基于Arduino的可見光濁度檢測創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

許 金，李 姮，葉 懋，白雁力

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電綜合工程訓(xùn)練國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣西 桂林 541004）

隨著信息技術(shù)的融合發(fā)展及創(chuàng)新 2.0模式的興起，人們越來越認(rèn)識到大眾參與創(chuàng)新的重要，也認(rèn)識到創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力[1]。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育已成為教育改革實(shí)踐的重點(diǎn)。高校大學(xué)生的創(chuàng)新動力源泉主要來自于對知識的好奇心和求知欲[2]。如何設(shè)計(jì)能有效激發(fā)學(xué)生求知欲的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，是當(dāng)代高校實(shí)踐教學(xué)體系急需思考并解決的問題之一[3-5]。

濁度是非常重要的水質(zhì)參數(shù)，它所反映的是不溶性懸浮顆粒引起的水的透明度。濁度可由不同的來源引起，比如土壤、沉積物、化學(xué)沉淀物等[6]。濁度較高的水雖不是絕對有害，但如果人類不慎飲用，在一定程度上會引起健康問題。世界衛(wèi)生組織（WHO）建議消毒前濁度水平低于 1.0 NTU[7]，同時(shí)我國強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）規(guī)定濁度不超過1.0 NTU（水源與凈水技術(shù)條件限制時(shí)為 3.0 NTU）[8]。因此，確保飲用水和生活用水的濁度滿足濁度水平標(biāo)準(zhǔn)值至關(guān)重要。

大一是大學(xué)生最為關(guān)鍵性的一年[9]，針對大一新生專業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力較為薄弱的問題，結(jié)合我校電子工程訓(xùn)練中心面向大一新生開設(shè)的“電子認(rèn)知實(shí)習(xí)”入門實(shí)踐課程，本文設(shè)計(jì)了基于Arduino的可見光濁度檢測創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)一束光射向水體中的不溶性懸浮顆粒時(shí)，會發(fā)生光的吸收、透射和散射。被吸收的光會轉(zhuǎn)換為顆粒物的內(nèi)能，該部分光能損耗較難直接測量。目前基于光電測量原理設(shè)計(jì)的濁度儀按照光路接收結(jié)構(gòu)可分為透射法和散射法兩大類，原理見圖1。

圖1 濁度測定方法原理圖

以現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)-濁度的測定》（GB 13200—91）規(guī)定的濁度測定方法為參考[10]，本實(shí)驗(yàn)采用透射法進(jìn)行設(shè)計(jì)。透射法也叫分光光度法，其物質(zhì)定量的理論基礎(chǔ)是朗伯-比爾定律[11]，即當(dāng)一束光垂直通過某溶液時(shí)，入射光強(qiáng)度I0、透射光強(qiáng)度I、溶液的濃度c和液層的厚度b的關(guān)系如下式：

式中K為常數(shù)。

要完成對濁度的準(zhǔn)確測定還需配合相關(guān)的定量測定方法。本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法完成濁度測定。標(biāo)準(zhǔn)曲線法（圖2），也稱為工作曲線法，是分析化學(xué)中較為常用的一種定量方法[11]。該方法主要分為3個(gè)步驟：（1）配制一系列濁度不等的標(biāo)準(zhǔn)樣品，濁度范圍需包含未知溶液的濁度；（2）在相同條件下分別測量標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸光度，并采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，求解出線性回歸方程（y=ax+b，x和y分別為濁度和吸光度）；（3）最后在相同條件下測量待測樣品的吸光度A，根據(jù)c=(A-b)/a求解出相應(yīng)的濁度c。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線法

2 實(shí)驗(yàn)硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)硬件主要包括Arduino UNO主板、恒流源、中心波長為680 nm的LED燈、TSL2581光電傳感器、23 mm（0.91英寸）分辨率為128像素×32像素OLED顯示屏、30 mm比色皿，以及若干電阻、電容、按鍵等，各部分與Arduino UNO之間的連接原理圖見圖3。

圖3 硬件連接原理圖

2.1.1 主控電路

主控模塊選用以官方Arduino UNO為母板優(yōu)化設(shè)計(jì)的GDuino UNO開源硬件電路。GDuino UNO硬件和軟件均完全兼容官方Arduino UNO，以ATmega328P微處理器為核心，具有14個(gè)數(shù)字I/O口、6個(gè)模擬I/O口、2 KB SRAM和32 KB閃存。GDuino UNO在元器件選型和部分功能電路方面做了優(yōu)化，使開發(fā)板使用的貼片器件更少、封裝更為簡單和單一化，以增加初學(xué)者手工焊接的成功率，減小初學(xué)者生產(chǎn) GDuino UNO時(shí)的硬件故障率。

2.1.2 恒流源

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 13200—91[10]對光源的規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)使用中心波長為680 nm的LED燈，替代鹵素?zé)糇鳛闈岫葍x的光源。窄波長的LED燈相對于鹵素?zé)粲兄T多優(yōu)點(diǎn)，除不需要單色器外，系統(tǒng)功耗低、成本低、穩(wěn)健性強(qiáng)、儀器更加簡單化和小型化，但由于LED燈的電壓-電流關(guān)系近似指數(shù)，微小的電壓波動都會引起很大的電流變化，導(dǎo)致光強(qiáng)波動。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了恒流源驅(qū)動電路，給LED燈輸入恒定的電流，保證半導(dǎo)體二極管的 PN結(jié)工作在安全范圍內(nèi)，維持穩(wěn)定的發(fā)光功率。

恒流源選用 Nexperia半導(dǎo)體公司的恒流源芯片PSSI2021SAY進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖 4所示。PSSI2021SAY是一款單芯片恒流源，其將二極管和晶體管封裝在一起做溫度補(bǔ)償，溫漂僅有 0.15%/K；且使用方便，只需要外接一個(gè)可調(diào)電阻便能實(shí)現(xiàn)15 μA～50 mA的可調(diào)電流源[12]。NPN三極管和低導(dǎo)通電阻的N溝道 MOS晶體管構(gòu)成開關(guān)控制電路，可程序控制LED光源，方便進(jìn)行暗電流采集。

圖4 恒流源原理圖

2.1.3 光電傳感器

本實(shí)驗(yàn)使用 TAOS公司的集成式光電芯片TSL2581完成對光強(qiáng)的測量。TSL2581是一款高靈敏度的光數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可將光強(qiáng)度直接轉(zhuǎn)換為I2C接口的數(shù)字信號輸出。TSL2581的感光區(qū)域由一個(gè)寬帶光電二極管和一個(gè)紅外響應(yīng)光電二極管組成，每個(gè)光電二極管均獨(dú)立擁有一個(gè)16 bit的積分式ADC，可將每個(gè)通道上測量的輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出；內(nèi)部集成了可編程放大器，能提供 1～106的動態(tài)測量范圍。該器件無需設(shè)計(jì)外部信號調(diào)理電路，可以連接到微控制器，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且節(jié)省了PCB空間。

2.1.4 顯示模塊

為能夠?qū)崟r(shí)顯示濁度測定數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了尺寸大小為23 mm（0.91英寸）的OLED點(diǎn)陣圖形顯示屏。顯示屏分辨率為 128×32像素，內(nèi)部驅(qū)動控制器為SSD1306。SSD1306是單片CMOS OLED驅(qū)動芯片，該芯片集成了對比度控制器、128×64 bit顯示RAM、晶振和256級亮度調(diào)節(jié)器等，提供6800/8000并行通信口、I2C總線和 SPI總線等多種數(shù)據(jù)傳輸接口[13]。并行通信速度快，但需要較多的 I/O口；串行通信雖然速度相對較慢，但只需要很少的 I/O口便可完成通信。本實(shí)驗(yàn)為強(qiáng)化學(xué)生對串行總線的學(xué)習(xí)，選用 SPI總線作為 OLED顯示屏和主控器之間的通信接口。

2.2 實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示，分為模塊初始化、暗電流采集、空白溶液光強(qiáng)度采集、吸光度計(jì)算等 4部分。其中空白溶液光強(qiáng)度的采集，需要判斷是否發(fā)生按鍵事件，決定是否將當(dāng)前光強(qiáng)值記為入射光強(qiáng)度I0。實(shí)時(shí)采集的光強(qiáng)度記為I，根據(jù)朗伯比爾定律計(jì)算實(shí)時(shí)吸光度A，并分別通過OLED顯示屏和串口完成數(shù)據(jù)顯示和記錄。

圖5 實(shí)驗(yàn)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 濁度標(biāo)準(zhǔn)液的配置

所用試劑如無特殊說明均為分析純試劑。實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）。參考標(biāo)準(zhǔn) GB 13200—91[10]，使用0.2 μm濾膜過濾超純水，作為零濁度水。

400 NTU濁度標(biāo)準(zhǔn)貯備液配置：（1）分別配制10 g/L 硫酸肼溶液（試劑A）和100 g/L六次甲基四胺溶液（試劑B）；（2）分別吸取5 mL試劑A和5 mL試劑 B置于 100 mL容量瓶中，搖勻混合，置于（25±3）℃下反應(yīng)24 h；（3）冷卻后，用零濁度水稀釋至100 mL，此溶液濁度定義為400 NTU。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

（1）分別吸取 0、0.50、1.25、2.50、5.00、10.00、12.50 mL濁度標(biāo)準(zhǔn)貯備液于50 mL比色管中，并使用零濁度水稀釋定容至50 mL，配制濁度依次為0、4、10、20、40、80、100 NTU的標(biāo)準(zhǔn)使用液；

（2）將零濁度溶液置于所設(shè)計(jì)的濁度儀中，觸發(fā)按鍵，將濁度儀調(diào)零；

（3）將各濁度標(biāo)準(zhǔn)使用液置于濁度儀，在同種實(shí)驗(yàn)條件下測量，記錄吸光度；

（4）以吸光度（A）為縱坐標(biāo)，濁度（NTU）為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

濁度儀工作曲線見圖6。從20.9996R= 可知，本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的濁度儀線性良好；濁度為40 NTU時(shí)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 RSD小于 1%（0.59%，n=7），精密度良好。因此，本濁度儀在0～100 NTU的樣品中可精確地對濁度進(jìn)行測量。

圖6 濁度儀工作曲線

4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案設(shè)計(jì)

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在“電子認(rèn)知實(shí)習(xí)”課程中，采用2人一組的形式，實(shí)驗(yàn)過程分為實(shí)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)總結(jié)3階段，具體實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核分值標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)把生活中的問題和理論學(xué)習(xí)有機(jī)融合，將多個(gè)學(xué)科相互滲透，形成了一套完整的科研教學(xué)型實(shí)驗(yàn)方案。通過實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生科研興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、提高學(xué)生動手實(shí)踐能力。該實(shí)驗(yàn)不僅可以應(yīng)用于低年級的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，還可以對硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)一步擴(kuò)展，將電路設(shè)計(jì)、信號處理、算法研究等高年級專業(yè)課內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)融合，以適用于高年級的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課。