王鹏 毕业设计.doc

绪论1.1 工程概况 为了提高给水净化技术和生产管理水平，减少水的污浊度，在供水，污水处理，综合净化，造纸，废水处理，化工等行业应用广泛，所以实现水质的在线检测十分重要。浊度检测是水质检测的重要参数，在以往水厂的运行中，浊度的检测采用比色、比光等方法进行人工测定，得到的数据随机性和离散性比较大，现在采用在线连续测量，将数据立即转换为电信号，能保证检测的稳定性和准确性。 在国际标准（ISO7027- 1984）中，透射法和散射法定为浊度仪设计的两种标准测量方法。透射法是用一束光穿过一定厚度的水样体，通过测量水样中悬浮颗粒物对入射光的吸收和散射所引起的透射光强度的衰减量来确定水样的浊度。散射法则是通过测量穿过水样的入射光束被水样悬颗粒物散射所产生的散射光强来确定水样浊度。这两种检测方法在待测浊度与电信号之间的关系、 仪器的校准方法、光源的选择和稳定性等方面都各有特点 。透射法的原理和仪器的设计相对简单，能获得较大的浊度测量范围，但在测定低浊度时，由于微小的浊度变化所引起的透射光变化率很小，故对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性要求比较高。 水样的浊度与对应的信号之间的关系取决于所采用的电路参数、测量结构的几何参数以及待测水样的水质，这种对应关系难于用模拟运算电路加以线性化，因此在确定各种电路参数、几何参数以及与悬浮微粒的光学特性有关的各种参数后，需要进行浊度测量系统的定标。本设计使用的光电传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器，利用的是光电效应。大致可分为三类：第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。1.2 国内外研究现状 我国从80年代开始研制和生产工业水质浊度分析仪，光源和传感器技术的生产开始就落后，所以与国外浊度仪比较，技术性能差别很大，加之电子控制线路部分不先进，所以长时间水浊度分析仪器行业几乎是空白点。随着国民经济和科学技术的发展，国内关于浊度与浊度仪的研究开始逐渐丰富起来，一些大学的研究实验室已投入研究工作的有关浊度仪行列。但整体来说，无论是研究机构或产品型号，比较单一，但其中大部分是台式的，不是很适合在工厂使用，根据产品技术参数的说明，其测量范围也很有限。最大的问题是由浊度浊度传感器，特别是光源的稳定性，寿命都没有解决。因此，解决国产浊度传感器稳定测量，是迫切需要解决的问题。限制我国的工业浊度仪发展的另一个问题是：880nm波长的红外发光二极管。这种特殊的LED器件是研制高性能浊度传感发送器的关键，它可以代替以往复杂的大型光源和光学系统，不仅结构可以简单小巧，而且还大大降低了成本可能会非常高的技术水平，达到90年代后期国际水平。在过去，880nm的红外LED发光器件几乎都是特殊的外国制造厂商浊度仪秩序，市场不出售，因此，直接采购是非常困难，几乎不可能解决。因此，为了解决生产和环境问题的许多企业需要的高价格监测浊度，浊度计的进口，使该项目预算的增加，以不打破总成本，常常被用来减少文书，甚至取消这种做法完全保持平衡，这样的分析和监测工具大大降低，在自动化水平整体下降，不能说是生产过程和环境管理的一大遗憾。进入90年代，在消化吸收国外浊度仪先进技术的基础上，不断改进和创新，推出了一些浊度仪器品种，虽然没有进口仪器先进，但可以在一般情况下使用，填补了我国浊度仪的空白。但是从其技术参数来看，测量精度及范围还是有限的。 进入21世纪后，国外很多仪器仪表公司推出了技术先进、性能优良的水质浊度分析仪。在众多的水质浊度分析仪产品中，具有代表性的品种有美国HACH公司的T53、556系列；美国Rosemount公司的T1055系列；德国E+H公司的TlirbimaxCUE21/CUE22系列等。这些新型的工业水质浊度分析仪，都是采用单片机技术，许多仪器的单片机都是目前最新型的单片微型计算机芯片。某些公司产品将测定浊度和固体悬浮物可以用同一只探头、同一台仪器操作，只需按一下功能转换键就可以了，不需要重新进行参数设定和更换测量探头，大大扩大了仪器的应用范围，增强了仪器检测的多元化功能。几乎所有的产品都具有自动清洗设备，许多低浊度产品可选配自动清洗装置或自带清洗装置，使仪器可在工业废水，粘性产业领域等更恶劣的工业环境，还可以根据对测量的要求，对自动清洗程序自行设定，从而确保长期稳定运行浊度仪。2 设计方案2.1 设计思路是将同一光源分成相同的两部分，一部分经过浑浊液体后射向光电传感器，另一部分直接射向光电传感器，光电传感器将光信号转换为电信号，然后通过测量、比较两部分的电信号来模拟浊度测量。(1) 利用光电传感器产生浊度的电信号；(2) 对传感器产生的电信号进行信号调理和放大；(3) 利用编程等手段对数据进行处理输出得到结果。实现：浊度随时间的变化曲线，浊度超标报警功能。 2.2 硬件设计方案首先解决的应该是数据采集问题，在自然光照条件下使用光电式传感器会受到外界光照条件不同影响下产生测量误差，所以使用人造光源控制变量，减少测量误差。在实验中将同一光源分成两部分形成对比光源，输出到放大电路、单片机进行比测，最后在显示器上输出单片机的计算结果。 目前，单片机被广泛的应用于测控系统、工业自动化、智能仪表、集成智能传感器、机电一体化产品、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子与航空航天器电子系统以及单片机的多机系统等领域。在设计中选用的是AT89C52单片机。2.3 软件设计方案通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性，遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。软件设计包括主程序、行车过程中里程和速度计算子程序、延时子程序、显示子程序等等。数据处理子程序是将进入单片机信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程显示所需要的值。显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。3 硬件选择 浊度在线检测系统由采集信号的光传感器、前置放大电路、A/D转换器、单片机控制、数据输出电路以及光源等组成。图3-1 浊度在线检测系统框图3.1 光源的选择 光电传感器使用的光源主要分为自然光源和电光源两大类。太阳光是最典型和能量最强的自然光源，人类的视觉观察活动几乎主要是在太阳的照明下进行的。本文使用电光源为光源以减少不可空因素。 点光源主要分类： （1)白炽光源：白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。 (2)气体放电光源：气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原子或分子的激发过程。气体放电光源常用的有碳弧、低压水银弧、高压水银弧、钠弧、氤弧等。 (3)发光二极管：发光二极管是一种电致发光的半导体器件，它与钨丝白炽灯相比，具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点。 (4)激光器：激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。工作波长为0.638m或1.5m的氦氖激光器是最常用的气体激光器，它使用方便，亮度很高。浊度检测系统的光源通常有钨灯以及单色或狭带光源，钨灯具有较宽的波谱输出、耐用、价廉和可靠，但需要控制 良好的供电源；单色或狭带光源有激光、汞灯、各种灯- 滤光片 组合以及发光二极管（LED等。由于LED的使用寿命长和性价比优良，本设计选用光源为近红外 LED光源，最大连续功耗仅为200MW，发射波长范围在7802500nm之间。选择适当的传感器有较好的响应。3.2 光电传感器的选择光电传感器是依靠光电效应的元件，在光照下产生光伏特效应，无光照时，两浓度差很大的杂质半导体P和N因扩散运动形成一个大面积的P-N结，P-N结电场方向是由N区指向P区，当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在P-N结附近激发出大量的电子空穴对。在PN结的电场作用下,N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区，其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。图3-2 PN结光电池实质是一个大面积P-N结，光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等，其中硒光电池转换效率较高，价格低廉寿命长，是使用较广泛的一种光电池；砷化镓光电池光谱响应与太阳光谱吻合，耐高温，耐宇宙射线，是宇航光电池首选材料。图3-3 光电池工作原理图当光照射P-N结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0.2V0.6V电压，50mA电流。光电池在不同的光照度下其光电流与光电势失是不同的。光电式传感器属于非接触式测量，目前越来越多地用于生产的各领域。依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将光电式传感器分成下述四种类型：(l)光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。(2)恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。(3)恒光源发出的光通量授射到被测物上，然后从被测物反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。(4)从恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，因此照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸，如图所示:图3-4 光电式传感器工作类型光电式浊度计是利用第二种形式的例子：主要设计思想是将同一光源分成相同的两部分，一部分经过浑浊液体后射向光电传感器，另一部分直接射向光电传感器，光电传感器将光信号转换为电信号，然后通过测量、比较两部分的电信号来模拟浊度测量。选用的是硅光电池，硅光电池具有价格低廉，转换效率高，寿命长等优点，适于接受红外光，硅光电池的参数范围为400-1100nm，峰值在850nm附近，它的频率特性好，且与我们所选用的光源相匹配。硅光电池是一种P-N结的单结光电池，当光照射到PN结时，由于光激发的光生载流子的迁移，使P-N结两端产生了光生电动势，如果他与外电路中的负载接通，则负载电路中将由光电流产生。硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池，常用的硅光电池为提高效率，在器件的受光面上进行氧化，形成SiO2保护膜，以防止表面反射光，并且表面电极做成梳妆，减少光生载流子的复合机会。单晶硅光电池的转换率一般在10%左右，最高可达15%20%。目前，使用较广发的太阳能电池属于多晶硅光电池，转换率约为7%。多晶硅光电池采用价格低