智能光电浊度仪的设计

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1、编号 本科生毕业设计智能光电浊度仪的设计The design of the intelligent optical turbidity meter学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院二一三年六月 长春理工大学本科毕业设计毕业设计（论文）原创承诺书1.本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）智能光电浊度仪的设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2.本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集

2、体均已在文中注明。3.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4.本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日摘 要浊度计作为测量水质浊度的计量仪器，广泛用于我国各个行业。据不完全统计，我国每年所需工业浊度仪总数量约 1000 台左右。然而，目前我国市场上的浊度计很大程度依赖于进

3、口，这些浊度计虽然测量精度和稳定性都很好。但结构复杂，价格昂贵。本文在分析和仿真实验的基础上，实践制作智能化的浊度仪。该智能化浊度仪的软件在 Mirosoft Visual C+ 6.0 开发环境用 C+语言编写，它充分利用计算机强大的计算处理能力，图形界面显示、储存、打印功能。在硬件方面主要有单片机、A/D 转换、探头、多路开关组成。单片机为硬件的核心，它负责与计算机通讯，控制 A/D 转换，控制电路的切换，产生调制光源信号等。关键字：浊度 浊度测量 调制 ABSTRACT Turbidity meter for measuring the water quality turbidity m

4、easurement instruments， widely used in various industries in China. According to incomplete statistics， Chinas industrial turbidity meter total quantity required for each year about 1000 units. Turbidimeter， however， at present our country market is largely dependent on imports， although these turbi

5、dimeter measure precision and stability is very good. But the structure is complex， expensive. In this paper， on the basis of the analysis and simulation experiment， practice make intelligent turbidity meter. Mirosoft the intelligent turbidity instrument software in Visual c + + 6.0 development envi

6、ronment using c + + language， it makes full use of the computer a powerful computing ability， the graphical interface display， store， print function. Mainly in terms of hardware with MCU， A/D conversion， sensor， multi-channel switch. Single chip microcomputer as the core of the hardware， it is respo

7、nsible for communication with the computer， to control A/D conversion， control circuit switch， produce light source modulation signals， etc.Key words: turbidity; measurement of turbidity; modulation; 目录摘 要IABSTRACTII目录III第1章 绪论11.1 浊度的简介11.1.1 浊度的概念11.1.2 浊度测量方法11.1.3 浊度仪的种类31.2 国内外浊度仪器的现状31.2.1 国外浊

8、度仪器的现状31.2.2 国内浊度仪器的现状31.3 本文研究的目的和研究内容41.3.1 研究的目的41.3.2 研究的内容5第2章 调制光源光强技术的理论分析62.1 引言62.2 采用调制光强测量浊度的原理62.3 非线性的校正方法7第3章 仪器的整体设计9第4章 硬件电路的设计104.1 电源电路104.3 单片机及其控制电路12第5章 软件的设计155.1 单片机的编程155.2 计算机程序的编写23第6章 仪器的使用介绍246.1 线性校正和标定仪器246.2 测量浊度和使用界面26第7章 实验结果与展望287.1 实验结果287.2 后续研究工作的展望29参考文献30致谢31II

9、I第1章 绪论1.1 浊度的简介1.1.1 浊度的概念在人们生活和生产中，常用浊度(turbidity)来表征液体的清洁度，水的浊度是泥沙、粘土、微细的有机物和无机物、可溶的有色有机化合物以及浮游生物和其它微生物等悬浮物质所组成。这些悬浮物质能吸附细菌和病毒，所以浑浊度低有利于水的消毒，对确保水质指标有极重要的影响。国际标准化组织定义为：由于不溶解物质的存在所引起的液体透明度降低，可见，浊度不等于固体悬浮物质(SuspendedSolids)含量，固体悬浮物质含量是水中可以用滤纸截留的物质重量；而浑浊度则是一种光学效应，它表现出光线透过水层时受到阻碍的程度。这种光学效应与颗粒的大小及形状有关，

10、实践证明浑浊度与悬浮物固体物质的重量浓度没有任何的相关关系。水的浑浊度越高，反射光和散射光就越强，而透射光就越弱；反之，水的浑浊度越低，反射光和散射光就越弱，而透射光就越强。因此测定散射光与透射光强度间的变化，就可以测得水的浊度。1.1.2 浊度测量方法浊度的测定目前有化学分析法和仪器分析法两种，化学分析法采用透明度试管法和透明度试验圆盘法，适用于实验室或野外作人工分析测定；仪器分析法利用 880nm 近红外光源，采用光学透射或散射原理，将浊度转换为光电信号，测出浊度数值大小。工业过程浊度仪可对各种工艺过程中水质浊度进行长期、连续分析测量；而实验室浊度仪为小型台式或便携式，适用于实验室中或野外

11、对水质浊度进行间隔分析测量。仪器分析法基本方法如下几种：(1) 透光式测定法 光透过浊液被减弱的程度与浊度有一定函数关系，测量透过待测浊液的光的强度，来得到浊度值。透射光强度随浊度的变化遵从朗伯特比尔定律，即透射光随浊度增加按指数形式衰减IR=Io exp(-KTL)式中，Io为入射光的强度，L 为液体透光层厚度，K 为比例常数，IR为透射光的强度，T 为水的浊度。图 1.1 透射法测量原理 (2) 散射测浊度法 由于液体中悬浮微粒引起光的散射，散射光的强度与浊度有关。通过测量散射光强，可得到浊度信息。在浊度不大的情况下(2000FTU)，90方向所接受到的散射光强度可用下式来表示：IR=IO

12、(KNV2/)式中，I0为入射光的强度，K 为系数，N 为单位容积的微粒数，V 为微粒的体积， 为入射光波长。假设 和 V 为常数，则 KNV24与单位容积微粒的总数或总体积成正比，也就是与浊度成正比，则有：IR=KTIO式中 T 为水的浊度，K为系数。按其测量方向的不同，又分为前散射式、垂直散射式和向后散射式三种方法。 (3) 透射光和散射光比较测定法 即透射光和散射光比较测定法。它是以上两种方法的综合，采用透射光和散射光强比较的方法测量浊液的浊度，这种方法可以消除部分干扰，提高灵敏度。(4) 表面散射法 表面散射法测量发生在水层的近表面层的散射光强度，来得到浊度值。表面散射浊度测量是一种非

13、接触测量法，即散射光接收光学系统及接收器与水样是非接触的，避免了光学接收窗口等的污泥、结垢现象。且其测量范围宽、线性度好，因而常用于浊度较高的水源水测量中。(5) 偏振法 对于粗大的颗粒，散射光为部分偏振光，而且偏振的程度与颗粒的大小和形状有关。通过对偏振度的检测，可测量浊度。图 1.2 表面散射法测量原理1.1.3 浊度仪的种类测量浊度的仪器叫浊度仪。按照所测量浊度的范围，可分为低浊度仪、中浊度仪、高浊度仪。基于测量浊度的方法，可分为透射式、散射式、透射光和散射光比值式、表面散射式、偏振光式浊度仪。当然，测量浊度的范围和测量浊度的方法是有关系的。比如，透射式浊度仪一般也是中、高浊度仪。而透射

14、式浊度仪也是低浊度仪。按浊度仪结构不同，可分为窗口测定槽式、落流式、振动片式和积分球式。按浊度仪安装结构不同，有可分为流通式、沉入式、插入式、伸缩可拆卸带球阀插入式浊度仪。总之，选用浊度仪必须考虑测量的范围、工作环境等因素。1.2 国内外浊度仪器的现状1.2.1 国外浊度仪器的现状从 20 世纪 90 年代开始，国外许多仪器仪表公司都推出了许多技术先进、性能优良的浊度仪。进入 21 世纪后，市场上的浊度仪更是种类繁多、品种多样。它主要分为供现场便携使用和实验室使用的便携式或台式浊度仪、工业现场中使用的在线检测式浊度仪两大类。根据所用光源的不同，国外浊度仪可按 ISO 国际标准和美国 USEPA

15、180.1 标准分为两大类。目前，具有代表性的品牌有：美国 HACH 公司系列浊度仪，英国ABB Kent 公司系列浊度仪，德国 E+H 系列，美国 Rosemount 系列，日本横河公司系列，等等。这些新型浊度仪都采用了单片微计算机技术，其中，许多仪器的单片机采用的是目前最新型的单片微机芯片。有些公司的产品，还将测定浊度和固体悬浮物等多种功能合成在一起，可用同一探头、同一台仪器操作，只需按一下功能转换键即可，无需重新进行参数设定和更换测量探头，大大扩展了仪器的应用范围，增强了仪器检测的多元化功能。此外，几乎所有的高浊度产品都带有自动清洗装置，许多低浊度产品可以选配自动清洗装置或是自带清洗装置

16、，这样，仪器就可以在较为恶劣的工业环境中使用，如工业废水处理、粘性较大的工业现场等。同时，可根据测量要求，对自动清洗程序自行重设定，从而可保证浊度仪长期稳定地运行。1.2.2 国内浊度仪器的现状我国的工业过程浊度仪，从无到有，近几年来得到较大发展。7080年代，工业浊度在线测量仪表，在我国几乎还是一个空白点.即使后来有了浊度仪，也是指针显示.体积较大，只能进行流通式测量，可靠性和稳定性都很差。经过近 10 年的技术攻关和引进国外先进技术经验，国产的浊度仪已有很大变化，不但初具规模，有多家厂商生产，而且有些技术指标还达到了较高水平。上海雷磁仪器厂的 WZT-170 型高浊度仪，测量范围 0100

17、0FTU；WZT701型低浊度仪，测量范围为 025FTU，广泛用于自来水厂、污水处理厂、废水处理监测等行业。这两种浊度仪的外形尺寸相同，十分小巧，仅 200 x120 x75mm。.传感发送器为流通式，直接安装在管路中进行连续测量，整套仪器安装在一个支撑座架上，只要将样水用管道直接接入传感发送器即可测量。为防止对传感发送器污染，若需清洗，可选用超声波清洗器进行定时清洗。WZT 系列高、低浊度仪均有六种不同的测量量程可供选择，根据用户需要，在出厂时加以确定。若不提要求，则按最大测量量程即高浊度 01000FTU、低浊度 025FTU供货。国营 267 厂的 WGZ-l 型浊度仪是军工厂军转民较

18、成功的一个产品，仪器具有六种测量范围可供选择，从 0-2 至 01000FTU。仪器流程中装有消泡器，使测量数值稳定性好；为了防止对传感器测量室的污染，可以选配自动清洗装置，使用时应根据仪器测量范围调整清洗定时旋钮.确定自动清洗间隔时间，一般测量浊度值在 10FTU 以内，清洗间隔 35h；测量浊度值在 100FTU 以内，清洗间隔时间 1-2h；测量浊度值在 100FTU 以上时，清洗间隔 1h 以内。但由于 WGZ1 传感器与控制器组合在一个箱体内，安装只能从箱体水管连引入，安装方法较单一，许多场合如江河湖塘、他槽、敞口箱等工况环境都较难使用，因此应用工况受到较大局限性。1.3 本文研究的

19、目的和研究内容1.3.1 研究的目的现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，正以不可逆转之势从各个层面上影响着各行各业的技术进步，今天的测控仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。计算机渗透到仪器科学与技术领域并得到充分应用的结果，在该领域出现了完全突破传统概念的新一代仪器智能仪器，从而开创了仪器仪表的一个崭新的时代。仪器仪表的发展可以简单地划分为三代。第一代为指针式仪器仪表，如指针式万用表、功率表。它们的基本结构是电磁式的，基于电磁测量原理使用指针来显示最终结果。第二代为数字式仪器仪表，如数字电压表、数字功率计、数字频率计等。它们的基本结构中离不开模数转换环节，并以数字方式显

20、示或打印测量结果。第二代仪表响应速度较快，测量准确度较高。第三代就是本文要讨论的智能式仪器仪表，这类仪器仪表的主要特点是内含微处理器，因此，通常具有信息采集、数据处理，输出控制及测试过程和测试结果显示、记录、传输自动进行等功能。本文的研究目的是将仪器仪表的智能化技术具体应用于浊度测量中，解决浊度测量中的问题，采用软件技术代替复杂的硬件电路，通过软件的非线性校正、滤波等技术修正和克服由传感器、变换器、放大器等引入的误差，从而提高仪器的精度和其他性能指标。特别是理论上证明和实际实现本人提出的调制光源光强技术，即将信号处理的方法应用于浊度测量中排除环境光和杂散光对浊度测量的影响。为实现此技术又提出和

21、验证了软硬件结合非线性校正方法。也就是说，用软件方法克服硬件本身的缺陷，从而提高仪器的性能价格比。1.3.2 研究的内容本文首先从理论研究了调制光源光强技术测量浊度的原理及其可行性，在此原理的基础上，采用以个人计算机为基础的个人计算机仪器(PCI)的形式来实现。用 VC+软件开发平台，利用 MATLAB 数学软件的数学处理函数及其与 VC+接口，以及一些前人开发的控件制作仪器的软件。软件的功能包括采集数据、非线性校正、滤波、仪器标定及其操作界面，以及数据的显示、存储、统计等。硬件上，由于采用软件技术，简化了硬件的设计。硬件以 AT89C51 单片机为中心，设计采样电路、光源电路、A/D 转换电

22、路、与 PC 的接口电路以及测量探头等。后文将对实现的各个环节作一一介绍。第2章 调制光源光强技术的理论分析2.1 引言浊度测量中，一个需要解决的问题就是如何避免背景光对测量的干扰。常用的方法是完全封闭起来遮蔽背景光。然而对于沉入式、插入式结构的在线浊度仪，为保证浊液自然畅通地进入探头，就不能采用封闭结构，必然有背景光的影响。本文介绍一种以调制光强为光源照射浊液用信号处理的方法来滤除背景光的干扰。2.2 采用调制光强测量浊度的原理当一束光照射到被测水样时，在浊度不大的情况下(Un9。令 X0=U1=U19。如图2.1。X0，X1，X2Xn就是转换的特性参数。由于转换函数是单调函数，XoX1，X2 Xn也应单调。第 3 步，也可以调节强度光源 I 使 Ui=Ui-19，第 步的插值，而直接取 X0=U1，X1=U2Xi=Ui+1。对光强为 I 的光照射探测器，经光电信号转换得到U，因为 X0，X1，X2 Xn是单调的，对应 U 有唯一的 i 使 XiUXi+1则:S=i+(U-Xi)/(Xi+1Xi) XiU选择端口， 弹出如图 6-2 的对话框。选择仪器连接到计算机的串口名，如 COM2。默认选择是COM1。再选择菜单操作-检查端口通讯。大概几秒钟。会弹出一个检查结果息框。若报告不正确，