基于C8051F020 單片機(jī)的濁度儀研制

　　引言

　　濁度是水的透明程度的量度。由于水中含有懸浮及膠體狀態(tài)的微粒, 使得原是無(wú)色透明的水產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象, 其渾濁的程度稱為渾濁度。濁度顯示出水中存在大量的細(xì)菌, 病原體, 或是某些顆粒物。這些顆粒物可能保護(hù)有害微生物, 使其在消毒工藝中不被去除。因此無(wú)論在飲用水、工業(yè)過(guò)程或產(chǎn)品中, 濁度都是一個(gè)非常重要的參數(shù)。濁度高意味著水中各種有毒、有害物質(zhì)的含量高, 因此水的濁度是一項(xiàng)重要的水質(zhì)指標(biāo)。

　　1 濁度測(cè)量原理

　　根據(jù)光學(xué)原理, 當(dāng)一束平行光由空氣垂直照射到被測(cè)的水中, 在水的深度Y 處, 其光強(qiáng)可表示為:

　　其中: K0表示入射角為0°時(shí)光從空氣到水中的透射系數(shù),K1為溶液對(duì)光的吸收系數(shù)。I0為入射光強(qiáng)度, T 為濁度。當(dāng)溶液中微粒大小均勻時(shí), 某一區(qū)域的dy,在某方向的散射光dIs1也與濁度成正比:

　　其中: K2為溶液對(duì)光的散射系數(shù), IY為Y 處的光強(qiáng)。

　　水下散射式濁度儀的光學(xué)原理如圖1 所示:將式(1) 代入式(2) 可得Y 處沿X 方向的散射光為:

　　因?yàn)閄 方向的散射光經(jīng)水的X 方向吸收后過(guò)段距離才能進(jìn)入光電池( 關(guān)于光電池的知識(shí)將在后文介紹) , 故實(shí)際到達(dá)光電池的散射光強(qiáng)為:

　　式中X 為散射光到達(dá)光電池的距離。因此從0 到Y(jié)0, X 方向的總散射光強(qiáng)為:

　　2 濁度儀的硬件設(shè)計(jì)

　　測(cè)量電路框圖如圖2 所示:

　　要使整個(gè)系統(tǒng)獲得最高的效率和靈敏度, 光源與光電轉(zhuǎn)換器件之間響應(yīng)頻譜范圍的良好匹配是很重要的。本系統(tǒng)選用LED 紅色發(fā)光燈作為光源, 硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換器件, 靈敏度波峰均在 800nm 左右。另外硅光電池線性好、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng), 并且硅光電池的短路電流和光照滿足線性關(guān)系, 是很理想的光電轉(zhuǎn)換器件。

　　2.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　硅光電池將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào), 經(jīng)過(guò)放大器放大, 并最終輸出到控制芯片。根據(jù)測(cè)量原理設(shè)計(jì)了測(cè)量電路, 如圖3 所示:

　　中央處理器采用美國(guó)Silabs 公司推出的高速、高性能的C8051F020 單片機(jī)。測(cè)量信號(hào)放大后由C8051F020 片內(nèi)的交叉開關(guān)選通, 調(diào)節(jié)合適增益后送自身帶的ADC0 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)。UART0 工作在方式3, UART0 的TX 和RX 分別接C8051F020 的P0.0、P0.1, 測(cè)量的濁度值以UART0 串行方式送ST7920 型液晶顯示器予以顯示。