汪學(xué)明

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州213015）

濁度是指溶液對(duì)光線通過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的阻礙程度，是一種在用水企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能夠間接反應(yīng)設(shè)備使用情況的重要參數(shù)[1]。隨著近年來(lái)煤礦自動(dòng)化水平不斷提高，相繼引入了井下水文監(jiān)測(cè)、井下水壩水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、礦井水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、井下設(shè)備/冷卻水在線監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)[2]，所以亟需一種礦用水濁度檢測(cè)技術(shù)對(duì)井下用水的濁度進(jìn)行檢測(cè)，從而間接了解設(shè)備的使用情況，采取不同的水處理措施，達(dá)到提供遠(yuǎn)程監(jiān)控或提高自動(dòng)化管理水平的目的。

1 礦用水質(zhì)濁度傳感器

光散射濁度檢測(cè)傳感器主要通過(guò)前端的硅電池接收光強(qiáng)度信號(hào)，硅電池將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，再通過(guò)后級(jí)信號(hào)放大調(diào)理電路處理，再通過(guò)A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入到內(nèi)部微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和補(bǔ)償計(jì)算，再將最后計(jì)算的結(jié)果在液晶上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和信號(hào)輸出等。

1.1 水質(zhì)濁度傳感器硬件

傳感器硬件部分主要由4 個(gè)部分組成，包括電源電路模塊、光強(qiáng)電信號(hào)采集與調(diào)理電路模塊、顯示與輸出電路模塊和單片機(jī)微處理器模塊等。濁度傳感器硬件模塊主要組成圖如圖1。

圖1 濁度傳感器硬件模塊主要組成圖Fig.1 Main components of turbidity sensor hardware module

1）光源電路。紅外光發(fā)射部分采用進(jìn)口紅外LED 反光二極管，波長(zhǎng)為860 nm，發(fā)光二極管光強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)電流成線性關(guān)系[3]，光強(qiáng)度的大小與穩(wěn)定性直接影響到接收的信號(hào)強(qiáng)弱，對(duì)傳感器測(cè)量精度影響較大，故設(shè)計(jì)時(shí)采用高精度恒流驅(qū)動(dòng)電路，為保證參考電壓的穩(wěn)定，選用微功耗高精度電壓基準(zhǔn)芯片LM285-2.5V，該芯片溫漂系數(shù)為20×10-6，大大提高了電壓基準(zhǔn)隨環(huán)境波動(dòng)的穩(wěn)定性，提高恒流源精度，減少溫度對(duì)濁度測(cè)量誤差的影響。

2）信號(hào)調(diào)理與處理電路。光電信號(hào)接收、放大與調(diào)理電路如圖2。硅電池將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)為微弱電信號(hào)[4]，后級(jí)對(duì)該微弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，主要采用電流I 到電壓U 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，由于產(chǎn)生的光電流信號(hào)非常微弱，正常在pA 到μA 之間，所以要求后級(jí)集成運(yùn)放芯片具有極低的偏置電流、超低噪聲、穩(wěn)定性高等特性[5]，采用高精度運(yùn)算放大器TLV2372芯片做為信號(hào)調(diào)理放大芯片[6]，該運(yùn)放在數(shù)據(jù)放大過(guò)程中存在一定的漂移和誤差，為了提高測(cè)量精度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)了一補(bǔ)償電容C1，以減少漂移和抑制電流噪聲。通過(guò)放大調(diào)理輸出信號(hào)進(jìn)入到后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，再進(jìn)入到微處理器處理。電路中A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用16 位自校準(zhǔn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，支持軟件可編程最大8 倍增益信號(hào)放大[7]，內(nèi)部放大器將前級(jí)差分信號(hào)進(jìn)行放大后，將電壓信號(hào)調(diào)理到A/D 采集允許范圍內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試轉(zhuǎn)換器的電壓測(cè)量有效精度可達(dá)到12 位以上。ADS1100 芯片和微處理器采用串行I2C 串行總線通信，抗干擾能力強(qiáng)[4]，微處理器采集模擬電壓數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)字濾波，包括中值濾波、平均值濾波算法等，再對(duì)測(cè)量結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件補(bǔ)償。

圖2 硅電池光信號(hào)接收轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Silicon cell optical signal receiving and converting circuit

3）顯示電路。為滿足煤礦井下光線較差的特殊環(huán)境要求，傳感器采用自發(fā)光OLED 點(diǎn)陣液晶屏，設(shè)計(jì)采用清達(dá)光電128×64 點(diǎn)陣液晶屏HGS128647，該液晶內(nèi)置SSD1305 控制器[8]，通過(guò)串行總線為微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠，該液晶顯示屏工作溫度范圍較傳統(tǒng)普通液晶寬，工作環(huán)境溫度范圍為-40～+85 ℃，由于采用了自主發(fā)光顯示，顯示時(shí)需要點(diǎn)亮的點(diǎn)陣通電，其他部分不通電，液晶正常顯示時(shí)功耗為30 mA 左右，小功耗設(shè)計(jì)非常適合煤礦井下本質(zhì)安全供電和傳輸?shù)囊蟆?/p>

4）通訊電路。傳感器RS485 通訊總線接口電路采用MAX3072 芯片設(shè)計(jì)[9]，RS485 總線接口電路如圖3，電路中V7三極管電路主要是讓傳感器上電時(shí)處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，為提高總線通信抗電磁干擾能力，達(dá)到煤礦傳感器設(shè)計(jì)要求的2 級(jí)電磁輻射、2 級(jí)脈沖群抗和直流電源與信號(hào)端口2 級(jí)浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)接口的可靠保護(hù)，在總線A、B 線上選用3 個(gè)TVS 管SMBJ17CA 實(shí)現(xiàn)瞬變電壓抑制鉗位保護(hù)，采用共模扼流圈用于增強(qiáng)抑制共模干擾能力，放電管主要用作過(guò)壓、雷電和靜電保護(hù)[10]。傳感器設(shè)計(jì)1 路電流輸出接口，設(shè)計(jì)采用專用電流輸出芯片AD5410 集成電路設(shè)計(jì)，接口電路簡(jiǎn)單信號(hào)輸出可靠。電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電路如圖4。

圖3 RS485 總線接口電路Fig.3 RS485 bus interface circuit

圖4 電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電路Fig.4 Current Signal Drive Output Circuit

5）微處理器及外圍電路。傳感器微處理器采用C805lF340，該芯片為美國(guó)Cygna 公司混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯SoC[11]，采用小型貼牌48 腳LQFP 封裝，供電電壓范圍為2.7～3.6 V，設(shè)計(jì)時(shí)采用3.3 V 電源供電。同時(shí)，該處理器芯片集成度高，I/O 端口支持可編程調(diào)整，在PCB 布線時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，該處理器支持在線C2 編程調(diào)試與在線仿真，也支持脫機(jī)下載程序，而且過(guò)程簡(jiǎn)單、操作方便。處理器內(nèi)部FLASH 集成了掉電存儲(chǔ)可擦寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元[12]，為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可靠，外圍電路采用EEPROM 存儲(chǔ)芯片CAT24C02（N6），實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的雙備份，保證存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可靠與安全。微處理器及外圍接口電路如圖5。

圖5 微處理器及外圍接口電路Fig.5 Microprocessor and peripheral interface circuit

1.2 水質(zhì)濁度傳感器軟件

濁度傳感器總體軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6。

水質(zhì)濁度傳感器軟件設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)系統(tǒng)的基本參數(shù)配置、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換后信號(hào)的采集、信號(hào)的數(shù)字濾波處理、計(jì)算與補(bǔ)償、數(shù)據(jù)顯示、總線通訊和報(bào)警控制等部分組成。濁度傳感器上電后微處理器首先關(guān)內(nèi)部看門狗操作，初始化配置各種系統(tǒng)參數(shù)，如時(shí)鐘、輸入輸出口狀態(tài)、定時(shí)器和中斷源，另外還需對(duì)液晶驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化設(shè)置，濁度傳感器對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1100 通過(guò)I2C 串行總線讀寫數(shù)據(jù)，將讀取的串行總線數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理，采用MATLAB 仿真計(jì)算出的公式對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最后將得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷，如果大于傳感器內(nèi)部設(shè)定報(bào)警門限值，則驅(qū)動(dòng)外部蜂鳴器報(bào)警提示，并且將運(yùn)行處理的數(shù)據(jù)在OLED 液晶屏上顯示。

圖6 濁度傳感器總體軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Overall software design diagram of turbidity sensor

2 測(cè)量數(shù)據(jù)分析與MATLAB 曲線擬合

濁度傳感器通過(guò)配置福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液來(lái)標(biāo)定與驗(yàn)證其測(cè)量精度和誤差，在0～1 000 NTU 范圍內(nèi)配置了6 種濃度溶液，在測(cè)量前采用0 NTU 和1 000 NTU 2 種溶液對(duì)傳感器進(jìn)行初始化2 點(diǎn)標(biāo)定，再將標(biāo)定后的傳感器放入其他濃度溶液中測(cè)量數(shù)據(jù)。理想狀況下光強(qiáng)電信號(hào)應(yīng)與濁度濃度成線性關(guān)系，根據(jù)2 點(diǎn)標(biāo)定法的關(guān)系式為：y=x/15.004（x 為光強(qiáng)電信號(hào)強(qiáng)度值；y 為濁度濃度）。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差較大，其中最大測(cè)量誤差在400 NTU 濃度點(diǎn)，最大誤差值為44.68 NTU，為提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，通過(guò)MATLAB 軟件工具對(duì)在接收的光強(qiáng)信號(hào)值與標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度值的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，對(duì)標(biāo)液濃度對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)值數(shù)據(jù)修正補(bǔ)償[13-14]，擬合公式為y=0.000 000 641 34x2+0.057 443x-1.98，濁度傳感器內(nèi)部處理器按照補(bǔ)償關(guān)系式處理后，再進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，傳感器濁度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析見(jiàn)表1。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，通過(guò)曲線擬合后的傳感器測(cè)量誤差明顯減少，可大大提高濁度測(cè)量精度，原400 NTU 標(biāo)液最大誤差點(diǎn)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)為408.84 NTU，與標(biāo)液相比誤差減少為8.84 NTU。設(shè)計(jì)的傳感器與美國(guó)HACH 濁度儀TSS Portable、某國(guó)產(chǎn)品牌濁度儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量精度和誤差明顯優(yōu)于被測(cè)的國(guó)產(chǎn)主流產(chǎn)品性能，但和進(jìn)口HACH 等傳感器相比還有一定差距。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光學(xué)濁度檢測(cè)工作原理等方面分析，設(shè)計(jì)了一種礦井水濁度傳感器，該傳感器前端采用硅光電池做為光電轉(zhuǎn)換部件，采用高精度運(yùn)放電路和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，人機(jī)交互方面采用低功耗OLED 液晶顯示，數(shù)字接口RS485 總線抗干擾設(shè)計(jì)，滿足煤礦井下復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，在數(shù)據(jù)補(bǔ)償方面采用MATLAB 軟件工具對(duì)測(cè)量曲線進(jìn)行擬合，有效提高了濁度測(cè)量精度。