毕业设计(论文)-基于LabVIEW的海水水质监测系统的设计

第一章绪论1.1 我国水环境现状目前，我国年均水资源总量为28124亿立方米，居世界第6位，但由于人口众多，地域辽阔，人均水量仅为2400立方米，仅相当于世界人均的25％，低于人均3000立方米的轻度缺水标准，是世界上缺水的国家之一，且我国水资源在时空上分布不均。

目前，我国有400多个城市缺水，其中有100多个城市严重缺水。

正常年份城市缺水60亿立方米，日缺水量达1600万立方米。

地下水多年超采，储量不足。

预计2010年后，我国将进入严重缺水期。

作为世界上第一人口大国和最大的发展中国家，我们在水资源使用和管理上，面临着水资源短缺与水浪费并存、洪涝灾害与生态失衡并存、水环境污染与水管理不善并存的突出矛盾．我国七大江河水系普遍受到不同程度的污染，其中尤以海河和辽河流域污染为重。

据有关资料显示：2002年，七大水系741个重点监测断面中，29.1％的断面满足Ⅰ—Ⅲ类水质要求，30％的断面属Ⅳ、Ⅴ类水质，40.9％的断面属劣Ⅴ类水质。

2002年，全国工业和城镇生活废水排放总量为439.5亿m，比上年增加1.5％，其中工业废水排放量207.2亿m，比上年增加2.3％，城镇生活污水排放量232.3亿m，比上年增加0.9％．由于80％以上的污水未经处理就直接排入水域，已造成90％以上的城市水域严重污染，近50％的重点城镇水源不符合饮用水标准，就连城市地下水都有50％受到严重污染。

水中有毒有害的有机物问题已经越来越突出，如致癌物的水污染问题，一些城市饮用水中已有20多种致癌物。

水资源不合理的开发利用，尤其是水污染的不断加重，引起了政府的高度重视。

近几年来，国家逐步加大环境监测网络建设以提高环境监测能力，改善生态环境。

主要措施包括：加强污染物排放总量的监测，加快空气质量监测网络建设，完善主要流域水质自动监测系统，加强近岸海域监测网能力、生态监测能力、监测信息传输能力等方面的建设，环境自动监测能力有了很大的提高。

从全国的环境监测数据来看，我国的环境污染恶化的趋势已得到基本控制，环境质量有所改善，但是污染仍处于相当高的水平。

因此迫切需要大量的现代化的环境监测仪器，特别需要优质的自动监测系统和污染源在线连续监测系统。

1.2 环境监测仪的现状与前景1.2.1 环境监测仪器的分类1.通用的实验室分析仪器：包括光学类仪器，如可见紫外分光光度计、荧光光度计、原子吸收光度计、等离子体光谱仪、X-射线荧光光谱仪和红外光谱仪；电化学类仪器，如PH计、电导仪、库仑计、电位滴定仪、离子活度计和各种极谱仪；色谱类的仪器，如离子色谱仪、气相色谱仪、高压液相色谱仪、色谱，质谱联机和液谱／质谱联机等。

凡分析实验室应有的仪器环境科学与监测实验室均需要。

2.专用监测仪器：空气—TSP、PMl0、MP25采样器及其监测仪器(β-射线吸收，晶体震荡天平)；气体自动采样器：S02、N02，NO、NOX、03和CO监测仪；水质监测方面：测汞仪、测油仪、CODcr测定仪、DO仪、污水流量计和比例自动采样器等。

3.自动监测系统：空气地面自动监测系统；环境水质自动监测系统；工业污染源在线连续自动监测系统；道路交通噪声自动监测系统等。

1.2.2 国产环境科学监测仪器存在的主要问题国产专用监测仪、采样器数量上占有优势，基本可用，但附加值低，且监测数据多为有线传输，对于监测点地理位置比较分散、偏僻、自然条件较差地方，采用有线传输需要架设专线，成本太高。

高质量的分析仪、专用监测仪器和自动监测系统多是国外引进的，因此国产仪器占的份额很小。

究其原因：一是大型国营企业运行机制问题，未发挥好骨干作用；二是小企业蜂拥而上，缺乏技术缺乏资金，低水平重复的较多，仪器的质量和性能均不能与国外进口仪器抗衡；三是研究院校与企业缺乏紧密合作机制，有技术创新的、有资金脱节的，不能快速实现产业化；四是政府对开发研制环境科学仪器的投资和风险投资不足。

1.2.3 环境监测仪器的未来市场需求1.环境质量监测：全国环保系统及各部门、行业、企业已建监测站4000多个，从业人员6万多人，还有几万个环境科研院所。

近几年正是环境科学和监测分析仪器、装备更新换代和提高水平时期，中央、地方政府和企业每年投资购买仪器装备约两亿人民币。

国家环保局计划要装备400多个国家网络监测站，350多个环境信息中心，100个城市空气地面自动监测系统。

项目包括：FMl0、S02、N02、O3、CO、风向、风速、温度、湿度，约100个国控水质监测断面自动监测系统。

项目包括：PH、温度、电导、浊度、溶解氧、氨氮、总氮、总磷、CODcr、高锰酸盐指数，初步计划投资15亿人民币，其中国家投资三分之二，地方投资三分之一。

这不包括行业、地方和企业的监测站能力建设的投资，各部门、各地方根据环境保护任务的需要另有自己的投资计划。

2.污染源监测：国家要对全国1.8万个重点污染企业实施主要污染物排放总量控制和消减。

以改善环境质量，因此要求1.8万个污染大户要逐步安装在线连续自动监测系统。

污水监测主要包括；污水流量计、自动比例采样器、P11、CODcr、矿物油、氰化物和氨氮等项目的自动监测系统，并实现计算机联网管理。

废气监测主要包括：工业粉尘、烟尘、烟气S02、N02、CO和烟气流速在线连续监测系统，实现计算机联网管理，加强实时监控，这些都是较新的。

成熟的国产仪器系统很少，而需求量比环境质量监测要大得多，主要由污染企业购买。

行业主要是电力、石油化工、建材、冶金、造纸、食品和城市污水处理厂等，潜在的市场有数十亿至数百亿元。

3.遥感遥测仪器仪表：国家提出环境污染防治与生态环境保护并重的方针，要加强生态环境保护，必须对我国生态环境进行监测。

包括对荒漠、草原、森林、海洋、农业生态环境进行监测，也需要对大气污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源进行遥感遥测，还要建立卫星地面接受系统及卫星图片解析系统，对环境生态质量现状及变化趋势进行分析，为国家环境生态保护与建设提供决策的科学依据。

1.3水质监测的现状与前景我国环境水质监测仪器以往主要依赖进口，从2000年开始，成熟的国产化设备才开始在全国范围内大规模推广。

我国的环境水质监测仪器厂家主要以民营为主，在成长初期，规模普遍偏小，技术不够成熟，仪器的可靠性、稳定性不足，难以满足我国复杂的水体环境和日益多样化的污染物监测需求。

市场整体存在集中度不高、区域分割严重、单一企业所占市场份额不大等问题。

随着国家对环保产业的重视和水质自动监测网络体系的建立，环境水质监测仪器厂家数量迅速增长，部分具备自主研发实力的企业发展壮大起来，成为与国外知名品牌如美国哈希、日本岛津等相抗衡的仪器生产企业。

根据中国环保产业协会统计数据，我国环境水质监测行业企业2004年有30家，2009年增加到100家，增幅达到233%，并诞生了如聚光科技（杭州）股份有限公司、河北先河环保股份有限公司、广州市怡文环境科技股份有限公司、宇星科技（深圳）有限公司等业内领先的企业。

其中，河北先河环保股份有限公司已登录A股市场，成为业内为数不多的上市公司，聚光科技（杭州）股份有限公司亦准备挂牌上市。

根据环保产业协会数据，2009年，废水污染源监测行业市场规模6.8亿元。

2009年，地表水质监测行业市场规模3.64亿元。

整个环境水质监测行业市场规模10.44亿元。

根据聚光科技（杭州）股份有限公司和河北先河环保股份有限公司公开披露的资料，2009年，聚光科技（杭州）股份有限公司的环境水质监测系统的营业收入为3,912万元，河北先河环保股份有限公司的环境水质监测系统的营业收入为2,012万元。

据此计算，环境水质监测仪器市场中，聚光科技（杭州）股份有限公司的市场份额为3.75%，河北先河环保股份有限公司的市场份额为1.93%。

由此可见，业内企业仍在积极的跑马圈地过程中，单一企业所占的市场份额不大，市场的集中度仍然不高。

可以预见，随着市场的快速增长，具备自主研发优势和市场拓展能力的企业将占据市场的制高点，更快速的占领市场份额，做大做强。

1.4 课题意义和要求通过对上述现状与前景的分析，我们可以知道环保机关和水产养殖业单位对新型海水水质监测系统的迫切需求。

本系统可使环保机关和水产养殖单位足不出户即能掌握辖区监测点和污染源的监测指标信息，从而使环保机关和水产养殖单位的管理在机制上实现从人工化向信息化的转变，克服了过去对各项环境指标的检测主要靠检测人员到现场手工取样，带回实验室分析后再作出结论，周期长、效率低的问题，还可以提高对环境的监测频次，克服过去由于监测频次低，所造成的后果是总结出来的环境质量和污染源监测信息可信度较低的问题。

这正是本课题提出的意义所在。

本论文主要实现了基于虚拟仪器技术的海水水质监测系统的设计。

本系统通过USB 数据采集卡可同时对水质的温度、pH值、浊度、溶解氧4个参数进行实时数据采集，实时数值显示与处理。

根据功能要求进行功能规划，把整个系统分为传感器模块、调理电路、数据采集卡以及上位机软件系统。

本系统能够在虚拟仪器软件开发平台LabVIEW 上进行水质智能监控，主要包括以下功能：数据采集、上下限报警、采集数据保存、数据回放。

同时，系统软件采用了模块化的设计思想，使本系统能够方便的按照实际需求进行结构与功能上的升级，最大程度的方便用户。

1.5 LabVIEW简介1.5.1电子测量仪器的发展电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。

第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。

这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。

第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。

它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

第四代虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。

1.5.2虚拟仪器概述及其特点虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp. 简称NI）于1986年提出的。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。