智能光电浊度仪的设计(编辑修改稿)

智能光电浊度仪的设计(编辑修改稿)内容摘要：

Ai 为各阶跃信号的强度。 I 为按一定频率变化光源光强，其表达式为： I0=I(b+cos(ϖ0t))， 因光强为正， b1 为光强的幅值 ， 把此式和（ 4）式代入（ 3） 长春理工大学本科毕业设计 7 式得： u(t)=C+a1KTIcos(ϖ0t)+a1(ΣAi\u(t))exp(KTL) （ 5） 式中 C=a1( KTI+exp(KTL))+a0，浊度 T 变化很慢，所以把 C 可以看 作常量。 将（ 5）式变换到频域： U(ϖ)=2πCδ(ϖ)+ π a1K9TI[δ(ϖ+ϖ0)+δ(ϖϖ0)]+ a1ΣAiπ[δ(ϖ)+1/jϖ]exp(jϖti) 由此可见 u(t)的幅值与浊度 T 成正比，不受环境光的强弱及其变化影响。 此信号经整流，低通滤波 ， 标定仪器时确定常量系数，就可计算出浊度。 对于透射测浊度法原理相同，只不过将 上述的 KTI 换为 exp(KTL)。 非线性的校正方法 上述原理在光电信号转换是线性的情况下才能成立。 如果转换是非线性的，只要转换函数是单调函数，我们就可以作校正处理，把非线性函数线性化。 同样可用上述的方法。 为作校正处理，必须找出转换的特性，即探测器上的光强信号与它转换为电信号的关系。 虽然可用照度计测量不同光强对应浊度仪上的电信号，找出转换的特性，但我们要浊度仪自身具有校正能力，以便浊度仪定期校正。 按以下方法进行线性化： 1. 浊度仪设置两个光源，一个光源 I 可以调节强度（可以把测量浊度的光源 兼作此用），另一光源 ∆I 只有开、关两态， ∆I 尽量小，且稳定。 先将光源 I调节到探测器能分辨的最低光强。 2. 光源 I 单独照射浊度仪的探测器，产生电信号 U1， 然后打开光源 ∆I，两个浊度仪的探测器，产生电信号 U19。 3. 向上调节强度光源 I，反复步骤 2，得（ U1， U19） ，（ U2， U29） …… （ Un，Un9），直到 Un 大于测量浊度的光和最大容许环境光作用于探测器所产生的 U。 4. 用多项式插值，把（ U19， X2）插入以上点得到 X2，再把（ X2， X3）点得到 X，以此类推， X5…… Xn +1Un9。 令 X0=U1=U19。 如图。 X0， X1，X2Xn就是转换的特性参数。 由于转换函数是单调函数， XoX1， X2…… Xn 也应单调。 第 3 步，也可以调节强度光源 I 使 Ui=Ui19， 第 步的插值，而直接取 X0=U1，X1=U2……Xi=Ui+1。 对光强为 I 的光照射探测器，经光电信号转换得到 U，因为 X0， X1， X2…… Xn 是单调的，对应 U 有唯一的 i 使 XiUXi+1 则 : S=i+(UXi)/(Xi+1–Xi) XiUXi+1 S 与探测器上光 强 I 近似线性关系。 长春理工大学本科毕业设计 8 以上过程不涉及具体的光强 I，不需要照度计，可用计算机编程配合硬件自动完成，作为浊度仪功能的一部分。 UIU1U139。 U2U239。 UiUi’UIX 0X 1X 2X 3X i  图 非线性校正原理 长春理工大学本科毕业设计 9 第 3 章 仪器的整体设计 根据 2 节的原理设计的浊度仪结构原理如图 31。 该实现的硬件部分以单片机为硬件核心，单片机控制多路开关和光源信号发生电路从而实现仪器光源的测量状态和线性校正状态之间的切换，另一方面与 A/D 转换器和计算机连接，单机的端口提供给 A/D 转换器所需的各种信号，并 控制采样时间，将采样的行数据通过 RS232 口串行送入计算机，作为 A/D 转换器与 PC 计算机数据间的桥梁。 计算机通过 RS232 口向单片机发送命令，由单片机把命令解释为控制信号，控制多路开关和光源信号发生电路。 软件部分，为保证实时数据的及时接受，计算机程序为多线程程序。 主线程除负责数据的实时显示、保存、打印、人机界面外，还启动两个工作线程，一个接收线程和一个计算线程。 接收线程负责实时数据的接受。 计算线程负责线性化和滤波的计算，把计算结果再传给主线程。 主线程在线性校正时，将校正数据保存以便计算线程应 用这些数据作线性化。 这里说明以下，线性校正和滤波的计算也可以放在单片机中进行，但计算机有强大的软件开发平台，可利用的丰富资源，使得程序设计更容易。 所以本例的软件主要是基于 PC 上的，而单片机的程序较为简单， AT89C51 自代的 4K 存储器够了，节省了存储器访问电路，也节省了单片机端口。 多 时开 关光 源 信 号 接 收 电 路1 2 位 A / D 转 换 单 片 机 A T 8 9 C 5 1接 收线 程计 算线 程主 线 程感 光 原 件 测 量 光 源开 关 电 源探 头模 拟 量光 源 信 号数 据命 令计 算 机收 到 数 据控 制 信 号控制信号启动启动浊度值 图 浊度仪的总体结构 探头采用 LED 发光管和光敏电阻自制，用绝缘胶木为体部。 结构简单，由于本文的重点不在于此，未考虑探头自动清洗机构。 长春理工大学本科毕业设计 10 第 4 章 硬件电路的设计 电源电路 GND1IRI2OUI3RE84CON5IHR6DI87VGG8U1 5551KR133KR27uFC1100uFC410uFC810uFC7D1 IN916D2 IN916INPUT1OUTPUT2COM3U27912INPUT1OUTPUT2COM3U3780518VGND100KR3C5C6C95V12V 图 电源电路 长春理工大学本科毕业设计 11 单片 机 AT89C51 及其他元件需要 +5V 的电源， A/D 转换器需要 +5V 和12V 的的电源。 图 为将 +18V 的输入转换为稳定的 +5V 和 12V 输出给各元件供电。 由 555 构成的无变压器的直流 直流变换器，可将正电源电压变成负电源电压。 通过定时器 555 产生方波输出，方波的周期由下式决定： T=ln2(R1+2R2)C3 图 41 中的元件值，可得到 2KHz 的方波，方波经二级管整流得到负电压，再经三端集成稳压器 7912 输出稳定的 12V 负电压。 图中 C1 为耦合电容， C4 滤波电容。 +5V 电压由 +18V 的输入电压经三端集成稳压器 7805 稳压后输出。 信号采集和 A/D 转换电路 AIN1VRDF2AGND3D114D105D96D87D78D69D510D411DGND12D3/1113D2/1014D1/915D0/816CLKIN17CLKOUT18HBEN19RD20C821BU8Y22Vff23Vdd24U1MAX172D2LED0D1LED01KR5Res Adj220KR4Res Adj21KR3Res Adj21KRRes21161KR6ARes Pack2Q1NPNGND2311411U2ALM324N300R1Res Tap10R7Res22KR2Res2GNDP05P06P07CLOCK+8VGNDGND5V12VP20P17P21P23P22P24P25P26P27LM224(14)5V 5V0Y1YP03 图 信号采集和 A/D 转换电路 如图 ，发光管 D2 透射液体照射光敏电阻 R，光敏电阻 R 与 R6 构成分压电路，光敏电阻 R 的阻值随透射光的强弱而变化，信号取自 R6 上的电压。 信号电压经运算放大器 LM224 放大，输入 12 位 A/D 转换器 MAX172 的模拟信号输入端 AIN，电位器 R1 调节放大倍数。 MAX172 是完全的 12 位 A/D 转换器，它具有高速、低能耗、片内参考电压等特点。 转换时间 10181。 S，接近时间 90nS，功率 215mW。 24 窄双列直插封装有标准的与微处理器的界面。 与 8 位微处理器和 16 位微处理器相连都很方便。 当 HBEN 输入为电平时，在 CS、 RD 的下降缘，转换开始。 一旦转换开始 BUSY 输出低电平转换完成后 BUSY 输出高电平。 转换结束后，当 HBEN 输入为低电平， MAX172 将转换的 12 位结果的输出到 D0—D11 引脚上。 若与 16 位的微处理器相连此时可将 12 位数据一次读出。 若与 8 位 的微处理器相连，此时从 D0D7 引取低 8 位数据。 当 HBEN 输入为高电平， CS、 RD 输入为低电平时，转换果的高 4 位数据输出到 D0D3 引脚上， D4D7 为逻辑 ―0‖，从长春理工大学本科毕业设计 12 而 8 位的微处理器读取高 4 位数据。 本应用中，微处理器对 MAX172 的控制和数据读取不采用内存读取方式，而直接用指令通过写微处理器的端口输入 HBEN、 CS、 RD 信号，查询 BUSY 信状态。 读引脚的方式读取数据。 采取此方法一是便于控制采样周期，二是微处理不必访问外部存储器，它的 ALE 信号为微处理器时钟频 率 1/6 的周期信号，以作其他部件的时钟。 MAX172 的时钟就是微处理器 ALE 信号的二频得到的这样很大程度上简化了电路，而且很容易实现同步。 半导体发光管 D2，有两种用途，一用作测量浊度时的光源，二用作仪器线性正时的调节光源 (见 非线性校正的方法 )。 通过模拟多路开关 CD4052 实现两种功能的切换。 0Y， 1Y 端是引入的电流负反馈，从而控制通过半导体发光管 D2 的电流。 0Y 端是测量浊度时的反馈回路， 1Y 端是仪器线性校正时的反馈回路通过模拟多路开关 CD4052 实现两种反馈回路的切 换。 为了便于仪器的调试光源的亮度，两反馈电阻 R R5 是可调的。 半导体发光管 D1 是用作仪器线性校正时的开关光源 (见 非线性校正的法 )，通过微处理器的指令置位和复位端口 P03 从而开和关半导体发光管 D1R3 为发光管的限流电阻，也调节发光管的亮度。 三极管 Q1 只工作在截止和饱和两种状态。 单片机及其控制电路 123456789RST10(RXD)11(TXD)12(/INTO)13(/INTI)14(T0)15(T1)16(/WR)17(/RD)18XTAL219XTAL120GND21(A8)22(A9)23(A10)24(A11)25(A12)26(A13)27(A14)28(A15)29/PSEN30ALE/PROG31/EA(/VPP)32(AD7)33(AD6)34(AD5)35(AD4)36(AD3)37(AD2)38(AD1)39(AD0)40VCCAT80C51QA9QB7QC6QD5QE3QF2QG4QH13QI12QJ14QK15QL1CLR11CLK10CD4040B0X121X142X153X110Y11Y52Y23Y4A10B9INH6X13Y3CD4052CE2311411LM324D6VGNDD12EEEIGND5VP20P21P22P23P24P25P26P27P10P111212MXTALC030pFC130pFGNDR01KR1S0SWPB30nFC3+5VCD4040CD4052LM224P05P06P07P03Y0Y1CD4052G。