基于单片机的智能浊度仪

　　浊度是衡量水质的重要指标之一,用以表示水的清澈或浑浊程度.饮用、食物及饮料加工、工厂排放等场合的水都应严格控制浊度.随着人们对食品安全、环境保护越来越重视,公众更加关注水浊度的监视与测量.我们应用光散射与透射比值法设计了一种基于单片机的智能浊度仪,实现了浊度的准确测量.

　　1　比值法光电式浊度仪测量原理量[1,3,4]

　　根据朗伯特—比尔定律,透射光减弱的程度随浊度的增加按指数形式衰减见式(1).采用线性光电元件转换得到的电信号公式(2).

式中: Ut为透射光对应的电信号;A为与电路参数有关的常数.

　　理想状态下(当水中颗粒半径较小时),一般可认为90°散射光强度服从瑞利(Rayleigh)定律和米氏(Mie)定理.在实际测量中,光束由光源到达所考虑的区域及该区域所产生的散射光到达光电接收器都必须穿透一定距离的待测浊度液而衰减,其衰减规律在浊度不是很高时应符合朗伯特—比尔定律.入射光强与散射光强的关系,见式(3).采用线性光电元件转换得到的电信号见式(4).

式中:Us为散射光对应的电信号;B为与电路参数有关的常数;K为比例系数。

　　实际应用中,通过结构设计使l1与l2基本相同,所以由式(4)与式(2)可近似得出式(5):

　　比值法通过测量散射光与透射光强度之比可得出水样浊度,比值越大,浊度越大.由于光源强度、电路参数变化对读数所造成的干扰可以消掉,比值法表现出比透射法、散射法更好的整体性能.

　　2　浊度仪总体结构框图

　　单片机控制光源信号发生电路,实现背景光去除和测量状态的切换;测量池中散射和透射探测器呈90°分布,散射和透射光信号经调理后送入A/D转换器模拟输入端;单片机控制A/D转换器的工作,交替输入散射和透射信号进行A/D转换;采集的现场信号在单片机内进行数字滤波、仪器校准、数据显示处理;现场数据通过RS232串行通信接口送至PC机.仪器总体结构框图如图1所示.

　　3　仪器硬件设计

　　3.1　光源电路

　　根据国际标准ISO7027对测量光源的要求,选用浜松公司的L7558红外LED作为浊度仪光源.光源电路电流的波动引起光强的变化,影响浊度测量的稳定性,因此LED供电采用稳流源.具体电路如图2所示:采用输出电压可变的三端集成稳压器LM317构成稳流器,输出电流可用式(6)表示

　　3.2　光电探测器与前置放大

　　散射和透射光探测器采用西门子公司的SFH214FA.传感器的工作环境一般比较恶劣,传输线上经常产生较大的共模干扰,故前置放大环节应具有高共模抑制比(见图3).ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放,除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外,还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点[2],因此采用ICL7650作为散射和透射信号的前置放大器.考虑到传感器信号微弱,并且工作环境恶劣,前置放大电路与光电探测器安装在一起,放大后的信号经过屏蔽线送至A/D转换器.