基于C8051F020 单片机的浊度仪研制

引言

浊度是水的透明程度的量度。由于水中含有悬浮及胶体状态的微粒, 使得原是无色透明的水产生浑浊现象, 其浑浊的程度称为浑浊度。浊度显示出水中存在大量的细菌, 病原体, 或是某些颗粒物。这些颗粒物可能保护有害微生物, 使其在消毒工艺中不被去除。因此无论在饮用水、工业过程或产品中, 浊度都是一个非常重要的参数。浊度高意味着水中各种有毒、有害物质的含量高, 因此水的浊度是一项重要的水质指标。

1 浊度测量原理

根据光学原理, 当一束平行光由空气垂直照射到被测的水中, 在水的深度Y 处, 其光强可表示为:

其中: K0表示入射角为0°时光从空气到水中的透射系数,K1为溶液对光的吸收系数。I0为入射光强度, T 为浊度。当溶液中微粒大小均匀时, 某一区域的dy,在某方向的散射光dIs1也与浊度成正比:

其中: K2为溶液对光的散射系数, IY为Y 处的光强。

水下散射式浊度仪的光学原理如图1 所示:将式(1) 代入式(2) 可得Y 处沿X 方向的散射光为:

因为X 方向的散射光经水的X 方向吸收后过段距离才能进入光电池( 关于光电池的知识将在后文介绍) , 故实际到达光电池的散射光强为:

式中X 为散射光到达光电池的距离。因此从0 到Y0, X 方向的总散射光强为:

2 浊度仪的硬件设计

测量电路框图如图2 所示:

要使整个系统获得最高的效率和灵敏度, 光源与光电转换器件之间响应频谱范围的良好匹配是很重要的。本系统选用LED 红色发光灯作为光源, 硅光电池作为光电转换器件, 灵敏度波峰均在 800nm 左右。另外硅光电池线性好、响应快、稳定性好、使用寿命长, 并且硅光电池的短路电流和光照满足线性关系, 是很理想的光电转换器件。

2.2 测量电路设计

硅光电池将散射光信号转换成电流信号, 经过放大器放大, 并最终输出到控制芯片。根据测量原理设计了测量电路, 如图3 所示:

中央处理器采用美国Silabs 公司推出的高速、高性能的C8051F020 单片机。测量信号放大后由C8051F020 片内的交叉开关选通, 调节合适增益后送自身带的ADC0 进行A/D 转换并存储。UART0 工作在方式3, UART0 的TX 和RX 分别接C8051F020 的P0.0、P0.1, 测量的浊度值以UART0 串行方式送ST7920 型液晶显示器予以显示。

3 浊度仪的软件设计

该浊度仪的软件系统主要包括数据采集、数据处理、数据显示、按键处理、通信等。软件设计的最关键部分是数据处理部分, 包括浊度标定、软件滤波 、温度补 偿等。主程序框图如图4 所示:

3.1 标准液的配置

浊度的国际单位标准是 NTU, 为使浊度测量的数据具有统一标准, 使用目前国际上广泛采用的福尔马肼(Formazin) 溶液,即由化学药品硫酸肼、六次甲基四胺加双蒸水配置而成。

3.2 数据处理

软件滤波采用中位值平均滤波法, 相当于中位值滤波法和算术平均滤波法的结合。

由于光电池的短路电流随着温度上升而缓慢增加, 由于水温随着天气的变化而变化进而影响到最终浊度值的变化, 因此应考虑进行适当的补偿。在此, 以用福尔马肼(Formazin) 溶液在水温 20℃下测量的浊度为基准, 不同水温不同浊液时通过实验做了相应的补偿。

现仅以20～25℃为例给出相应的浊度- 电压值( 表1) 和在oring 软件画的拟合折线图( 图5), 图中线段自左向右分别是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃下的输出电压值和浊度的函数关系。其中横坐标表示电压值, 纵坐标表示浊度值。

由于测量误差的存在, 加之浊度测量原理结论( 见1) , 使得三个测量点连线并非严格线性关系( 如图5) , 因此再运用最小二乘法拟合不同温度下的浊度直线, 写入单片机程序中, 在不同温度下的测量通过查找相应的直线便能得到相应的浊度值。

　　4 结论

仪器标定后投入运行, 抗干扰能力强, 测量结果稳定, 线性误差±2%NTU。采用 C8051F020 单片机使得仪器省去了A/D 转换模块, 结构简单, 可以方便的用于水质检测领域, 具有良好的应用背景。

本文作者创新点: 采用了高性能的完全集成的混合信号系统级芯片 C8051F020 单片机作为控制器, 使得浊度仪结构简单, 可靠性高; 在软件编程中进行温度补偿, 使得测量更精确。

经济效益:9000 万元 数据来源:江苏省科技计划项目任务书。研究方法: 利用先进的电子技术、计算机技术、控制技术和通讯技术形成集多参数的测量控制及有线或无线通讯功能于一体的总线化智能多参数高精度检测与控制仪表多参数分析测控仪。

参考文献

[1]高平.水下散射式在线浊度测量仪.实用测量技术,2001(5):14-32

[2]宋启敏，陆明刚.水的浊度测量.上海大学学报(自然科学版)，1997,3(1): 93- 97

[3] 鲍可进.C8051F 单片机原理及应用 中国电力出版社2006，1：