基于C8051F020单片机的浊度仪研制
匿受鎏雯雯墅塑雯垂羽传感器与仪器仪表文章编号：１００８－０５７０（２００８）０８一ｌ—０１４５卸口
基于Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机的浊度仪研制
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＴｕｒｂｉｄｉｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＣ８０５１Ｆ０２０ＭＣＵ
（江苏大学）孙立香赵不贿刘星桥
ＳＵＮＬｉ－ｘｉａｎｇＺＨＡＯＢｕ－ｈｕｉＬＩＵＸｉｎｇ－ｑｉａｏ
摘要：文章详细介绍了水浊度的散射光测量原理。给出了以单片机Ｃ８０５１Ｆ０２０为核心的测量系统，包括传感器选择，调理电路设计，数据采集与处理方法，标准溶液的配置，浊度值的标定与非线性补偿，并给出了实验结果。该浊度仪还消除了温度对浊度测量的影响．提高了测量精度，可广泛应用于自来ｇ－Ｆ、工业生产、水产品养殖、环保等领域。
关键词：浊度；单片机；散射光；测量技术
中图分类号：ＴＨ８９文献标识码：Ｂ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｗａｔｅｒｔｕｒｂｉｄｉｔｙｂａｓｅｄｏｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｌｉｇｈｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＴｈｉｓｍｅａｓｕｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓｂａｓｅｄｏｎＣ８０５ｌＦ０２０ＭＣＵ，ａｎｄｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｅｎｓｏｒｃｈｏｉｃｅ，ｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｓｔａｎｄａｒｄｈｏｕｏｒｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ．ｔｕｒｂｉｄｉｔｙｖａｌｕｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｈｉｓｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｅｒｎ－ｐｅｒａｔｕｒｅｔｏ
ｔｈｅｔｕｒｂｉｄｉｍｅｔｅｒｉｓｅｌｉｍｉｎａｔｅｄａｎｄｍｅａｓａｒｃｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉＳｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｉｓｔｕｒｂｉｄｉｍｅｔｅｒｃａｌｌｂｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｗａｔｅｒｗｏｒｋｓ。ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ８０ｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ；ＭＣＵ；ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｌｉｇｈｔ；ｍ嘲Ｅｌｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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：
‘＝酗ｅ－～”（Ｉ）其中：Ｋ表示入射角为０。时光从空气到水中的透射系数，Ｋｌ为溶液对光的吸收系数。Ｉｏ为人射光强度，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ｄＩ。也与浊度成正比：
识。＝恐巧砂（２）其中：Ｋ２为溶液对光的散射系数，Ｉ。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：
以。＝局Ⅸ厶∥一局ｍ?砂（３）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：
?以．＝ｄ乙？矿＾疆．（４）孙立香：硕士研究生
基金项目：江苏省科技攻关（工业部分）资助项目（ＢＥ２００６０９０）项目名称：总线化智能多参数高精度检测与控制仪表
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：
入封先
宵号囊
空气
０
水
图１
‘厶＝ｋ０。卜虬２Ｋ母一眼∥～ｆ５１
Ｏ●，气ｌ。茎争耵”（１玎“）
～对Ｐ一墨挥和ｅ－Ｋ；ｒＹｏ进行泰勒展开，得式（６）：
Ｉｓ＝警，ｏ（１一ＫＩＸＴ＋置釉ｗ一壁≠）（６）当Ｔ较小且光电池和散射光的距离很短即ｘ非常小的时候，则有Ｋ，ＸＴ＜＜１，其二次项更小，此时对其一次项和所有的二次项忽略不计，得：』。一民Ｋ２ＹｏｌｏＴ（７）即当人身啦｝绍虽１０—弓ｉ：时，至归叁爿够乜湖拍勺光强Ｉｓ占蓟虫度Ｔ成正比。
２浊度仪的硬件设计
４测量电路框图如图２所示：
光
信
号
２．１光源选择
要使整个系统获得最高的效率和灵敏度，光源与光电转换
ＩｌｔｔＢＩＩ邮局订阅号：８２－９４６３６０，Ｌ＇／＃－一１４５—
传感器与仪器仪表中文核心期刊＜微计算机信患＞（测控自动化）２００８年第２４卷第８－Ｉ期
ＩＩ
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。
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８０Ｃ吼ｍ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：
图３
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ＭＤ转换并
存储。ＵＡＲＴ０Ｔ作在方式３，ＵＡＲＴ０的’Ⅸ和ＲＸ分别接Ｃ８０５１Ｆ０２０的Ｐｏ．０、ＰＯ．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：
Ｑ矽［
莲刍马［
Ｉ率
图４
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一电压值（表１）和在ｏｄｎｇ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＂１２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
堪度ＵｏＵｏ－ｍ
ｆ℃ｋ（Ｔ＝ＯＮＴＵｐｌＴ＝ＩＯＮｎ聃ｆｆ＝２０１ｌｒｌ＂脚
：Ｏ一：ｏｏ，５９２，１０３０．
２ｌｔ：Ｏ■５９５，＂１０３３—
２２．２０知５９７．１０３５，
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２知２０舶６０３，１０４知
２＆２ｌｍ６０％１０４６－
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●
ａ
图５
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
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ｆ５】张道德．基于红外线的数字式浑浊度传感器的设计田．光电子技术，２００４，２４（４）：２４６—２５６
作者简介：孙立香，（１９８１一），女，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统技术及应用；赵不贿，（１９５７一），男，教授，主要研究方向：Ｐｅｔｒｉ网原理及应用，电子设计自动化；刘星桥，（１９６０－），副教授，主要研究方向：嵌入式系统技术及应用，自动化理论和技术。Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＳＵＮＬｉ－ｘｉａｎｇ，ｂｏｍｉｎ１９８１，ｆｅｍａｌｅ，Ｍａｓｔｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ：ＺｈａｏＢｕ—ｈｕｉ，ｂｏｍｉｎ１９５７，ｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ
８１＂ｅａ：Ｐｅｔｒｉｎｅｔｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＥＤＡ．
（２１２０１３江苏大学电气信息工程学院江苏镇江妇啦立香
赵不贿刘星桥
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎ傥ｒ萱ｎ舀Ｊｉｔｍ擎ｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）ＳＵＮＬｉ－ｘｌａｎｇ
ＺＨＡＯＢｕ—－ｈｕｉＬＩＵＸｉｎｇ－ｑｉａｏ
通讯地址：（２１２０１３江苏大学校本部獬研究生宿舍楼１２２８窒）
孙立香
（收稿日期：２００８．０５．２３雉参稿日期：２００８．０７．１５）
一１４６—３６０，，Ｌ／年邮局订阅号：８２－９４６
基于C8051F020单片机的浊度仪研制
作者：孙立香， ZHAO Bu-hui， 刘星桥， SUN Li-xiang， ZHAO Bu-hui， LIU Xing-qiao
作者单位：江苏镇江,江苏大学电气信息工程学院,212013
刊名：
微计算机信息
英文刊名：CONTROL & AUTOMATION
年，卷(期)：2008，24(22)
引用次数：0次
参考文献(5条)
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本文链接：https://www.360docs.net/doc/cc14038512.html,/Periodical_wjsjxx200822059.aspx
下载时间：2010年1月1日