帶有溫度補(bǔ)償?shù)臐岫茸兯推髟O(shè)計與實(shí)現(xiàn)

趙健ZHAO Jian；張偉新ZHANG Wei-xin；張欣ZHANG Xin

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214153）

0 引言

在環(huán)境質(zhì)量問題中，水環(huán)境質(zhì)量與人們的生活密切相關(guān)，尤其是水中懸浮物濃度，能夠直觀體現(xiàn)水源質(zhì)量。目前，以監(jiān)測濁度值來衡量水質(zhì)的應(yīng)用較為廣泛，比如通過監(jiān)測湖泊水質(zhì)濁度時空變化來判斷湖泊水生態(tài)環(huán)境；通過監(jiān)測黃河水濁度來判斷黃河上游水土流失情況；以及通過長期監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖場水體濁度研究對魚類生長的影響等[1]。目前，很多學(xué)者開展了水質(zhì)濁度監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，比如，針對濁度不同測量原理的研究[2]，針對不同應(yīng)用場景下濁度儀的設(shè)計[3]，以及基于無線通信技術(shù)的濁度儀設(shè)計等。

一般的應(yīng)用研究未考慮溫度對濁度監(jiān)測的影響，適合在理想環(huán)境中運(yùn)行，當(dāng)溫度發(fā)生大范圍變化時需要提前進(jìn)行校準(zhǔn)或重新標(biāo)定，使用過程較為繁瑣。針對這些問題，本文提出一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)臐岫茸兯推髟O(shè)計，使用熱敏電阻監(jiān)測待測水樣溫度值，通過分析固定濁度下濁度監(jiān)測電壓模擬量值與溫度值之間的關(guān)系，分析濁度傳感器的溫度特性，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，達(dá)到抑制溫度影響的效果。

1 濁度傳感器的監(jiān)測原理

本設(shè)計采用TSW-30 濁度傳感器，該傳感器基于光線通過溶液時的散射和透光率反映水的濁度。TSW-30 內(nèi)壁包含一個紅外線發(fā)射管和一個光敏接收管，發(fā)射管發(fā)射的光線穿過待測水樣時，光線的透過量與水樣的濁度成反比例關(guān)系，濁度越高透光量越少。接收管把透過的光強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成對應(yīng)強(qiáng)度的電流信號輸出，透光越多電流越大，利用采樣電路將TSW-30 輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過單片機(jī)控制的A/D 轉(zhuǎn)換器讀取該電壓信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后得到所測水樣的濁度值。TSW-30 可以監(jiān)測0～1000NTU范圍內(nèi)的濁度，能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用場景。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

濁度變送器內(nèi)部模塊及其連接關(guān)系見圖1。濁度變送器由電源電路、按鍵電路、LCD 液晶顯示電路、溫度傳感器電路、濁度傳感器電路、串口通信電路、繼電器電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)電路組成。電源電路輸入12V DC，輸出5V DC 和3.3V DC，為各功能模塊供電；按鍵電路輸出5 路離散量至單片機(jī)，用于變送器參數(shù)設(shè)置；LCD 顯示電路通過SPI 總線與單片機(jī)通信，用于顯示濁度和溫度等參數(shù)；溫度傳感器電路輸出1 路電壓模擬量信號至單片機(jī)，用于采樣、計算水樣溫度；濁度傳感器輸出1 路電壓模擬量至單片機(jī)，用于計算濁度數(shù)值；串口通信電路連接單片機(jī)串口和上位機(jī)，用于接收上位機(jī)控制命令并輸出系統(tǒng)參數(shù)；繼電器電路受單片機(jī)輸出離散量控制，用于輸出報警離散量信號；電壓/電流轉(zhuǎn)換電路受單片機(jī)內(nèi)部D/A 轉(zhuǎn)換器輸出量控制，轉(zhuǎn)換成4～20mA 恒流源輸出。

圖1 濁度變送器系統(tǒng)組成圖

2.2 硬件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1電源電路

電源電路將系統(tǒng)輸入12V DC 轉(zhuǎn)換成5V DC 和3.3V DC，同時12V DC 為模擬電路供電，轉(zhuǎn)換后的5V DC 為濁度傳感器供電，3.3V DC 為數(shù)字電路供電。電源電路采用LM7805 三端穩(wěn)壓器將12V DC 轉(zhuǎn)換成5V DC，再使用AZ1117H-3.3 電源芯片將5V DC 轉(zhuǎn)換成3.3V DC，以滿足整個系統(tǒng)的供電需求。

2.2.2按鍵電路

系統(tǒng)通過5 個按鍵實(shí)現(xiàn)控制命令的輸入，5 個按鍵通過5 路離散量接入單片機(jī)I/O 口，分別實(shí)現(xiàn)“菜單”、“確定”、“取消”、“循環(huán)加”和“循環(huán)減”的功能。

2.2.3液晶顯示電路

本系統(tǒng)使用的液晶顯示模塊分辨率為256×128，可實(shí)現(xiàn)漢字和圖形的顯示，采用4 線制SPI 接口與單片機(jī)連接，用于結(jié)合按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可顯示濁度值、溫度值、變送電流值和通信狀態(tài)等信息。

2.2.4溫度傳感器電路

溫度傳感器電路如圖2 所示，本系統(tǒng)使用NTC10K 熱敏電阻溫度傳感器測量水樣溫度，溫度傳感器與10kΩ 電阻串聯(lián)分壓后接入單片機(jī)內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器，NTC10K 測溫范圍-45～85℃，具有防水功能，適合本系統(tǒng)使用。

圖2 溫度傳感器電路

2.2.5濁度傳感器電路

濁度傳感器電路如圖3 所示，TSW-30 濁度傳感器輸出電壓0～5V，經(jīng)電阻R58、R59 分壓后輸出至濾波器，R49和C9 組成低通濾波器對濁度傳感器輸出電壓模擬量進(jìn)行濾波，截止頻率為20.8Hz，用于濾除傳感器信號中的工頻干擾和數(shù)字電路高頻噪聲，再經(jīng)電壓跟隨器增加驅(qū)動能力后接入單片機(jī)內(nèi)部A/D 采樣。

圖3 濁度傳感器電路

2.2.6串口通信電路

串口通信電路采用TD541S485H 作為RS485 隔離收發(fā)器，接收上位機(jī)的控制命令，向上位機(jī)傳輸濁度和溫度數(shù)據(jù)，傳輸采用Modbus-RTU 協(xié)議。

2.2.7繼電器電路

繼電器電路如圖4 所示，使用三極管Q1 作為開關(guān)器件，單片機(jī)輸出1 路離散量控制Q1 的工作狀態(tài)，輸出高電平時Q1 導(dǎo)通，繼電器線圈通電，外部報警電路接通；輸出低電平時報警電路斷開。

圖4 繼電器電路

2.2.8電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

電壓/電流轉(zhuǎn)換電路見圖5，該電路將單片機(jī)內(nèi)部D/A輸出的電壓轉(zhuǎn)換成電流輸出至負(fù)載電阻。該電路由運(yùn)放AR2、三極管Q2、采樣電阻R56 和負(fù)載電阻R57 組成，運(yùn)放AR2、電阻R52～R55 構(gòu)成差分比例運(yùn)算電路，使D/A 輸出電壓與R56 兩端電壓一致，從而設(shè)定輸出電流值。三極管Q2 構(gòu)成共射放大電路，集電極電阻R50 用于調(diào)整三極管的管壓降，使三極管工作在合適的狀態(tài)。

圖5 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

2.2.9單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路通過單片機(jī)內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換器采集溫度、濁度2 路電壓模擬量；通過內(nèi)部D/A 轉(zhuǎn)換器輸出1 路電壓模擬量設(shè)置輸出電流；通過1 路UART 與上位機(jī)通信；輸出1 路離散量控制繼電器輸出報警信號；通過5路離散量讀取按鍵狀態(tài)；通過1 路4 線SPI 控制LCD 顯示濁度、溫度數(shù)據(jù)。

2.3 軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

濁度變送器軟件流程圖如圖6 所示。系統(tǒng)上電后軟件對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容包括配置系統(tǒng)時鐘，初始化定時器、看門狗、串口、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器，配置輸入輸出管腳，初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)；讀取NTC10K 采樣電路輸出的電壓模擬量并計算出電阻值，通過查表獲取水樣當(dāng)前溫度值，讀取濁度傳感器采樣電路輸出的電壓模擬量，將當(dāng)前溫度值和濁度電壓值代入式（1）計算25℃時濁度電壓值，將該電壓值代入式（2）計算補(bǔ)償后實(shí)際濁度值；調(diào)用按鍵控制子程序，如有按鍵輸入則進(jìn)入菜單設(shè)置畫面；調(diào)用串口通信子程序，將濁度值、溫度值發(fā)送至上位機(jī)，如果收到上位機(jī)控制命令則執(zhí)行相應(yīng)操作；調(diào)用顯示子程序，將濁度值、溫度值和輸出變送電流值顯示在屏幕上，同時將濁度值轉(zhuǎn)換成4～20mA 電流輸出，結(jié)束后開始下一采集周期。

圖6 濁度變送器軟件流程圖

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試水樣取自城區(qū)河道水，水質(zhì)中懸浮物濃度較高。在測試過程中均使用同一次取樣的水樣。為了研究濁度傳感器輸出電壓的溫度特性，測試時在0～80℃水溫范圍內(nèi)選取9 個測試點(diǎn)，分別讀取9 個測試點(diǎn)對應(yīng)溫度條件下，傳感器實(shí)測電壓值，數(shù)值見表1。由表1 可以看出，在相同的濁度條件下，隨著溫度升高采樣電壓呈下降趨勢，經(jīng)過曲線擬合可以得出溫度對濁度的影響關(guān)系見式（1），式（1）中u25℃表示當(dāng)前溫度條件下的采樣電壓經(jīng)溫度補(bǔ)償后得到25℃條件下的電壓值，單位V，t 為采樣溫度值，單位℃，ut為溫度t 條件下濁度采樣電壓值，單位V。

表1 不同溫度條件下濁度傳感器實(shí)測電壓值

25℃條件下濁度值與傳感器采樣電壓值對應(yīng)關(guān)系見式（2），該公式由TSW-30 傳感器手冊中得出，式（2）中u25℃計算方法見式（1），Tur 為濁度值，單位NTU。

以河道水濁度監(jiān)測為例，將0～80℃范圍內(nèi)9 個測試點(diǎn)的采樣溫度和電壓值依次代入式（1），計算出溫度補(bǔ)償后的濁度電壓值，再將該電壓值代入式（2），計算出補(bǔ)償后的濁度值，為對比分析，將未補(bǔ)償?shù)臐岫戎狄灿嬎愠鰜恚陨嫌嬎闼脭?shù)據(jù)見表2，可以看出未補(bǔ)償時，數(shù)據(jù)受溫度影響很大，只有在20～30℃范圍內(nèi)的濁度值有參考價值，經(jīng)溫度補(bǔ)償后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，受溫度影響較小。

表2 河道水不同溫度條件下溫度補(bǔ)償和未補(bǔ)償?shù)臐岫戎祵Ρ?/p>

4 結(jié)論

為了提高水質(zhì)參數(shù)中濁度監(jiān)測的精度，本文設(shè)計了一種帶有溫度補(bǔ)償?shù)臐岫茸兯推鳎ㄟ^NTC10K 熱敏電阻監(jiān)測待測水樣溫度值，通過采集TSW-30 濁度傳感器輸出電壓獲取待測水樣的濁度電壓值，通過分析相同濁度不同溫度下濁度電壓值與溫度值之間的關(guān)系，得出濁度傳感器的溫度特性，進(jìn)而得出溫度補(bǔ)償公式，對濁度電壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，利用濁度電壓值與濁度值之間的函數(shù)關(guān)系計算出溫度補(bǔ)償后的濁度值。文中最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度補(bǔ)償能夠有效抑制溫度對濁度的影響，補(bǔ)償后數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。該方法原理簡單，容易操作，可應(yīng)用于洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等家庭用水污染程度的監(jiān)測，工業(yè)現(xiàn)場用水懸浮物濃度監(jiān)測，也可用于環(huán)境中水源渾濁程度的監(jiān)測，具有一定的實(shí)用價值和推廣價值。