基于单片机的水质浊度监测系统的设计

，尹勇2*作者简介：林海耀，（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式控制.E-mail:[e-mail]通信联系人：尹勇，（1976-），男，副教授，主要研究方向：嵌入式系统与智能控制（1.武汉理工大学信息工程学院，武汉430070；2.武汉理工大学信息学院，武汉430070）5摘要：本文介绍了一种以51单片机为核心控制器，通过测量光在水中传播的散射强度来确定水质浑浊程度的监测系统。文中详细阐述了光散射式浊度测量的原理和硬件设计，以及51单片机的实时监控系统的设计。此系统可实现水质浊度的实时显示及警报，而且结构简单，易于扩展成更多功能的综合监测系统。关键词：51单片机；浊度；散射光；红外LED10中图分类号：TP277TheDesignofMonitoringSystemonWaterTurbidityLINHaiyao1,YINYong2(1.InformationEngineeringSchool,WuHanUniversityofTechnology,WuHan430070;152.InformationSchool,WuHanUniversityofTechnology,WuHan430070)Abstract:Thispaperintroduceamoritoringsystemwhichuses51MCUasthecontroller,thenmakesurethewaterpollutionthroughmeasuringthescatteringleveloflightinthewater.Italsodescribedindetailinlightscatteringturbiditymeasurementprincipleandhardwaredesign.,andthedesignofmonitoringsystembasedon51MCU.Thesystemhasthefunctionofdisplayingreal20timewaterturbidityandthealarm,andithasasimplehardwarestructure,soitcaneasytoexpandintocomprehensivemonitoringsystemwhichhasmorefunctions.Keywords:51MCU;Turbidity;Scattering-light;InfraredLED0引言25浊度的检测在很多行业中有广泛的应用，比如水文站中的泥沙含量测量，洗衣机桶内水的浊度测量等。随着国内经济持续快速的发展，人们对身边的环境提出了越来越高的要求，据不完全统计，目前我国80%几乎都是采用进口仪器，所以设计一套新型智能的浊度监测系统意义重大。浊度测量方法按光接受方式分为透射光式测量法、散射光式测量法、透射-散射比较式测量法。美国公共卫生协会将浊度定义为“样品使穿过其中的光发生散射或吸收30而不是沿直线穿透的光学特性的表征。”简单的说就是表示水样对光在某方向上的散射和吸收的强度。因此本文采用光散射式的浊度测量方法。1散射光浊度测量原理1.1光散射原理光的散射[1]是指当光束通过光学性质不均匀的物质时，在物质的侧向可以看到光。当光35照射到浊液时，必然产生散射现象，特别是悬浮颗粒的大小小于入射光线的波长时，则光线将发生强烈的散射。1908年，GustavMie通过对定态电磁波的麦克斯韦方程组求解，得到了均匀介质中球形颗粒对弹性波散射的严格解[2]：0ANIKIMM=式中：MI——光散射强度40——Mie散射的散射系数A——微粒表面积0I——入射光强度1.2浊度测量方法由于散射光强度与水样浊度成正比，通过测定水样侧面的散射光强度，即可测出水样的45浊度。然而通过水样的散射光包括前向散射光，后向散射光和垂直散射光[3]。本文采用垂直角度作为测量角度，是因为前向散射光的强度完全依赖于水样中颗粒的大小，不同大小的颗粒所产生的前向散射光强变化较大，再加上通过水样的透射光的影响而产生不同的测量结果。并且散射光在介质中发生二次散射，只有在垂直角度可以把增强的散射光和减弱的部分相抵消，因此垂直角度是最有效的测量角度。示意图如图1所示。50图1浊度检测法示意图Fig.1Schematicdiagramofturbiditymeasurement2浊度传感器设计55浊度仪的光发射部分选择红外LED[4]作为发光光源，采用稳压电路供电，由于光电转化的信号自身的缺陷或环境条件的限制，通常极其微弱，并伴随着大量的干扰信号，因此必须要保证LED两端的电压稳定性。LED驱动电路如图2所示。S8050NPN32184U2ALM358R310KR51.1KR46.7KR71KR63.3KR81.3K+C1310u/25VVCCVCCGNDGNDGNDGNDR91.3KR101.3K213D2TL431ACGNDGNDGNDD1LEDS1SWSPSTS2SWSPST图2LED驱动电路60Fig.2LEDdrivecircuit在此电路中双运算放大器LM358作为电压比较器。LM358的同相段作为参考端，参考电压为2.5V，反相端为信号输入端，将信号电压与参考电压相比较，当信号电压小于参考电压时，输出为高电平，反之输出低电平。具体过程如下：电路供电电压12V，R5输入电65压为2.5V，当R6的输入电压为2.5V时，LM358的第7引脚输出电压为4.68V，当LED的中国科技论文在线电压降低，R6的电压降低，低于2.5V时，LM358的第7引脚电压升高，电流增大，驱动S8050的电流增大，经过S8050的功率放大，流经LED的电流增大，电压升高；相反，如果当流过LED的电流增大，电压升高，R6的电压也升高，在高于2.5V时，LM358的第7引脚电压降低，电流减少，驱动S8050电流减少，经过S8050的功率放大，流经LED的电70流减少，R6的电压降低。通过LM358的电压比较作用，使LED上的电压保持恒定，为LED提供了稳定工作的条件。信号接收模块采用光敏二极管接收来至红外LED经浊液散射的微弱的散射光信号，并把散射光信号转化为电信号，作为信号放大电路的输入信号，这个输入的电信号非常微弱，在毫伏数量级；另外供电电压的波动及电路中各元件的干扰信号都需要在输入级被抑制。鉴75于所需放大的电信号的特点，要求前置放大器具有高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声等特点，由此选用AD公司的高性能、低价格的单电源仪表放大器AD620。信号接收电路如图3所示。R110KR310KR51MR65.1KR25KC21000pC50.1uC10.047uC31000p+C410u16VVCCGNDGNDGNDGNDGNDVCCR4150VCCGNDR710KR951KR11720KR1010KR810KGNDGNDVCCD332184U2ALM35812345678U1AD620图3信号接收电路80Fig.3Signalreceivingcircuit光接收电路中光敏二极管为反向偏置，其反向电流将随入射光强度的变化而改变，光照强度越大，其反向电流越大。当光敏二极管D3接收到来至红外发光二极管发出的光，把光信号转化为电流，R2上的电压增大，然后从AD620的同相输入端输入。电阻R2、R4为85AD620的输入偏置电流提供一个直流返回路径，输入偏置电流可以自由的流入而不会产生大的输入失调；R6为增益电阻，通过R6可以调节AD620的放大倍数。二级放大采用运算放大器LM358，为同相比例运算电路，同相端输入10K的电阻R7，反相端和1脚的反馈电阻R9等于51K。3软件设计及实验数据分析90浊度监测过程由单片机的软件实现，光散射信号经AD转换以及软件滤波[5]，通过一定的计算程序对采样信号进行平滑处理，提高有用信号强度，消除或减少各种干扰，再由Mie公式计算出N，即单位体积水中的微粒数,然后计算出浊度值NTU。单片机再把数据显示在液晶屏幕上，同时跟预设的浊度N0相比较，当NTU大于N0时，单片机会发出一个报警信号，从而达到浊度监测的效果。程序流程如图4所示。95标准液[6]，并采用混浊石英玻璃作为浊液容器，可100以有效避免因配制浊度标准液不准确而引起测量误差的发生。不同浊度的Formazine标准溶液，是用零浊度水和经检定合格的容量器具，按比例准确稀释Formazine浊度标准物质而得到的。为了准确的测量浊度仪的性能，应重复的测试相同浊度的水样以及不同浊度的水样。实验数据结果如表1所示。105表1实验数据表Tab.1Experimentaldatatable标准液（NTU）100200300400500600700800测量结果（NTU）97196297401505599703806注：测量结果为多次相同水样的平均测量值。由表1可知，测量结果和预期值偏差不大，说明了浊度检测系统的设计在一定条件下的110可行性，并且在调试过程中，当浊度测量值大于预设值N0时，系统会发出警报声。4结论本文给出了一种水质浊度检测仪的设计方法，并简单的验证了本设计的可行性。系统的硬件电路设计简单，而且调试比较方便。该系统能实时显示水质浊度，而且转换快、精度较高。另外可以直接在此系统上进行扩展，加入其它类型传感器以构成功能更强大的检测系统。115由于自身经验的不足，本设计还有不够完善的地方，可进一步扩大浊度仪的测量范围，以及提高浊度仪的测量精度及灵敏度，还可设计成更好的光路系统和硬件电路。[参考文献](References)[1]孔斌，卢胜利.散射式智能液体浊度仪的研制.宁夏大学学报(自然科学版)，1999，20：332-334.120[2]李亦军.基于Mie散射的微粒浓度和粒度测试的理论与实验研究.太原：中北大学，2005.[3]朱泽昊，张扶人.浊度测量中两种基本方法的比较.西南师范大学学报，1995，20：148-253.[4]宋吉江，牛轶霞.光敏电阻的特性及应用.微电子技术，2000，28：55-57.[5]高蒙等.声频测量中的平均值数字滤波.计算机应用研究，1994：72-74.[6]张文阁.校准浊度计用低浊度标准液的研制.中国粉体技术，03：30-32.125