專利名稱：飲用水源毒性污染激光監測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種飲用水源毒性污染激光監測系統，借助魚類的異常行為對飲用水源毒性污染進行實時監測，適合鄉鎮自來水廠選用，屬于智能化污染監測技術領域。
背景技術：
目前已有許多理化方法用來監測飲用水源水質，但是對大量的不明毒物污染依然是無能為力的。一旦飲用水源遭受毒性污染而沒有被及時發現，將造成無法估量的人員及生態損失。經檢索，目前飲用水監測方法主要有以下三種1、最早采用的是光學方法。光柵欄法和計算機圖像處理法都比較成熟，德國BBE公司和日本正興公司的產品具有代表性。BBE公司的Toxprotect64屬于光柵欄法，Fish toximter屬于計算機圖像處理法，日本正興公司的產品屬于計算機圖像處理法，但是價格都較為昂貴，在數十萬至百萬元左右，大量的鄉鎮自來水廠難以承受。2)、采用的電磁學方法。主動電極法比較成熟，但對魚有干擾；被動電極法比較先進，但不成熟。德國Limco公司的MFB屬于主動電極法，在一對電極中加高頻電場，魚類游泳會引起水體阻抗變化，另一對電極將感應到變化。中科院生態環境研究中心環境水質學國家重點實驗室對Limco公司的方法作了改進，也采用主動電極法，但仍然存在價格昂貴，在十萬元左右。美國陸軍環境衛生研究中心開發了一套監測飲用水系統水質的早期預警系統。研究人員讓每條魚在裝有兩個電極的塑料箱內游動兩周，電極可傳感魚肌肉運動時發出的電信號。一旦水中出現毒物污染，魚的生存指標就會發生變化，偏離正常值，偏離的多少與水中的毒物濃度有關。這種方法屬于被動電極法3、揚州大學最初采用矢量水聽器對魚游泳、呼吸和心跳進行監測，對魚本身無干擾，但外界對傳感器干擾影響很大。目前采用激光方式監測實驗容器中魚的活動情況，利用魚類對污染物敏感的特點，一旦發現實驗容器中魚類活動異常，即發出報警信號。
發明內容綜上所述，目前已有許多理化方法用來監測飲用水源水質，但是對大量的不明毒物污染依然是無能為力的。在化學藥品種類越來越復雜的情況下，普通的理化監測方法已經沒法滿足需要，而目前市場上采用光學、磁學等方法進行監測的設備普遍價格較為昂貴，部分設備在監測的同時對水體中的魚類有影響，會給監測結果帶來誤差。本實用新型的目的是克服現有采用光學、磁學等方法進行監測所存在的各種不足，實現對魚類沒有影響、監測結果更為準確、成本較低的適合鄉鎮自來水廠選用的一種飲用水源毒性污染激光監測系統。本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的，一種飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述系統包括上部、下部儀器容器和中部試驗容器，上部、下部儀器容器和中部試驗容器經螺栓連接；中部試驗容器側壁上開有若干通孔，中部試驗容器內水體與外部相通；上部儀器容器中放置激光發射電路；下部儀器容器中放置激光接收電路、單片機控制電路和直流電源電路。所述的中部試驗容器為圓柱形結構，中部試驗容器的頂面和底面均設置遮光篩板，遮光篩板不透明，遮光篩板上面有對應激光發射電路中各路激光發射單元電路激光發射二極管的通孔，上下遮光篩板的通孔相對應。所述的上部儀器容器的底部、下部儀器容器的頂部設置蓋板，蓋板采用透明的有機玻璃材料。所述的激光發射電路由二十五路激光發射單元電路組成，各路激光發射單元電路由穩壓管D13，運算放大器U1C，三極管Q6，激光發射二極管D15，采樣電阻R32，和濾波電容C15、C16、C17組成，運算放大器UlC采用LM358處理或運算，D13為I. 2V穩壓管，保證運算放大器UlC上的基準電壓不會過高；R33為滑動變阻器，用來調節UlC的10腳參考電壓；R32為采樣電阻，它將流過激光二極管D15和NPN三極管Q6的電流轉換為電壓，然后輸入到運算放大器UlC的9腳，通過與10腳信號的比較，調節輸出使得流過激光二極管的電流恒定，保證激光二極管的亮度恒定。所述直流電源電路設置在上部容器內，通過容器上開孔將導線連接下部容器內的電路，容器壁上的孔用防水膠密封。所述的激光接收電路由二十五路激光接收單元電路組成；各路激光接收單元電路由激光光電二極管LD2，運算放大器U1A、UlB,電阻RIO、R19、R20，電位器R34組成，運算放大器U1A、U1B采用LM358處理或運算，激光光電二極管LD2的負極接電源，限流電阻R19的一端接地，激光光電二極管LD2的接收信號接運算放大器的U2A的第3腳，U2B用作比較器，其第7腳的信號輸出接邏輯處理門電路，運算放大器U2A、U2B的第4腳接電源，第11腳接地，U2B的第6腳接電位器R34的可變端，電位器R34的一端接電源，另一端接地。所述的單片機控制電路以單片機為核心，包括顯示、報警電路；以單片機為核心的包括顯示、報警電路由單片機STC12C5608的最小系統，四位一體數碼管C18，三極管Q7、Q8、Q9、Q10,限流電阻R24、R25、R26、R27，報警燈D14，濾波電容C13和電源指示燈L2組成，電源指示燈L2指示電源是否正常，濾波電容C13是為了電源電壓更平穩，由激光接收電路輸出的信號接單片機的外部中斷0，單片機內根據輸入的下降沿進行計數，在設定時間內記得的數值和預設值進行比較，確定水體質量，記得的數值通過數碼管進行顯示。如果計數值超出預設范圍，則通過報警燈D14進行報警指示。本實用新型采用激光方式進行監測，由于激光屬于不可見光，同時方向性好，對魚類沒有影響，因此監測結果更為準確。另外，激光發射管和激光接收管都較為便宜，所以成本較低，適合鄉鎮自來水廠選用。在相應程序的支持下，當單片機在設定時間內計數值高于或者低于預設范圍值時，單片機點亮報警指示燈，在實際應用之中可以通過有線或者無線的方式進行報警，一旦水體被污染，系統將及時發出預警信號，提示自來水廠關閉取水口，防止有毒水進入自來水管網，危及人民群眾的生命安全。同時，本實用新型裝置可以直接浸入到飲用水源中，試驗艙內水體與外部相通，大大降低了硬件成本。本實用新型由于采用的激光屬于不可見光，同時方向性好，對魚類沒有影響，因此監測結果更為準確；試驗容器采用圓形結構，使魚游動自如，薄型結構更能適應渾濁水體;體積小，成本低，易于生產組裝，使用方便、簡單。對于全國眾多的鄉鎮自來水廠來說投資小，易試用。


[0014]圖I為本實用新型中電路框圖；[0015]圖2為本實用新型中電源電路圖；[0016]圖3為本實用新型中激光發射電路中的單元電路圖；[0017]圖4為本實用新型中激光接收電路中的單元電路圖；[0018]圖5為本實用新型中單片機控制電路圖；[0019]圖6為本實用新型中容器結構示意圖；[0020]圖中，I上部儀器容器，2中部試驗容器，3下部儀器容器，4上遮光篩板，5下遮光篩板。
具體實施方式
[0021]結合附圖和實施例進一步說明本實用新型，如圖6所示，本實用新型包括上部、下
部儀器容器I、3和中部試驗容器2，上部、下部儀器容器I、3和中部試驗容器2經螺栓連接；它可以直接浸入到飲用水源中，大大降低了硬件成本。中部試驗容器2為圓柱形結構，中部試驗容器2的側面上開有若干通孔，中部試驗容器2艙內水體與外部相通；上部儀器容器I中放置激光發射電路；下部儀器容器3中放置激光接收電路、單片機控制電路和直流電源電路。使用本實用新型時，中部實驗容器2中飼養10條國際標準推薦的斑馬魚或者野生鯽魚，圓柱形試驗艙的設計使魚游動自如，薄型結構更能適應渾濁水體。如圖I所示，本實用新型的電路包括激光發射電路，激光接收電路和以單片機STC12C5608為核心的顯示電路、報警電路和為各電路提供工作電源的直流電源電路。如圖2、3、4、5所示，直流電源電路為其他各電路提供工作所需要的電能，可采用現有成熟的直流電源電路。根據置入魚的數量和容器大小確定激光發射電路中激光二極管的數量，不同數量的魚和不同數量的激光二極管對應的單片機中參數不同，本實施例中激光發射電路共有25只激光二極管組成，在激光接收電路上有對應的25只激光接收二極管接收激光信號，并將接收到的信號經過運算放大器和比較器處理或運算送至單片機，對數據進行計數存儲判斷和顯示，如果接收到的數據超出預設范圍，證明水體被污染，單片機可以通過有線或者無線方式進行報警，在本實用新型中僅用點亮一只高亮LED作為報警信號來說明。如圖2所示，5V直流供電電路由變壓器T2、整流橋、12V穩壓管D7、濾波電解電容C9組成，變壓器T2的兩個輸入端與交流輸入電壓兩端連接，變壓器T2的兩個輸出端連接整流橋中的二極管D9、D11，12V穩壓管D7連接在整流橋中的二極管D9、D10，濾波電解電容C9并聯在12V穩壓管D7的兩端。此電路為后續電路提供低電壓工作電源。如圖3所示，激光發射電路由穩壓管D13，運算放大器U1C，三極管Q6，激光發射二極管D15，采樣電阻R32，和濾波電容C15、C16、C17等組成。D13為I. 2V穩壓管，保證運算放大器UlC上的基準電壓不會過高；R33為滑動變阻器，用來調節UlC的10腳參考電壓；R32為采樣電阻，它將流過激光二極管D15和NPN三極管Q6的電流轉換為電壓，然后輸入到運算放大器UlC的9腳，通過與10腳信號的比較，調節輸出使得流過激光二極管的電流恒定，保證激光二極管的亮度恒定。這部分電路有25個相同的單元組成，圖4所示為其中一個單元。對應的，在中間容器頂部有一個遮光篩板，篩板上面有25個小孔，保證激光的方向性。如圖4所示，激光接收電路由激光接收管LD2，運算放大器U1A、UlB,電阻R10、R19、R20，電位器R34組成。激光接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很小(一般小于O. I微安)，稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子一空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。電位器R34可以手動調節U2B的基準電壓，根據水體的情況確定基準電壓大小。運算放大器UlA的放大倍數為(l+RlO/I^O)*^，其中U1S 3號腳的輸入信號。UlB用作比較器，將UlA輸出的信號處理成為標準的高低電平。沒有激光照射的時候，光電管反向電流很小，R19兩端沒有電勢差，因此UlA的3腳相當于接地，放大后I腳輸出電壓很小，經過UlB比較之后輸出低電平；當有激光照射時，二極管的光電流較大，UlA的3腳為電壓較高，經過放大后電壓更高，輸入到UlB中進行比較，輸出標準高電平。輸出信號輸入到邏輯電路中，邏輯電路主要是將25路信號進行處理，通過與或運算處理后輸入到單片機中。如圖5所示，以單片機為核心的顯示、報警電路由單片機STC12C5608的最小系統，四位一體數碼管C18，三極管Q7、Q8、Q9、Q10，限流電阻R24、R25、R26、R27，報警燈D14，濾波電容C13和電源指示燈L2組成。電源指示燈L2指示電源是否正常，濾波電容C13是為了電源電壓更平穩。由邏輯電路中輸出的信號接單片機的外部中斷1，單片機內根據輸入的上升沿進行計數，在設定時間內記得的數值和預設值進行比較，確定水體質量，記得的數值通過數碼管進行顯示。如果計數值超出預設范圍，則通過報警燈D14進行報警指示。本實用新型中的直流電源電路采用現有成熟的電路。
權利要求1.一種飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述系統包括上部、下部儀器容器和中部試驗容器，上部、下部儀器容器和中部試驗容器經螺栓連接；中部試驗容器側壁上開有若干通孔，中部試驗容器內水體與外部相通；上部儀器容器中放置激光發射電路；下部儀器容器中放置激光接收電路、單片機控制電路和直流電源電路。
2.根據權利要求I所述的飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述的中部試驗容器為圓柱形結構，中部試驗容器的頂面和底面均設置遮光篩板，遮光篩板不透明，遮光篩板上面有對應激光發射電路中各路激光發射單元電路激光發射二極管的通孔，上下遮光篩板的通孔相對應。
3.根據權利要求I或2所述的飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述的上部儀器容器的底部、下部儀器容器的頂部設置蓋板，蓋板采用透明的有機玻璃材料。
4.根據權利要求3所述的飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述的激光發射電路由二十五路激光發射單元電路組成，各路激光發射單元電路由穩壓管D13，運算放大器U1C，三極管Q6，激光發射二極管D15，采樣電阻R32，和濾波電容C15、C16、C17組成，運算放大器UlC采用LM358處理或運算，D13為I. 2V穩壓管，保證運算放大器UlC上的基準電壓不會過高；R33為滑動變阻器，用來調節UlC的十腳參考電壓；R32為采樣電阻，它將流過激光二極管D15和NPN三極管Q6的電流轉換為電壓，然后輸入到運算放大器UlC的九腳，通過與十腳信號的比較，調節輸出使得流過激光二極管的電流恒定，保證激光二極管的亮度恒定。
5.根據權利要求3所述的飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述直流電源電路設置在上部容器內，通過容器上開孔將導線連接下部容器內的電路，容器壁上的孔用防水膠密封。
6.根據權利要求3所述的飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述的激光接收電路由二十五路激光接收單元電路組成；各路激光接收單元電路由激光光電二極管LD2，運算放大器U1A、UlB,電阻RIO、R19、R20,電位器R34組成，運算放大器U1A、UlB采用LM358處理或運算，激光光電二極管LD2的負極接電源，限流電阻R19的一端接地，激光光電二極管LD2的接收信號接運算放大器的U2A的第三腳，U2B用作比較器，其第七腳的信號輸出接邏輯處理門電路，運算放大器U2A、U2B的第四腳接電源，第十一腳接地，U2B的第六腳接電位器R34的可變端，電位器R34的一端接電源，另一端接地。
7.根據權利要求3所述的飲用水源毒性污染激光監測系統，其特征是，所述的單片機控制電路以單片機為核心，包括顯示、報警電路；以單片機為核心的包括顯示、報警電路由單片機STC12C5608的最小系統，四位一體數碼管C18，三極管Q7、Q8、Q9、Q10，限流電阻R24、R25、R26、R27，報警燈D14，濾波電容C13和電源指示燈L2組成，電源指示燈L2指示電源是否正常，濾波電容C13是為了電源電壓更平穩，由激光接收電路輸出的信號接單片機的外部中斷0，單片機內根據輸入的下降沿進行計數，在設定時間內記得的數值和預設值進行比較，確定水體質量，記得的數值通過數碼管進行顯示。
專利摘要本實用新型涉及一種飲用水源毒性污染激光監測系統，屬于智能化污染監測技術領域，本實用新型采用激光方式進行監測，由于激光屬于不可見光，同時方向性好，對魚類沒有影響，因此監測結果更為準確。另外，激光發射管和激光接收管都較為便宜，所以成本較低，適合鄉鎮自來水廠選用。在相應程序的支持下，當單片機在設定時間內計數值高于或者低于預設范圍值時，單片機點亮報警指示燈，在實際應用之中可以通過有線或者無線的方式進行報警，一旦水體被污染，系統將及時發出預警信號，提示自來水廠關閉取水口，防止有毒水進入自來水管網，危及人民群眾的生命安全。同時，本實用新型裝置可以直接浸入到飲用水源中，試驗艙內水體與外部相通，大大降低了硬件成本。
文檔編號G01N21/31GK202748311SQ20122034232
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者朱金榮, 劉占軍, 王斌 申請人:揚州大學