陳 翔,尚 宇,許根源,芮振雷,顏 晨

(中科芯集成電路有限公司,江蘇 無錫 214072)

0 引言

智能傳感器作為數(shù)字時代的感知層,是集傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動程序、軟件算法于一體的系統(tǒng)級產(chǎn)品[1]。日常生產(chǎn)與生活中,濁度值可以表明液體的潔凈程度[2]。光線在水中傳播時被懸浮物阻礙而影響的程度被定義為濁度。濁度值能夠直觀體現(xiàn)水體質(zhì)量[3]。濁度傳感器能夠?qū)λ|(zhì)的濁度進行測量,是水質(zhì)指標檢測的重要部件[4]。

濁度傳感器由于對結(jié)構(gòu)與電路精密要求高,存在參數(shù)采集精度低和設(shè)備組裝復(fù)雜等問題。這導(dǎo)致濁度傳感器成本高、適用范圍受限。本文基于CKS32F030,設(shè)計了一種低成本、高精度、寬量程的智能濁度傳感器。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低、測量精度高、數(shù)據(jù)通信傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢,具有良好的應(yīng)用前景。

1 濁度傳感器測量原理

濁度傳感器測量原理為:依據(jù)光在水中的傳播特性,采用光學(xué)散射法或透射法,將散射光信號或透射光信號通過光電器件轉(zhuǎn)換為電信號,并在單片機中經(jīng)過算法處理,得到濁度值。低濁度值測量宜采用散射法,而較大濁度值測量宜采用透射法。本文設(shè)計的濁度傳感器通過智能或手動切換量程的方式同時采集散射光信號和透射光信號[5]。

濁度傳感器原理如圖1所示。

圖1 濁度傳感器原理示意圖

液體中的懸浮物質(zhì)越多,則紅外光源光線經(jīng)過待測液體后透射光強度越低。濁度值與透射光強度測量值存在相應(yīng)關(guān)系[6]。參考朗伯特-比爾定律,可以得出透射光強度與濁度的關(guān)系如式(1)所示。

A=OeKTL

(1)

式中:A為透射光強度;O為入射光強度;K為比例常數(shù);L為透光層厚度;T為濁度。

光電呈線性轉(zhuǎn)換關(guān)系,即透射光轉(zhuǎn)換的電信號與濁度濃度表現(xiàn)為對數(shù)關(guān)系。當散射光接收器件測量待測液體中懸浮物直徑遠小于光源入射光波長時,則可以使用瑞利定律表示散射光強度變化規(guī)律。

S=BNO

(2)

式中:S為散射光強度;B為比例系數(shù);N為單位體積水中的微粒數(shù)。

2 濁度傳感器設(shè)計

濁度傳感器融合了散射法和透射法。濁度傳感器設(shè)計采用多個光電采集器件,分時采集單紅外光源信號經(jīng)過待測液體后的光信號,并滿足防水要求。硬件設(shè)計滿足電氣特性,同時考慮低功耗、小尺寸、少器件的優(yōu)化。軟件設(shè)計采用可靠的采集轉(zhuǎn)換算法、脈沖控制算法,以實現(xiàn)高精度濁度測量并有效延長紅外光源器件的使用壽命。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

濁度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 濁度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

濁度傳感器的探頭下部為圓柱接頭。紅外光源及光電采集器件置于圓柱接頭內(nèi),信息采集與處理板卡置于濁度管中。這樣可以有效保護電器件。

濁度傳感器硬件總框圖如圖3所示。

圖3 硬件總框圖

濁度傳感器硬件包括電源轉(zhuǎn)換電路(電源輸入電路、DC-DC電路、穩(wěn)壓芯片電路)、主控單片機電路、紅外光源驅(qū)動電路、多路光信號采集電路、模擬開關(guān)切換采樣通道及模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital conversion,ADC)采集電路、通信信號輸出電路(RS-485芯片、4～20 mA驅(qū)動電路)。

傳感器圓柱體接頭中間留有空隙。傳感器放入待測液體后,待測液體將空隙填滿。光電器件對空隙中的待測液體進行測量。濁度傳感器使用圖2中光電采集器件2采集經(jīng)過待測液體的透射光、光電采集器件3采集經(jīng)過待測液體的散射光。紅外光源上方光電采集器件1為紅外光源信號采集器,可實時反饋紅外光源的亮度,保證光源調(diào)制亮度在設(shè)定誤差范圍內(nèi)。光源和光電采集器件前端的接頭殼體表面涂有專用透光層,用于減少可見光的干擾。濁度傳感器有嚴格的防水措施,測量時將探頭放入待測溶液中,從而在通電后得到待測液體的濁度值[7]。

2.2 硬件電路設(shè)計

濁度傳感器中有多路光信號采集電路。為降低成本,濁度傳感器通過一個模擬開關(guān)將多路采集電路的采樣值傳輸給高精度24位ADC芯片。

單片機使用CKS32F030C8T6, ARM Cortex-M0內(nèi)核,最大主頻可達48 MHz。芯片內(nèi)部Flash容量為64 KB,內(nèi)部靜態(tài)隨機存取存儲器(static random-access memory,SRAM)容量為8 KB?？?cè)萘抗ぷ麟妷悍秶鸀?.4～3.6 V。使用8 MHz晶振電路,可以避免溫度漂移帶來的影響。同時,硬件設(shè)計外部復(fù)位、濾波電路與燒錄接口。

濁度傳感器外部供電為24 V,光源驅(qū)動電路需要5 V作為參考電壓。由于壓降較大,使用降壓芯片將24 V轉(zhuǎn)為5 V。

24 V轉(zhuǎn)5 V電路如圖4所示。

圖4 24 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

圖4中:R3、R4使用1%精度的貼片電阻作為反饋;D1為續(xù)流二極管,為L1提供電流回路,以防止降壓芯片被擊穿。

濁度傳感器使用紅外光源,需要恒定電流。其輸出功率與電流成正比,可以調(diào)整輸出電流為4～20 mA,以驅(qū)動紅外光源。恒流光源驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 光源驅(qū)動電路圖

圖5電路主要由放大器KA358A(U8A和U9B)、三極管BCP56(Q3)、二極管LD(D9)等器件組成,通過單片機脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)算法,經(jīng)兩級低通濾波電路后轉(zhuǎn)為直流電壓。根據(jù)運放“虛短”原理,可得式(3):

U1=U2

(3)

式中:U1為正向輸入端電壓;U2為二級運放U9B反向輸入端電壓。

因為下分壓電阻R25與上分壓電阻R26為串聯(lián),流經(jīng)電流相同,所以三極管Q3發(fā)射極電壓U3為:

(4)

同理,上分壓電阻R28與下分壓電阻R34為串聯(lián),流經(jīng)電流也相同,故可得D9供電電壓U4為:

(5)

式中:U0為一級運放輸出電壓。

負載電流Iload為:

(6)

光信號采集電路采用接收光電二極管作為接收器件。當有光信號時,光電二極管D6內(nèi)阻產(chǎn)生變化。光信號越強,內(nèi)阻越小;光信號越弱,內(nèi)阻越大。當沒有光信號時,其內(nèi)阻最大,幾乎沒有導(dǎo)通電流[8]。采樣信號通過兩級運放(U10A和U11B)進行放大,通過高精度ADC芯片CS1237進行ADC。光信號采集電路如圖6所示。

圖6 光信號采集電路圖

采樣后電信號UAD1為:

(7)

式中:UAD1為單片機采樣電壓;U10為U11B輸出電壓;U9為U11B反向輸入端電壓;R12為下分壓電阻;R13為上分壓電阻。

根據(jù)運放“虛短”“虛斷”原理,可得:

(8)

式中:U7為U10A輸出電壓;U8為U11B正向輸入端電壓。

(9)

式中:U5為D6兩端壓差電壓;U6為一級運放U10A反向輸入端電壓;R14為下分壓電阻;R11為上分壓電阻。

由式(8)和式(9)可以得出UAD1與U5的關(guān)系,單片機可根據(jù)ADC采樣結(jié)果計算出采樣值。

通過選通模擬開關(guān)芯片,將采集的多路模擬量分時輸出到24位ADC芯片,經(jīng)過ADC將數(shù)字量輸出至單片機。模擬開關(guān)的選通作用,有效避免了每一路模擬量采集都加ADC芯片[9]。

模擬開關(guān)及ADC采樣電路如圖7所示。

圖7 模擬開關(guān)及ADC采樣電路圖

濁度傳感器在工控領(lǐng)域應(yīng)用時,用電壓信號傳輸會造成傳輸線受噪聲干擾、產(chǎn)生壓降等問題。因為電流對噪聲并不敏感,所以本文使用4～20 mA電流信號作為信號輸出。R23阻值不變,通過PWM方式控制N-MOS 器件,經(jīng)過C28、C29、R20組成的π濾波電路以及兩個運放控制電路,控制R23電阻兩端壓差,實現(xiàn)IAO3電流在4～20 mA范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出。

電流輸出信號4～20 mA電路如圖8所示。

圖8 電流輸出信號4～20 mA電路圖

單片機與RS-485芯片進行通信與使能控制。MAX3485是一個3.3 V的低功耗半雙工收發(fā)器,滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議的規(guī)格,最高可達10 Mbit/s。通過RS-485芯片,可滿足將單片機邏輯門電平信號轉(zhuǎn)換為符合RS-485電平的要求[10]。RS-485電路如圖9所示。

圖9 RS-485電路圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

濁度傳感器軟件總體框架流程如圖10所示。

圖10 軟件總體框架流程圖

傳感器作為Modbus從設(shè)備,接收主設(shè)備讀寫命令。其一般工作在兩種模式:一種是傳感器正常數(shù)據(jù)采集模式;另一種是工廠模式(數(shù)據(jù)標定模式)。初始化完成后,如出現(xiàn)異常工作情況,傳感器會通過Modbus寄存器將報錯代碼上傳主機設(shè)備。同時,硬件板卡上的發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)警示燈閃爍提醒。濁度傳感器通信滿足標準Modbus RTU通信協(xié)議,能夠解析0x05、0x0F、0x06、0x10等命令。Modbus通信處理流程如圖11所示。

圖11 Modbus通信處理流程圖

多路光電感應(yīng)器件通過模擬開關(guān)接入高精度ADC芯片,邏輯上高效分時復(fù)用,能夠大幅降低硬件成本,同時可以減少器件使用,以縮小硬件板卡尺寸。

濁度傳感器數(shù)據(jù)采集邏輯流程如圖12所示。

圖12 濁度傳感器數(shù)據(jù)采集邏輯流程圖

通過反復(fù)試驗,本文發(fā)現(xiàn)以下兩點現(xiàn)象。

①濁度傳感器使用過程中會有可見光影響光電感應(yīng)器采集紅外光源發(fā)射的光信號。

②濁度傳感器采用國產(chǎn)紅外光源器件。由于傳感器使用環(huán)境惡劣且工作時間長,光源器件持續(xù)工作會導(dǎo)致器件壽命縮短。

針對上述問題,紅外光源設(shè)計為PWM,在不同應(yīng)用場景使用特定開關(guān)時間[11]。同時,在紅外光源關(guān)閉時,光電感應(yīng)器件測量外界光線在測量液中傳播后的信號,在計算算法中將外界光影響因素去除。

傳感器校準模式包括對標準溶液濁度值標定校準、對環(huán)境溫度測量校準、4～20 mA輸出校準。

3 安裝與測試

3.1 濁度傳感器組裝

濁度傳感器組裝過程如下。

①將烘箱設(shè)置為50 ℃,濁度傳感器接頭清洗后放置烘箱內(nèi)進行2 h烘干,取出后套上密封圈。

②貼光學(xué)鏡片要求用游標卡尺測量外形尺寸,確保尺寸在(13±0.05)mm。

③分別用密封圈包裹紅外光源、光電感應(yīng)器件,再塞入玻璃保護柱內(nèi)底部。玻璃保護柱塞入傳感器接頭孔內(nèi),灌入環(huán)氧樹脂。

④通信線和電源線穿過密封底座與濁度管內(nèi)硬件板卡連接,擰緊密封底座。在濁度管靠近密封底座部分灌入環(huán)氧樹脂。將硬件板卡塞入濁度管中,濁度傳感器接頭螺紋涂抹703膠水后擰上濁度管。濁度傳感器整體安裝如圖13所示。

圖13 濁度傳感器整體安裝圖

3.2 試驗測量

實驗室測試環(huán)境由工控觸摸屏、濁度傳感器連接構(gòu)成,用于測量待測液體。

試驗配置福爾馬肼標準濁度液,對傳感器進行出廠標定。標定完成后,試驗分別取標準濁度50 NTU、100 NTU、200 NTU、300 NTU、500 NTU進行測量[12]。試驗使用濁度傳感器對每個標準濁度測量5次。濁度傳感器測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 濁度傳感器測量數(shù)據(jù)

由試驗數(shù)據(jù)計算可知:濁度傳感器測得標準液濁度平均值分別為49.91 NTU、99.73 NTU、200.37 NTU、300.15 NTU、500.89 NTU。對應(yīng)標準偏差分別為0.51、1.12、2.1、2.52、2.18。相對標準偏差分別為1.02%、1.12%、1.05%、0.83%、0.44%。分析可知,濁度傳感器整體測量精度高、重復(fù)性誤差小,且高濁度測量效果優(yōu)于低濁度測量。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的濁度傳感器已實現(xiàn)量產(chǎn),并在水質(zhì)監(jiān)測和控制的多個場景中應(yīng)用,得到客戶高度認可。實際使用中,傳感器鏡片表面會有各種形態(tài)的污染物堆積,影響測試。在本文濁度傳感器設(shè)計結(jié)構(gòu)上作調(diào)整,增加一個小步進電機,使電機帶動小刷子定時對鏡片表面進行沖刷,可有效減少污垢。紅外光源亮度智能控制、多通道分時切換進行模數(shù)采樣等措施讓傳感器具有更便捷、更省電、更精準的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上,濁度傳感器增加藍牙、射頻等無線模塊,結(jié)合低功耗設(shè)計,使用電池供電,使?jié)岫葌鞲衅鞯膽?yīng)用場景范圍更加廣泛,并降低人工維護成本。