直饮水机主要靠过滤实现，其工艺过程包括前置超滤膜、食用级阳离子交换树脂、发丝活性炭、能量活水素、颗粒椰壳活性炭、后置超滤膜、液体激活器几个过程。但是一旦时间太久过滤网就会失去作用，无法完成有效的过滤过程，这样水质就会变坏，如果人们无法察觉这种变坏就会给人们健康生活带来问题。在国外这种水质时时报警系统发展比较早，现在已趋于成熟。但是在国内起步较晚，而这种应用于饮水机的时时报警系统上未普遍应用。
此项设计包括使用电导率传感器检测水质情况，由单片机进行数据分析实施报警控制语音输出，从而达到提醒人们水质变坏的目的，及时更换过滤设备，以保证人们的健康生活。
本设计主要阐述了信号采集装置，数据分析芯片，语音输出芯片的设计内容，从而达到水质报警的效果。
关键词:电化学；电导率传感器；单片机；语音芯片

ABSTRACT
In today's life, membrane filtration technology is generally used for household drinking machine or plant, water purification technology has been paid more and more attention, and the production technology of large-scale transformation of the existing water economically not feasible. On the background of this water filtration technology application and, in our drinking water machine mainly depends on the filter implementation, the process including the ultrafiltration membrane, consumption level of cation exchange resin, the hair of activated carbon, energy water, postpositional particle coconut shell activated carbon, ultrafiltration membrane, liquid activation device processes. But once the time is too long. The filter will lose its role, unable to complete the filtration process effectively, so the water quality will be worse, if people can not detect such deterioration will give people a healthy life problems. This water quality alarm system in foreign countries at relatively early development, now has become a mature. But in China started relatively late, and the alarm system applied to the drinking machine is not widely used.
This design including the use of conductivity sensor for the detection of water quality, data analysis of alarm control of the speech output consists of a single chip, so as to achieve the purpose of reminding people to deterioration of water quality, timely replacement of filter equipment, to ensure that people's health life.
This design mainly expounds the signal acquisition device, data analysis chip, the design content of speech output chip, so as to achieve the effect of water quality alarm
KEYWORDS: ochemical sensor; conductivity; single chip;voice chip

目 录

摘 要 i
ABSTRACT ii
目 录 iii
1绪论 1
2水质监测报警器总体设计方案 5
2.1 装置原理及功能说明 5
2.2 系统构成电路图 8
3系统各部件功能说明 9
3.1 信号采集 9
3.2 信号分析及输出系统 11
3.3 中心控制装置 14
3.3.1 主要性能 15
3.3.2 引脚功能说明 17
3.3.3 振荡器特征 18
3.3.4 特殊功能寄存器 19
3.4 声音控制模块 23
3.4.1 应用方框图 25
3.4.2 管脚描述 25
3.4.3 电气参数 27
3.4.4 音频输出线路设计 28
4 主要部件选型及参数 29
4.1 芯片 29
4.2 电阻 29
4.3 晶振的选择 29
4.4 三极管的选择 29
5实物部件的组装 30
结论 33
致谢 36
参考文献 37
附录 38

iv

1绪论
生活饮用水水质与人们的身体健康和日常生活紧密相关。由于水厂水源受到污染，许多出厂水水质不能达到国家生活饮用水水质标准。研究表明，常规净水工艺不能去除原水致突变物，而且加氯处理后，其出厂水的致突变阳性率经常高于未经处理的原水。水净化工艺越来越受到人们的重视，而大规模改造现有水厂的生产工艺从经济上尚不可行。在这种背景下，膜分离技术应运而生，特别是对水中日益增多的致病微生物与有毒有害的有机物等限值的严格要求，使得膜技术在饮用水处理中的应用越来越广泛。膜工艺制备饮用水技术概述
饮用水制备技术的发展历程早在3000 年前的印度和中国，就有利用过滤来改善饮用水水质的记录。总的来说，水质问题的发展经历了3 个阶段：第一阶段，致病菌如伤寒杆菌、霍乱弧菌、痢疾杆菌等病菌的介水传染问题，从1908 年采用加氯消毒后基本得以解决；第二阶段，重金属如汞、镉等的污染问题，通过多种方法治理工业污水而得以解决；第三阶段，即当前阶段，有机物对水的污染问题，在有机物污染中可能存在致害物、致突变物、致畸物
目前去除饮用水中“三致”废水最有效的技术即为膜法，膜技术按照过滤精度分主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透技术。
随着科学技术的高速发展，人们的生活水平和质量也在不断提高，饮用水—这个维持生命第一要素已经由原来的自来水厂漂白粉消毒处理，甚至河水，雨水的简单沉淀后，改造为高度净化的纯净水和富含人体所需微量元素的矿泉水。众所周知，美国宇航局计划投资2.5亿美元建造太空厕所，这费用实在高的离谱。尽管标价昂贵但厕所并非纯金制造，知识有一个很别致的功能——可以把尿液转化为饮用水。其昂贵的制水过程不仅能把尿液过滤成水，而且能从湿毛巾中吸渗出可饮用的水分，美国宇航局官员表示，这种转换水比美国的自来水更洁净。这其中用到的最重要的一项技术就是现在流行的膜过滤技术。
在当今生活中，膜过滤技术一般用于家用饮水机或者工厂，水净化工艺越来越受到人们的重视，而大规模改造现有水厂的生产工艺从经济上尚不可行。在这种背景下水过滤技术应用而生，在我国直饮水机主要靠过滤实现，其工艺过程包括前置超滤膜、食用级阳离子交换树脂、发丝活性炭、能量活水素、颗粒椰壳活性炭、后置超滤膜、液体激活器几个过程。但是一旦时间太久过滤网就会失去作用，无法完成有效的过滤过程，这样水质就会变坏，如果人们无法察觉这种变坏就会给人们健康生活带来问题。在国外这种水质时时报警系统发展比较早，现在已趋于成熟。但是在国内起步较晚，而这种应用于饮水机的时时报警系统上未普遍应用。
国外水质安全性评价体系及方法
世界范围内具有代表性的水质标准有三部：世界卫生组织（WHO）的《饮用水水质准则》、
欧盟(EC)的《饮用水指令》以及美国环保局（USEPA）的《国家饮用水水质标准》。其他国家或地区的饮用水标准大都以这三种标准为基础或重要参考，来制定本国国家标准。
对于水质安全性的评价，首先是确定影响水质安全性的污染物的目标浓度限值。目前，在水中已经发现了2000 多种类别的化学污染物，在饮用水中已鉴别出数百种污染物，但是不可能对饮用水中鉴别出的每种化合物都制定标准限值。这不仅是因为没有足够的科学资料制定如此多的标准，更是由于没有必要。应从实际出发，选择一定数量的指标确定标准限值。
制定标准限值是以现场调查和科学研究资料为依据。如果科学依据不充分，就无法制定限值，
即使是客观上需要的限值，也只能暂不纳入标准。对于饮用水中已检出的低浓度污染物，甚至低于检出限，并且不能经常检出，就没有必要制定限值。只有当污染物含量达到一定水平，有造成危害的可能性，而且检出频率高时，才有制定限值、进行检测的必要性。对于在饮用水中经常检出，并含有一定浓度的化学物质，当其具有明显卫生学意义时，应列入需要优先确定限值的物质名单。为使制定的限值具有可行性，在饮用水中已存在的化学物质浓度范围也是确定限值数值时必须考虑的关键因素。对化学物质进行危险度评价所需资料主要有两
方面来源，一是人群流行病学调查，二是动物的毒理学实验研究。科学的人群流行病学调查可提供最有价值的资料，为制定化学物质限值提供最直接的依据。动物实验研究是在严格控制的条件下进行的，可获得明确的剂量——反应关系，是安全性定量评价的重要基础资料，也是制定限值的主要科学依据。为了确保饮用水水质安全，必须进行经常性的水质监测以及在特定情况下的水质检验，从而基于标准限值评价饮用水的安全性。如果没有可行的检验方法，就无法了解饮用水中污染物特别是化学物质的污染水平，因而无法进行安全性评价。所以只有对已经具有可行检验方法的物质才能纳入标准。另一方面，随着水质标准不断提高，相应地，对于水质监测技术的要求越来越高。这种要求引起了两个不同方向的发展：
（1）对于仪器方法的精度、准确度，尤其检出限要求越来越高，因为随着水质标准提高，
水质指标浓度越来越低，对于原来仪器方法的检出限值提出了挑战，促进仪器进一步改进发展，提高灵敏度和检出限。
（2）对于仪器方法的监测速度提出了更高的要求，原因是新的水质标准对于水质合格的保证率要求日益提高，需要提高监测技术的速率和频率，保证水质合格率达到规定的要求。这种要求促进监测技术在两个方面提高监测速度，一方面是提高原有仪器方法的分析检测速度，大大缩短监测时间；另一方面是促进了仪器小型化和在线化，大量的在线监测分析技术和仪器产品得到了开发应用。
国内净化水情况
国新的《生活饮用水卫生标准》结合我国的国情与实际而制定，体现国际先进水平的要求，也具有可操作性。此次标准的修订，在我国城市供水水质现状和多年积累资料的基础上，吸取了国外水质标准的先进性和科学性，比较符合我国目前的发展需要。在整体指标结构和数量方面，已经基本接近世界先进水平（见表1）。
水质标准的发展趋势
研究比较各国水质标准的发展过程，对微生物、消毒剂及其副产物对人体的影响越来越重视，对指标的规定在越来越全面严格的同时也充分结合实际情况考虑其合理性和科学性这两点应该是未来水质标准的发展趋势。
对现行饮用水水质标准的思考
一个标准体系的好坏不以其指标多少及严格程度来确定，应结合实施地区、实施时间段等多方面因素考虑。水质标准包括各指标参数值的选择确定方法、整个标准系统的建立等相关的丰富内容。同时还应具备完善的标准修订系统，每隔一定时间对现行指标和指标值进行修订，以使其能够及时适应各种变化。最后要增强指标体系的可操作性，避免以实验室所能达到的最低限度作为标准而使常规供水机构无法实现。
过滤积淀需要及时更换，有多级过滤的饮水机，其纤维过滤级最多一季度就要更换，反渗透膜也需2年左右更换，当然用水量大，更需缩短更换间隔时间，否则，“处理”的水，不是标准的，且对人的健康损害更大，及时更换是有成本的，何时更换即使水达到标准范围内，又恰到好处节省成本，就需要实时检测水质变化情况，本课题项目就是基于此目的，采取电导率监测水质，应用单片机技术和语音芯片技术，研制一种小装置附带给量大面广的饮用水处理领域和家庭饮水机，达到自己学以致用，造福人民大众之微薄奉献。
本论文是研制总结对信号输入原理，单片机AY89C2051原理，语音芯片原理进行阐述，对装置原理、电路简捷的设计以达到推广普及应用的愿望。

2水质监测报警器总体设计方案
2.1 装置原理及功能说明
该水质监测报警器电路是由电极作为信号的采集，由LM339电压比较器进行电信号的比较，由AT89C2051单片机进行数据处理，经语音芯片进行语音的控制，再由扬声器进行报警，。可由USB接口供电，也可外接5V直流电源或三个干电池作为装置的能源输入。当水质变坏单片机驱动发光二极管发出报警，再由语音芯片驱动扬声器发出音频报警。图2.1为设计的电气原理图。
电化学（Electrochemistry），电池由两个电极和电极之间的电解质构成，因而电化学的研究内容应包括两个方面：一是电解质的研究，即电解质学，其中包括电解质的导电性质、离子的传输性质、参与反应离子的平衡性质等，其中电解质溶液的物理化学研究常称作电解质溶液理论；另一方面是电极的研究，即电极学，其中包括电极的平衡性质和通电后的极化性质，也就是电极和电解质界面上的电化学行为。
由于电化学以上两方面特性，常常被用于液体中微量元素的精确检测，电导率检测水质就是目前在水处理领域得到普遍应用的成熟技术，以下为电导率监测的方法和原理。
溶解于水的酸、碱、盐电解质，在溶液中解离出正、负离子，使电解质溶液具有导电能力，其导电能力大小可用电导率表示。
电解质溶液的电导率，通常是用两个金属片（即电极）插入溶液中，测量两极间电阻率大小来确定。电导率是电阻率的倒数。其定义是截面积1cm2，极间距离为1cm时，该溶液的电导。电导率的单位为西每厘米（）。在水分析中用它的百万分之一即微西每厘米μs/cm表示水的电导率。
电导电极（简称电极）：实验室常用的电导电极为白金电极或铂黑电极。每一电极有各自的电导池常数，分别下列三类：即0.1以下，0.1～1.0及1.0～10。

由于电导是电阻的倒数，因此，当两个电极(通常为铂电极或铂黑电极)插入溶液中，可以测出两电极间的电阻R。根据欧姆定律，温度一定时，这个电阻值与电极的间距L(cm)成正比，与电极截面积A(cm2)成反比，即：
R＝ρ×L/A （公式2.1）
由于电极面积A与间距L都是固定不变的，故L/A是一个常数，称电导池常数(以Q表示)。
比例常数ρ叫做电阻率。其倒数1/ρ称为电导率，以K表示。
S＝1/R＝1/(ρ×Q) （公式2.2）
S表示电导，反映导电能力的强弱。
所以，K＝QS或K＝Q/R 当已知电导池常数，并测出电阻后，即可求出电导率。

语音存储
发光报警
AT89C2051
比较器
放大电路
电极采集信息
图2.1系统构成电气原理

扬声器
启动开关
水流进
水流出

水桶

语音芯片驱动声音报警
启动声光报警电路开始报警
LED发光报警
开始
分析信号是否正常
语音芯片是否繁忙
发出声音报警
是否按下复位
熄灭LED 关闭SPK
RETI
N
Y
N

Y
Y

N
图2.2构成系统的流程图

2.2 系统构成电路图
本设计课题的基本内容是电化学测量饮用水的导电率与可编程控制器PLC技术相结合制作饮用水水质变化时时报警系统原理图如下图所示

图2.3系统构成电路图

3系统各部件功能说明

该水质监测报警器是有电极作为信号采集，经过LM339电压比较器与给定电压比较器给单片机AT89C2051发送输入信号，当水质不达标将信号传送给单片机单片机经过分析发出声光报警信号，驱动WT588D-U芯片有扬声器发出声音报报警，LED发光报警。

3.1 信号采集
利用电导率仪检测水电导率的原理，电导率是以数字表示溶液传导电流的能力。水的电导率与其所含无机酸、碱、盐的量有一定的关系，当它们的浓度较低时，电导率随着浓度的增大而增加，因此，该指标常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。电导（G）是电阻（R）的倒数。因此当两个电极（通常为铂电极或铂黑电极）插入溶液中，可以测出两电极间的电阻R。根据欧姆定律，温度一定时，这个电阻值与电极间距L（cm）正比，与电极的截面积A（cm2）反比，即R =ρ×（L/A）；其中ρ为电阻率,是长1cm，截面积为1cm2导体的电阻，其大小决定于物质的本性。
采用电化学原理采集信号，见图3.3，当杂质增加时，电阻将减小电导将增加，当用电压表测量电极两端的电压时电压会下降（纯水不导电），但水质持续变坏，未能达到饮用水的标准时，测量其电压很小当低于给定的比较电压时会想单片机AT89C2051发送信号。
实验方案：
模拟纯净水的水质变化，逐步的向烧杯中加入食盐，以达到水中离子浓度增加。电极全部侵入到溶液中，以比便测量信号的不准确。
通过测量电路的测试得出在给定电压为5V的情况下水中的电导率变化比较大，电源的电压为5V额定电流为1A，为准电压为0.036V，当加入食盐以模拟污染环境，水中的电压变为0.019V，继续加入时电压测得为0.010V。因此LM339电压比较器的两个比较电压应为0.019V和0.010V。
电位器
电源
万用表
水杯
图3.1 测量信号电路原理图

158
79
16.97
13
4分NPT
5
图3.2 电极尺寸参数

LM339
图3.3 信号采集原理是示意图

3.2 信号分析及输出系统
信号比较这里采用了LM339型电压比较器，这是一款四电压比较器的集成电路，该电路的特点有，工作电源电压范围宽，单电源、双电压均可工作，单电源2~36V，双电源±1~±18V，消耗电流小，Icc=1.3mA，输入失调电压小，V=±2mA共模输入电压范围宽， Vic=0～Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；采用双列直插14 脚塑料封装（DIP14）和微形的双列14 脚塑料封装（SOP14）