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(jì)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(xiàng)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(duì)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(cè)量方法。該方法利用水樣對(duì)光散射和吸收的光學(xué)性質(zhì)，將濁度轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)[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(cè)原理

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO7027—1984）中，透射法和散射法定義為濁度儀設(shè)計(jì)的兩種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。透射法是用一束光穿過一定厚度的水樣，通過測(cè)量水樣中懸浮顆粒物對(duì)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(cè)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(cè)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(diǎn)。透射法的原理和儀器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，能獲得較大的濁度測(cè)量范圍，但在測(cè)定低濁度時(shí)，由于微小的濁度變化所引起的透射光變化很小，故對(duì)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(cè)量非常低的濁度時(shí)，散射法測(cè)量對(duì)光源及電路的穩(wěn)定性要求相對(duì)較低，易于達(dá)到對(duì)儀器的穩(wěn)定性要求。通常散射法只用于測(cè)量較低的濁度，若濁度范圍較大時(shí)，光電轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)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(jì)濁度檢測(cè)系統(tǒng)，其工作原理如下：將光源入射到待測(cè)水樣中，傳感器在另一端接收信號(hào)，然后將接收到的信號(hào)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(jì)

系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)方案，主要由光源驅(qū)動(dòng)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊、顯示模塊、電源模塊等部分組成。首先光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)使LED光源發(fā)光，然后傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)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(hào)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(jì)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(jì)Fig. 2 Hardware design of the system

2.1 光源和傳感器的選型

根據(jù)水樣對(duì)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(duì)整個(gè)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(shí)間最長(zhǎng)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(diǎn)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(zhǎng)可選擇性大，光譜亮度高，色域廣，同時(shí)具有較長(zhǎng)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(jiǎn)單，便攜性高且使用簡(jiǎn)單易操作，同時(shí)LED光源的壽命較長(zhǎng)，色彩較好，價(jià)格低廉。將三種光源的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)下測(cè)得的濁度與吸光度有很好的線性關(guān)系；當(dāng)濁度相對(duì)較高時(shí)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(zhǎng)下偏離程度明顯不同[7]。當(dāng)波長(zhǎng)大于 880 nm時(shí)，曲線偏離程度相對(duì)較低。所以本系統(tǒng)光源選擇型號(hào)為OED-CL-1556SN的LED。

光電傳感器實(shí)際上就是光敏二極管，它的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏二極管可以看作一個(gè)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(shí)，其阻值會(huì)變小。選擇光敏二極管型號(hào)時(shí)要考慮幾個(gè)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]?？紤]本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，要選擇一個(gè)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(shí)光敏二極管有一定光譜響應(yīng)范圍，并對(duì)某波長(zhǎng)的光有最高的響應(yīng)靈敏度（峰值波長(zhǎng)）。光敏二極管對(duì)于照射光線的響應(yīng)程度是不一樣的，它對(duì)某一范圍內(nèi)的光譜有最強(qiáng)響應(yīng)，而對(duì)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(cè)光譜的光敏二極管。綜合考慮以上幾個(gè)參數(shù)特性，本系統(tǒng)選擇PN502。

2.2 光源驅(qū)動(dòng)電路

光源驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中U7（BL8532）是升壓恒流芯片，用來驅(qū)動(dòng)LED。BL8532具有0.8 V極低啟動(dòng)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(huì)燒毀芯片及外圍電路。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換主要依靠的是光電二極管（PD1），它會(huì)將接收光源發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)。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(shí)幾乎沒有暗電流, 這時(shí)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(shí)有一個(gè)外加的反向電壓，即使無光照條件下仍有一個(gè)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(huì)稍微犧牲曲線的線性度。考慮到在光電轉(zhuǎn)換的精密測(cè)量中靈敏度對(duì)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(gè)光電轉(zhuǎn)換電路，將其中一個(gè)對(duì)準(zhǔn)光源經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換得到微電壓信號(hào)VIN1，另外一個(gè)光敏二極管不對(duì)準(zhǔn)光源無法得到光信號(hào)，得到的是環(huán)境信號(hào)VIN2。將VIN1信號(hào)和VIN2信號(hào)送入一個(gè)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(cè)量環(huán)境是水樣中，環(huán)境噪聲對(duì)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(shí)間同步的干擾信號(hào)，則該信號(hào)就是共模信號(hào)。差分放大器的輸入端接收到共模信號(hào)后，會(huì)將共模信號(hào)濾除，從而達(dá)到消除外界環(huán)境對(duì)探測(cè)電路影響的目的。差分電路本身具有良好的電氣對(duì)稱性，使其對(duì)共模信號(hào)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(jí)放大倍數(shù)可以設(shè)計(jì)得很大，但實(shí)際上反饋電阻會(huì)引入熱噪聲而限制電路的信噪比，所以前級(jí)信號(hào)不能無限放大。經(jīng)差分放大電路放大后的信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)6再進(jìn)行二級(jí)放大。其中VOUT的計(jì)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(jí)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(hào), 抑制該頻段以外的信號(hào)[11]。由于電信號(hào)是一個(gè)直流信號(hào)，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(gè)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(gè)系統(tǒng)供電，還可以為鋰電池充電，采用U1（TP4056）芯片對(duì)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(jì)

主控程序是為各個(gè)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(jì)、光源驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、OLED顯示屏程序設(shè)計(jì)、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(tái)為Keil uVision5。

3.1 主控程序

STM32F103ZET6為整個(gè)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(gè)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(dòng)芯片并采集傳感器信號(hào)，對(duì)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(dòng)程序

光源驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊，配合光電傳感器接收光信號(hào)來分析水樣對(duì)光散射和吸收的光學(xué)性質(zhì)。光源驅(qū)動(dòng)程序如圖8所示。

圖8 光源驅(qū)動(dòng)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(hào)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濁度函數(shù)計(jì)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(shí)驗(yàn)方法

按 ISO7027—1984 國(guó)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(cè)系統(tǒng)檢測(cè)濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，得到輸出結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)需在黑盒中進(jìn)行，最大程度地減小日光、雜散光對(duì)濁度測(cè)量的干擾。

4.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置中，驅(qū)動(dòng)光源和傳感器進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(cè)量，與標(biāo)準(zhǔn)濁度值進(jìn)行比較，并計(jì)算誤差值。

4.3 實(shí)驗(yàn)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(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差，在測(cè)量0 FNU和1 FNU時(shí)系統(tǒng)根本分辨不出。用透射法不適合測(cè)量低濁度，系統(tǒng)性能和靈敏度達(dá)不到要求。但是在測(cè)量5 FNU、10 FNU時(shí)誤差明顯有減小的趨勢(shì)。根本原因還是透射法不適合低濁度的檢測(cè)，只適合高濁度的水質(zhì)檢測(cè)?？偟膩碚f透射法在結(jié)構(gòu)上是比較簡(jiǎn)單的，一般情況下能滿足對(duì)低濁度水樣測(cè)量的精度要求，在高濁度的水樣檢測(cè)中具有更好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。