基于STM32的光學(xué)透射法水濁度檢測系統(tǒng)設(shè)計

李仔艷，郭 驥，丁思同，郭未寬，高秀敏

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

濁度是反映天然水和飲用水物理特性的一項指標(biāo)，用以表征水的清澈或渾濁程度，是衡量水質(zhì)良好程度的重要指標(biāo)之一[1]。水濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)[2]。針對上述濁度這一參數(shù)的光學(xué)特性，本文提出一種光學(xué)透射式濁度測量方法。該方法利用水樣對光散射和吸收的光學(xué)性質(zhì)，將濁度轉(zhuǎn)化為光電信號[3]，通過STM32芯片智能處理[4]保證一定準(zhǔn)確度和精度的在線水質(zhì)分析。

1 系統(tǒng)檢測原理

在國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO7027—1984）中，透射法和散射法定義為濁度儀設(shè)計的兩種標(biāo)準(zhǔn)測量方法。透射法是用一束光穿過一定厚度的水樣，通過測量水樣中懸浮顆粒物對入射光的吸收和散射所引起的透射光強(qiáng)度的衰減量來確定水樣的濁度。散射法則是通過測量穿過水樣的入射光束被水樣懸浮顆粒物散射所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)來確定水濁度。透射與散射兩種檢測方法在光源的穩(wěn)定性和傳感器的靈敏度等方面各有特點。透射法的原理和儀器的設(shè)計相對簡單，能獲得較大的濁度測量范圍，但在測定低濁度時，由于微小的濁度變化所引起的透射光變化很小，故對光電接收元件和放大器的分辨率和穩(wěn)定性要求比較高。而測量非常低的濁度時，散射法測量對光源及電路的穩(wěn)定性要求相對較低，易于達(dá)到對儀器的穩(wěn)定性要求。通常散射法只用于測量較低的濁度，若濁度范圍較大時，光電轉(zhuǎn)換得到的電信號將不再是濁度的單值函數(shù)[5-7]。

本系統(tǒng)采用透射法來設(shè)計濁度檢測系統(tǒng)，其工作原理如下：將光源入射到待測水樣中，傳感器在另一端接收信號，然后將接收到的信號放大，再送入單片機(jī)中進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計方案，主要由光源驅(qū)動模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊、顯示模塊、電源模塊等部分組成。首先光源驅(qū)動電路驅(qū)使LED光源發(fā)光，然后傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)過放大之后輸出至STM32單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)處理后得到水樣的濁度大小,最后將濁度值傳輸至顯示模塊上顯示。系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig. 1 System schematic block

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計Fig. 2 Hardware design of the system

2.1 光源和傳感器的選型

根據(jù)水樣對光散射和吸收的光學(xué)性質(zhì)，可知光源和傳感器的選型對整個濁度系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、靈敏度、穩(wěn)定性十分關(guān)鍵。市面上常用的光源有三大類，分別為汞光源、激光光源及LED光源。汞光源是發(fā)展時間最長的一種光源，亮度高，在色彩方面可調(diào)的空間很大，其最大的缺點就是壽命短，且與其它光源相比，在使用過程中還可能出現(xiàn)炸燈現(xiàn)象。汞光源主要應(yīng)用在家庭影院和燈泡中。激光光源波長可選擇性大，光譜亮度高，色域廣，同時具有較長的使用壽命和超高的亮度，但是由于技術(shù)和成本的問題，色彩的準(zhǔn)確性不是很高，且成本過高。LED光源結(jié)構(gòu)簡單，便攜性高且使用簡單易操作，同時LED光源的壽命較長，色彩較好，價格低廉。將三種光源的優(yōu)缺點進(jìn)行對比，本系統(tǒng)選擇LED光源。

前人研究表明在一定低濁度范圍內(nèi)，不同波長下測得的濁度與吸光度有很好的線性關(guān)系；當(dāng)濁度相對較高時濁度與吸光度的關(guān)系曲線將偏離原有的線性關(guān)系，不同波長下偏離程度明顯不同[7]。當(dāng)波長大于 880 nm時，曲線偏離程度相對較低。所以本系統(tǒng)光源選擇型號為OED-CL-1556SN的LED。

光電傳感器實際上就是光敏二極管，它的作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光敏二極管可以看作一個受光照強(qiáng)度影響的電阻，光照強(qiáng)度越大其阻值越小，光照強(qiáng)度越小其阻值越大。當(dāng)光敏二極管接收到LED光照時，其阻值會變小。選擇光敏二極管型號時要考慮幾個重要參數(shù)，如暗電流、最高反向工作電壓、光電流及光電靈敏度[8-9]。考慮本系統(tǒng)的設(shè)計要求，要選擇一個暗電流小、最高反向工作電壓高、光電流大、光電靈敏度高的光敏二極管。同時光敏二極管有一定光譜響應(yīng)范圍，并對某波長的光有最高的響應(yīng)靈敏度（峰值波長）。光敏二極管對于照射光線的響應(yīng)程度是不一樣的，它對某一范圍內(nèi)的光譜有最強(qiáng)響應(yīng)，而對另外一些光波則響應(yīng)不佳，主要表現(xiàn)為光電流的大小不同。因此，要想獲取最大的光電流，應(yīng)選擇光譜響應(yīng)特性符合待測光譜的光敏二極管。綜合考慮以上幾個參數(shù)特性，本系統(tǒng)選擇PN502。

2.2 光源驅(qū)動電路

光源驅(qū)動電路如圖3所示，其中U7（BL8532）是升壓恒流芯片，用來驅(qū)動LED。BL8532具有0.8 V極低啟動電壓，通過調(diào)節(jié)外接電阻Rc大小來達(dá)到0～500 mA的可調(diào)輸出電流，或由外圍電阻調(diào)節(jié)輸出2.5～6 V可調(diào)的穩(wěn)定電壓。由于內(nèi)部集成了限壓保護(hù)模塊，這使得電路在不接負(fù)載的情況下，也不會燒毀芯片及外圍電路。

圖3 光源驅(qū)動電路Fig. 3 Driving circuit of the light source

本系統(tǒng)采用恒流輸出，其中Rc的確定通過1管腳反饋電壓（VIFB）和輸出的恒定電流（IOUT）確定

2.3 光電轉(zhuǎn)換及放大電路

2.3.1 光電轉(zhuǎn)換

實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換主要依靠的是光電二極管（PD1），它會將接收光源發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號。光敏二極管有兩種工作模式，分別是光伏工作模式（零偏置）和光導(dǎo)工作模式（反向偏置）。光伏模式時幾乎沒有暗電流, 這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲，這種模式下的光電二極管有非常精確的線性曲線; 光導(dǎo)模式時有一個外加的反向電壓，即使無光照條件下仍有一個很小的暗電流，但是可以通過選擇光電二極管的材料來限制其大小[8-9]。這種模式下光敏二極管有較高的響應(yīng)速度, 但會稍微犧牲曲線的線性度。考慮到在光電轉(zhuǎn)換的精密測量中靈敏度對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響，所以采用光導(dǎo)模式來搭建最基本的光電轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路Fig. 4 Photoelectric conversion circuit

2.3.2 前置放大電路

搭建了兩個光電轉(zhuǎn)換電路，將其中一個對準(zhǔn)光源經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換得到微電壓信號VIN1，另外一個光敏二極管不對準(zhǔn)光源無法得到光信號，得到的是環(huán)境信號VIN2。將VIN1信號和VIN2信號送入一個由U4（LF353）構(gòu)成的差分放大電路進(jìn)行放大處理[10]。本系統(tǒng)的測量環(huán)境是水樣中，環(huán)境噪聲對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響, 如因環(huán)境產(chǎn)生振幅相同、相位相同、時間同步的干擾信號，則該信號就是共模信號。差分放大器的輸入端接收到共模信號后，會將共模信號濾除，從而達(dá)到消除外界環(huán)境對探測電路影響的目的。差分電路本身具有良好的電氣對稱性，使其對共模信號有很強(qiáng)的抑制作用，從而增大了系統(tǒng)信噪比。理論上來說前級放大倍數(shù)可以設(shè)計得很大，但實際上反饋電阻會引入熱噪聲而限制電路的信噪比，所以前級信號不能無限放大。經(jīng)差分放大電路放大后的信號進(jìn)入U6再進(jìn)行二級放大。其中VOUT的計算公式為

圖5 前置放大電路Fig. 5 Preamplifier circuit

2.3.3 有源二階帶通濾波電路

有源二階帶通濾波電路是由U2、U3構(gòu)成的，其主要作用是進(jìn)行濾波。前置放大電路放大的電壓再進(jìn)行二級帶通濾波。有源帶通濾波器的主要作用是選通某一頻段內(nèi)的信號, 抑制該頻段以外的信號[11]。由于電信號是一個直流信號，濾波器主要是濾去高頻干擾、前置放大器引入的噪聲以及環(huán)境噪聲。有源二階帶通濾波電路如圖6所示。

帶通濾波器由兩部分組成，第一部分是低通濾波器，第二部分是高通濾波器。

低通濾波器的傳遞函數(shù)為

高通濾波器的傳遞函數(shù)為

2.4 電源電路

電源電路為整個系統(tǒng)供電，采用3.7 V鋰電池和5 V USB兩種供電方式，其中5 V USB接口不僅可以為整個系統(tǒng)供電，還可以為鋰電池充電，采用U1（TP4056）芯片對鋰電池充電，U6（LP2992）為穩(wěn)壓芯片，其作用是將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V，轉(zhuǎn)換后的電壓為STM32F103ZET6和OLED提供工作電壓。

圖6 有源二階帶通濾波電路Fig. 6 Active second-order bandpass filter circuit

2.5 單片機(jī)及其它電路

水濁度系統(tǒng)采用由ST公司開發(fā)的STM32F103ZET6芯片作為控制器，該系列芯片采用具有高性能、低功耗、低成本的嵌入式ARM Cortex-M0+內(nèi)核，具有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換功能及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，并擁有豐富的外設(shè)接口[12]。液晶顯示屏電路用于系統(tǒng)的信息顯示及輸出，通信接口用于單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控程序是為各個硬件模塊提供執(zhí)行所需功能的相關(guān)配置程序，主要包括主控單元程序設(shè)計、光源驅(qū)動程序設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、OLED顯示屏程序設(shè)計、通信協(xié)議程序等。程序開發(fā)采用C語言進(jìn)行編寫，調(diào)試程序的平臺為Keil uVision5。

3.1 主控程序

STM32F103ZET6為整個硬件系統(tǒng)的核心控制單元，主控程序通過ST-Link燒錄，控制整個硬件系統(tǒng)正常有序地工作。主控程序先將系統(tǒng)初始化，再由使能光源驅(qū)動芯片并采集傳感器信號，對采集的數(shù)據(jù)作預(yù)處理，最后將水濁度函數(shù)進(jìn)行線性擬合[13-14]。主控程序流程如圖7所示。

圖7 主控程序流程圖Fig. 7 Flow chart of main control program

3.2 光源驅(qū)動程序

光源驅(qū)動模塊的使能控制也由STM32F103 ZET6完成。STM32初始化變量后，通過設(shè)置PB5引腳不同工作方式，使能控制LED驅(qū)動模塊，配合光電傳感器接收光信號來分析水樣對光散射和吸收的光學(xué)性質(zhì)。光源驅(qū)動程序如圖8所示。

圖8 光源驅(qū)動程序Fig. 8 Light source driver

3.3 數(shù)據(jù)采集及處理程序

STM32F103ZET6控制相關(guān)模塊開始采集光電傳感器上的模擬信號，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號進(jìn)行濁度函數(shù)計算，數(shù)據(jù)采集與處理程序如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集與處理程序Fig. 9 Data acquisition and processing program

4 濁度函數(shù)的標(biāo)定

4.1 實驗方法

按 ISO7027—1984 國際標(biāo)準(zhǔn)單位（FNU）配制福爾馬肼聚合物濁度標(biāo)準(zhǔn)液[15]，用稀釋法制備標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液系列。利用濁度檢測系統(tǒng)檢測濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，得到輸出結(jié)果。該實驗需在黑盒中進(jìn)行，最大程度地減小日光、雜散光對濁度測量的干擾。

4.2 實驗步驟

1）配制0 FNU, 1 FNU，5 FNU，10 FNU標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液，放入干凈且干燥的燒瓶待用。

2）將配制好的標(biāo)準(zhǔn)濁度液倒入實驗裝置中，驅(qū)動光源和傳感器進(jìn)行多次實驗，測量電壓值，然后作線性擬合，將擬合后的函數(shù)y=-4.544x+4燒入最小系統(tǒng)板中，再進(jìn)行多次測量，與標(biāo)準(zhǔn)濁度值進(jìn)行比較，并計算誤差值。

4.3 實驗數(shù)據(jù)

水濁度誤差分析如表1所示。

表1 水濁度誤差分析表Tab. 1 Error analysis of water turbidity

5 分析與結(jié)論

從幾組數(shù)據(jù)可以看出，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差，在測量0 FNU和1 FNU時系統(tǒng)根本分辨不出。用透射法不適合測量低濁度，系統(tǒng)性能和靈敏度達(dá)不到要求。但是在測量5 FNU、10 FNU時誤差明顯有減小的趨勢。根本原因還是透射法不適合低濁度的檢測，只適合高濁度的水質(zhì)檢測。總的來說透射法在結(jié)構(gòu)上是比較簡單的，一般情況下能滿足對低濁度水樣測量的精度要求，在高濁度的水樣檢測中具有更好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。