基于4G的散射式濁度儀設計

徐江陵，劉德紅

(武漢科技大學城市學院機電工程學部，湖北武漢 430083)

0 引言

我國水資源比較匱乏，水質污染問題嚴重，因此必須提高水質監(jiān)測水平，實時掌握水質變化情況[1]。水中雜質的數(shù)量和種類是衡量水質好壞的重要標準之一，傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法是抽樣檢測，即對待測水質進行抽樣送檢，通過化學檢測的方法提取待測水質中的雜質，此種過程較為復雜且周期長。為了準確快速地監(jiān)測水質變化情況，本文設計了一種基于4G的散射式濁度儀，其采用物理檢測方法，利用濁度探頭將水質的渾濁度轉換為可被測量的電壓信號，通過繪制傳感器輸出的電壓信號與水質濁度值之間的關系，再反推出水質的濁度值，以此來衡量水質的變化情況[2-3]。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸上選用的是4G傳輸方式，其具有傳輸速率快、實時性好等優(yōu)點，可將待測水質的變化情況實時地反饋到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，便于工作人員及時掌握水質的變化情況。

1 濁度法測量原理

濁度法檢測水質利用的是光的散射原理，其檢測方法遵循的是國際標準ISO7027《水質濁度的測量》的規(guī)定，即利用波長為860 mm的紅外光源照射待測水質[4]，光源的入射方向和檢測方向需保持90°，檢測原理圖如圖1所示。紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過透鏡后再射入待測水質中，透鏡的作用是保持光源可以平行地射入到水質中，待測水質中的顆粒會使光線產(chǎn)生散射現(xiàn)象，散射光的強弱隨濁度的增加逐漸上升，接收端的紅外二極管將接收到的散射光轉換為電信號，電信號的強弱與散射光的強弱成正比。系統(tǒng)就是利用傳感器輸出電壓信號與水質濁度值的關系反推出水質的濁度值。

圖1 水質檢測原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件電路是由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊3部分組成[5-6]。其中數(shù)據(jù)采集模塊是以發(fā)光二極管為核心部件，主要實現(xiàn)光源的發(fā)射和接收；數(shù)據(jù)處理模塊是以嵌入式系統(tǒng)為核心，主要實現(xiàn)待測水質濁度值的計算；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要以4G傳輸裝置為核心，是將處理過后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，實現(xiàn)對水質的實時監(jiān)測。系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 光源驅動電路

由于LED發(fā)光二極管的光源具有能量利用率高、光譜集中等優(yōu)點，因此系統(tǒng)選用型號為LI-304SIRC2E-1BC的LED發(fā)光二極管作為檢測光源[7]。LED發(fā)光二極管采用恒流源驅動，系統(tǒng)利用集成運算放大器的反饋原理搭建恒流源，該恒流源具有穩(wěn)定性好、精度高的優(yōu)點。恒流源電路如圖3所示。

圖3 光源驅動電路

集成運放選用的是零溫漂、低失調(diào)電壓的高精度集成運算放大器TSZ121，其失調(diào)電壓低至5 μV，采用單5 V供電，其中電阻R30、R31均為1 kΩ，因此集成運放TSZ121的正、反相輸入的電壓都為2.5 V，將電阻R32的阻值調(diào)整為100 Ω，則LED發(fā)光二極管的電流可以維持在25 mA，光源驅動電路可以正常工作。

2.2 光源接收電路

當光源射入到待測水質中，水質中的懸浮物或顆粒會對光產(chǎn)生散射現(xiàn)象，而紅外接收管則用于檢測散射光的強弱，系統(tǒng)選用型號為LL-503PTC2E-1AC的LED紅外接收管，該型號的紅外接收管具有靈敏度高、分辨率強等優(yōu)點，可有效地識別極小光強的變化[8-9]。LED紅外接收管接收到的散射光信號極其微弱，約μA級別，且信號在傳輸過程中易受到外界的干擾。為了解決微弱電流信號傳輸和處理困難的問題，系統(tǒng)設計了一種高精度I/V轉換電路，將微弱的電流信號轉換為可被處理的電壓信號后再進行濾波濾除外界干擾。紅外接收管信號處理電路如圖4所示。

圖4 光源接收電路

系統(tǒng)選用雙通道的精密運放OPA2277實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉換，再通過AD8610實現(xiàn)信號的濾波處理。OPA2277的第一通道U3A是接收管收到的微弱電流信號轉換為電壓信號，第二通道U3B是可調(diào)反相放大電路，實現(xiàn)對電壓的放大，使得電壓輸出在3.3 V以內(nèi)。再由AD8610及其外圍阻容器件構成的二階低通濾波電路濾除電路中的干擾信號，使得最終輸出的電壓信號為平滑的直流信號，最后將處理過后的信號發(fā)送到單片機內(nèi)部的A/D轉換器中進行模數(shù)轉換，從而計算得到待測水質的濁度值。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸電路

由于各待測水質的地點相距較遠，為了實現(xiàn)對水質的遠程監(jiān)測，在數(shù)據(jù)傳輸上選用4G無線傳輸[10-11]。系統(tǒng)選用的是SIM76000CE-L 4G模塊，該4G模塊尺寸小，便于集成到采集電路中。SIM76000CE-L 4G模塊采用3.8 V供電，通訊接口支持USB2.0、UART等，采用TCP/IP協(xié)議，工作溫度處于-40～80 ℃之間，傳輸速率高達150 Kbit/s。這使得該模塊非常適合用于野外水質監(jiān)測。4G傳輸電路圖如圖5所示。

圖5 4G傳輸電路

單片機采用UART串口的方式與4G模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，R50、C22用于天線的阻抗匹配，便于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)處理模塊將待測水質的濁度值計算出來之后，通過4G模塊將計算得到的結果發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心可以監(jiān)測到各個區(qū)域水質的變化情況，便于及時掌握水質信息。

3 軟件設計

軟件設計是系統(tǒng)的重要組成部分，軟件設計包括外部按鍵軟件設計、LCD顯示屏軟件設計、外部中斷軟件設計、定時器軟件設計以及串口通信軟件設計等。系統(tǒng)啟動時首先執(zhí)行傳感器初始化操作，當收到開始測量信號時，開始啟動系統(tǒng)進行測量。TMS570內(nèi)部的A/D轉換器將采集到的電壓進行模數(shù)轉換，依據(jù)濁度值與電壓的關系換算出待測水質的濁度值，再將計算結果通過4G傳輸方式發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上軟硬件設計，研制了基于4G的散射式濁度儀。為了驗證系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性和準確性，利用不同濁度的溶液對系統(tǒng)進行標定。首先利用孔徑為0.2 μm的微孔濾波過濾蒸餾水，連續(xù)多次過濾后得到的溶液就可以視為零濁度水。該零濁度水用于與福爾馬肼標準溶液進行混合配比，得到不同濁度的待測溶液。將待測水質的濁度分別配置為20、40、60、…、300 NTU，然后利用設計的系統(tǒng)進行測試，將測得的濁度與實際值進行比較。首先按照式(1)進行不同水質的濁度配比，在配置之前，先準備濃度為300 NTU的福爾馬肼標準溶液用于濃度配比。

(1)

式中：A為零濁度值的標準溶液量，mL；B為所需溶液的濁度值，NTU；C為原始標準溶液濃度，NTU;K為總配置量，mL。

由式(1)可知，通過改變零濁度值溶液A和福爾馬肼標準溶液的濃度C就可以得到所需配置的濁度值的溶液濃度B，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同濁度值待測溶液與系統(tǒng)輸出電壓的關系

根據(jù)表1實驗數(shù)據(jù)，利用相關算法擬合出濁度值與系統(tǒng)輸出電壓曲線：

y=0.09x-88

(2)

式中：y為濁度值，NTU；x為系統(tǒng)輸出電壓，mV。

再利用系統(tǒng)擬合出的濁度值與系統(tǒng)輸出電壓曲線來反推出待測水質的濁度值，驗證系統(tǒng)的精度。將上述配置好的濁度值溶液作為檢測樣本，把系統(tǒng)檢測到的濁度值與樣本值進行比較，計算測量誤差，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)測量對比

由上述測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)能有效地測量出水質的濁度值，且測量精度高，測量相對誤差小于8%。

5 結束語

為提高水質監(jiān)測的效率、節(jié)約人力，設計了一種基于4G的散射式濁度儀。在數(shù)據(jù)傳輸上選擇4G傳輸方式，克服傳統(tǒng)有線傳輸方式的束縛，提高了監(jiān)測的效率。在檢測光源選擇上，系統(tǒng)選擇LED發(fā)射光二極管產(chǎn)生的單色光，其具有能量利用率高、光譜集中等優(yōu)點，提高了后續(xù)檢測電路的準確度。實際測試結果表明，系統(tǒng)能有效檢測到水質濁度值的變化情況，且測量誤差小于8%，本文設計的基于4G的散射式濁度儀為水質的實時監(jiān)測提供一種新的方法。