基于熒光和單片機的水中油測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了準確測定水中油污染的性質(zhì)和來源，實施水環(huán)境監(jiān)測管理，采用熒光分析法以及單片機控制技術(shù)，設(shè)計了水中油測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線測量，通過對樣本進行測試，測量精度可達到０．１ μｇ／Ｌ，相對誤差控制在１％以內(nèi)，其穩(wěn)定性和準確性均達到了預期的效果，為將單片機技術(shù)引入到水中礦物油含量測量研究提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：單片機技術(shù)；熒光分析法；水中油測量系統(tǒng)；水污染；性能測試

中圖分類號：ＴＰ２７３；ＴＥ９９１．２ 文獻標識碼：Ｂ 文章編號：0439－８114（２０11）23－4937-03

The Design of A Measurement System for Oil Pollution in Water Based on

Fluorescence Analysis and SCM

ＤＵＡＮ Ｃｕｉ－ｆａｎｇ１，ＬＩＵ Ｌｉ－ｇｅ２，ＷANG Ｊｉａｎg－ｋｕａｎ３

（１. Ｈｅｎａｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００２， Ｈｅｎａｎ，China； ２. Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｊｉｎｙｕａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５１，China； ３. Ｘｉｎｘｉａｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌ Kｉｎｄ Eｑｕｉｐｍｅｎｔｓ Tｅｓｔ Gｒａｄｕａｔｅ Sｃｈｏｏｌ， Ｘｉｎｘｉａｎｇ， Ｈｅｎａｎ ４５３０００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｎａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ， ａｎｄ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ａｎ ｏｉｌ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＳＣＭ． Ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ， ａｎｄ ０．１ μｇ/Ｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １％ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｎ ｉｔｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｏｉｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＳＣＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； fｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｏｉｌ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ； ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ； ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ

當前水污染問題日趨嚴重，其中礦物油對水體的污染不容忽視?？焖贉蚀_地測定水中礦物油的種類及含量，正確判斷油污染的性質(zhì)和來源，對于實施水環(huán)境監(jiān)測管理及污染防治具有重要意義。熒光分析法是一種高靈敏度、高選擇性的分析方法，廣泛應(yīng)用于無機物和有機物的分析。在基于熒光分析原理的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出了溢流式采樣技術(shù)，結(jié)合運用Ｃ８０５１Ｆ０２０單片機設(shè)計開發(fā)出一套水中礦物油含量的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了水中礦物油含量的在線測量［１］。

１ 水中油測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

１．１ 系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)的測量過程首先將要測量的水樣通過水樣采集裝置（由水泵、漏斗和導管組成）采集到水樣測量室內(nèi)，形成溢流的液面后，紫外光源發(fā)出的紫外光照射到水面上，水中的礦物油受到紫外光的照射會激發(fā)出熒光，用光電探測器（光電倍增管）采集到此熒光信號并轉(zhuǎn)換成光電流。然后通過電流／電壓轉(zhuǎn)換及放大電路將該信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，再輸入到微處理器內(nèi)部的模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊變成數(shù)字信號后，由微處理器進行分析和處理，為了得到更好的人機交流效果，設(shè)計了鍵盤接口，用戶可以簡潔方便地操作此系統(tǒng)，并可以通過ＬＥＤ顯示模塊隨時查看測量的結(jié)果［２］。

１．２ 系統(tǒng)硬件設(shè)計與選型

在線水中油測量系統(tǒng)的總體框圖如圖１所示，該系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)和電子系統(tǒng)組成。其中光學系統(tǒng)主要由紫外激發(fā)光源、水樣采集裝置及光電探測器等組成。在電子系統(tǒng)中，設(shè)計了電流／電壓轉(zhuǎn)換及放大電路，為了方便用戶的操作及查看測量結(jié)果，還設(shè)計了受微處理器控制的報警電路、鍵盤模塊、ＬＥＤ顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、系統(tǒng)時鐘ＰＣ機通信等模塊。所有控制程序均采用Ｃ語言編寫，并由Ｋｅｉｌ Ｃ５１ ｕＶｉｓｉｏｎ２編譯軟件完成編譯。

在整個測量系統(tǒng)中，光學系統(tǒng)主要負責采集和探測信號；電子系統(tǒng)主要負責對采集到的信號進行實時分析和處理，并將處理的結(jié)果通過人機界面反饋給用戶。系統(tǒng)采用±１２．０ Ｖ和＋５．０ Ｖ輸出的直流穩(wěn)壓電源，并通過對＋５．０ Ｖ電壓的變換，分別得到了系統(tǒng)需要的－５．０ Ｖ和３．３ Ｖ的電壓輸出。經(jīng)查閱相關(guān)文獻資料，水中的礦物油在激發(fā)光波長２５０．０ ｎｍ附近處有很強的吸收。為實現(xiàn)激發(fā)源的高強度、低雜散光的要求，系統(tǒng)選用在紫外波段輻射通量比較強的筆形汞燈作為光源，并選用高性能窄帶濾光片來實現(xiàn)光波段的選擇。高壓汞燈為Ｇｐ３Ｈｇ－１筆形汞燈，該燈具有２５３．７、３６５．０、４０４．７、４３５．８、５４６．１ ｎｍ等汞的特性譜線。為了能夠獲得盡可能強的激發(fā)光源，濾光片的峰值波長必須與汞燈的特征譜線盡可能的接近，選擇了匯博光學技術(shù)有限公司生產(chǎn)的光學干涉濾光片，其峰值波長為２５５．０ ｎｍ。另外，從獲得高的激發(fā)源的角度考慮，還在光路中安裝了聚光鏡，使得汞燈發(fā)出的光盡可能多的照射到樣品上［３］。

水樣采集裝置負責將水樣采集到水樣測量室內(nèi)，同時也是樣品的容器，水樣在這里接收激發(fā)光的照射并能夠散射熒光?？紤]到其在系統(tǒng)中所要實現(xiàn)的樣品在線檢測，系統(tǒng)采用溢流式采樣方案。接收系統(tǒng)接收的光由兩部分組成：紫外光激發(fā)礦物油產(chǎn)生的熒光和樣品直接反射出來的紫外光。熒光的范圍一般在３００～７００ ｎｍ，紫外光干擾是由于水面反射或水中雜質(zhì)等原因造成的，其波長在２５０ ｎｍ左右。因此只需在光路中放置峰值波長為３５０ ｎｍ的濾光片便可以實現(xiàn)雜光的濾除。

電流／電壓轉(zhuǎn)換放大器電路如圖２所示。轉(zhuǎn)換器件采用靈敏度和穩(wěn)定性都很高的嶄波運算放大器ＩＣＬ７６５０，將光電流信號由７６５０的負向輸入端輸入，經(jīng)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)由３個１００ Ｋ的貼片電阻串并聯(lián)組成，其等效阻值為３００ Ｋ，用電容來濾除交流干擾的噪聲。

２ 水中油測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)選用Ｃ８０５１Ｆ０２０單片機，主要實現(xiàn)控制功能，可通過基于Ｃ語言的Ｋｅｉｌ Ｃ５１ ｕＶｉｓｉｏｎ２集成開發(fā)環(huán)境進行單片機系統(tǒng)程序的開發(fā)。圖３是軟件主系統(tǒng)框圖，主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，先對系統(tǒng)中的各部分進行初始化工作，然后監(jiān)控系統(tǒng)按照鍵盤指示進行工作［４］。

Ｋｅｉｌ Ｃ５１ ｕＶｉｓｉｏｎ２集成開發(fā)環(huán)境是一個基于Ｗｉｎｄｏｗs的開發(fā)平臺，將項目管理、源代碼編輯和程序調(diào)試等組合在一個功能強大的環(huán)境中。程序中將采集到的電壓值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再進行分段的線性擬合，使用戶在測量時可以通過ＬＥＤ顯示得到０～５０ μｇ／Ｌ范圍內(nèi)的測量結(jié)果。其中在設(shè)計Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換模塊時，系統(tǒng)板有意在８位和１２位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊各用了兩個轉(zhuǎn)換通道的輸入接口，使電壓值分別通過兩個不同位數(shù)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器后，得到兩組數(shù)據(jù)，相比較后取比較理想的一組進行線性擬合。以實際測得的電壓值和實際溶液的濃度值作為每個點的橫縱坐標，線性擬合的子程序如下：

float nihe(float*x，float*y)

{float x_sum=0，y_sum=0，xy_sum=0，xx_sum=0，k=0;

unsigned char i;

for(i=0;i

{

x_sum+=x[i];

y_sum+=y[i];

xy_sum+=x[i]*y[i];

xx_sum+=x[i]*x[i];

}

k=(y_sum*x_sum-x_y_size*xy_sum)/

(x_sum*x_sum-x_y_size*xx_sum);

return k;

}

將測得的電壓值和對應(yīng)的濃度值分別裝在兩個一維數(shù)組中保存，這樣在所測得的范圍內(nèi)，電壓值經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的程序后，每轉(zhuǎn)換出一個值，便有相應(yīng)的濃度值與之相對應(yīng)，再通過ＬＥＤ顯示給用戶。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的程序如下：

float read_adc0(unsigned char channal)

{float result;

AMX0SL=channal;//通道選擇

AD0INT=0;

AD0BUSY=1;

while(AD0INT==0);

result=ADC0H*256+ADC0L;

return(result);

}

入口參數(shù)是Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的通道數(shù)，最后的ｒｅｓｕｌｔ便是經(jīng)過Ａ／Ｄ后的數(shù)值。

３ 系統(tǒng)實測及數(shù)據(jù)分析

在組裝好整個系統(tǒng)后，需要通過對實際樣本的測量來檢驗測量系統(tǒng)的實用性及準確性，主要是用０號柴油和９７號汽油配制不同濃度的樣品。為了使柴油能夠均勻地分布在水中，用超聲波振蕩器對其進行了乳化處理。

在配制好以上幾個濃度的樣品后開始測量工作。測量系統(tǒng)在設(shè)計時有采樣進水口和排水口，都接上水管，將進水口的水管另一端連到水泵上。將水泵放入桶中使其浸沒在溶液底部，并把排水孔的水管也置于盛裝溶液的水桶中，使測量時形成動態(tài)的循環(huán)。同時將電流／電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出端用電壓表檢測。打開系統(tǒng)電源，使紫外光源和光電倍增關(guān)都開始工作，調(diào)節(jié)倍增關(guān)的高壓電源模塊的電位器端，使提供給倍增關(guān)的電壓在－５００ Ｖ左右［５］。

試驗時電壓表測得的電流／電壓放大器的輸出端模擬電壓值接入到單片機系統(tǒng)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換輸入通道，并通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，并對這些數(shù)字量進行了數(shù)據(jù)擬合。測量結(jié)果見表１。由表１可以看出，該測量系統(tǒng)測量精度可達到０．１ μｇ／Ｌ，相對誤差控制在１％以內(nèi)，其穩(wěn)定性和準確性達到了預期的效果。

４ 小結(jié)

采用熒光分析法以及單片機控制技術(shù)，運用Ｃ８０５１Ｆ０２０單片機設(shè)計開發(fā)出一套水中礦物油含量的測試系統(tǒng)，進行了系統(tǒng)的硬件電路和軟件部分的設(shè)計，并進行了實測數(shù)據(jù)的分析。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線測量，并且在測量水中礦物油的含量時具有可靠的穩(wěn)定性和準確性，為將單片機技術(shù)引入到水中礦物油含量測量研究提供了借鑒。由于條件所限，試驗主要用０號柴油和９７號汽油配制不同濃度的樣品進行了測試，而實際的污染物情況較為復雜，還需進一步研究。

參考文獻：

［1］ 高 明，馬海濤． 基于熒光與Ｃ８０５１Ｆ０２０單片機的水中油檢測系統(tǒng)設(shè)計［Ｊ］．微計算機信息，２０１１（１）：１１１－１１２．

［2］ 曹志奎，董獻堆． 水中礦物油的熒光分析［Ｊ］． 東北師大學報（自然科學版），２００5，37（3）：１2－15．

［３］ 吳 堅， 曹文祺． 熒光分析法監(jiān)測水中礦物油污染的研究［Ｊ］．計量學報，２００１，２２（３）：２２３－２２６．

［４］ ＣＨＩＮＮＯＣＫ Ｃ． Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，２００１，１７（１０）：２２－２５．

［５］ 魏小龍． ＭＳＰ４３０系列單片機接口技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計實例［Ｍ］．北京：北京航空航天大學出版社，２００２．