电路与电子技术期末大作业郭万通

1、水质分析系统的简单设计与分析一、所需实现的功能：在当前生活中，人们越来越关注用水健活用水的洁净与否在根本上决定了人们生活的质量。而水的浊度可以很好的反应水的清洁程度，水的浊度在一般情况下，不仅与水中悬浮物的含量、大小、类型等因素有关，还与悬浮物的折射系数等光学性质有一定关系。因此，可以设计一个系统，利用水中悬浮物的光学性质（主要是折射能力）来检测水的浊度（即水质）。二、该系统所需实现的指标主要为：对水体浊度的测量。在上述指标下不子设备所需达到的功能：1、光源：为整个系统提供光照，是系统最关键的部分之一。2、光敏传感器：光敏传感器实际上就是光敏二极管，也就是将光信号转变为电信号的装置。3、放大电

2、路：首先，我们需要确定，我们需要两个光敏传感器，其中一个用来检测光源经过水体后再经过光电转换得到的信号 U1，另一个不对着光源，用来检测环境中的光经过光电转换得到的信号 U2，而这两个信号都是极其微弱的电信号，因此我们需要放大电路对两个信号进行放大，从而更方便进行的分析与检测。（在此之前假设我们已经使用可以认为足够纯净的水（浊度很小，折射率很低）进行了一次光源经过水体再被光敏传感器接受并转换得到信号 U0 的测试，并且该信号也已经作为纯净水对光折射能力的基准写入了下述的单片机系统中。而后，只要将光源经过不同水体与环境得到的电压差与该信号进行对比与运算即可得到不同水体的浊度。）4、滤波电路：由于

3、放大电路的放大作用并没有选择性，因此当放大电路放大了两个光信号转变的电信号时，也会放大环境噪声等我们不需要且对检测结果有较大影响的信号，因此我们需要滤波电路对这些不需要的信号进行一定程度的滤去。5、单片机：单片机在整个系统中用于对数据的分析，当U1、U2 在放大及滤波后传至单片机，单片机会对数据依据已编程好的函数进行运算，从而得到水体的浊度。最终实现了设计目的。（由于课程中并未涉及单片机，因此，这部分内容我只依据了我所找到的相关文献及搜索引擎得到的结果进行了简单的概括。）6、电源：整个系统电路需要供电，因此需要电源。三、设计方案：1、光源的选择：需要廉价且长。同时我们需要光源在不同波长下均有较

4、好的被吸收能力。因此，我们选择 LED 光源作设计的光源最为合理。2、光敏传感器的选择：为了排除在转换过程中对结果的影响，选择的光敏传感器需要具有暗电流小、最高反向工作电压高、光电流大且光灵敏度高的光敏管。同时，不同的光敏二极管对于相同光线的相应程度是不同的，为了使我们的设计最优化，我们应该选择在 LED 光源下，响应程度最强的光敏二极管。3、放大电路中我们应该选择更加稳定，更加长久且不易受到干扰的信号放大器，由于所学知识中涉及到的具有信号放大功能的仪器主要为三极管和运算放大器（），但是不论是锗管还是硅管的三极管，它的放大能力均会明显地受到温度的影响，因此，选择在本设计中明显更为合理。例如可以

5、选用在课程中学习到的uA741 作为设计的，在 2、3 引脚分别接入 U1 与 U2，若假设放大倍数为 A0，那么最终可以得到放大后的电压差为 A0*|U1-U2|，而放大倍数可以通过设置不同大小的反馈电阻的值来获得改变，最终达到适当地放大电压差的目的。4、对于滤波电路，由于本设计中的电信号为直流信号，而电路放大后信号中所携带的环境噪声等信号均为高频或低频信号，即交流信号。同时，结合在课程中所学的相关知识，我们了解到，目前我们所学的，具有在直流信号中滤除交流信号功能的电器元件仅有电感，因此我们选择电感作为滤波电路中的滤波器滤去电路中由于上一部分运算放大器放大信号带来的环境噪声等。5、对于单片机

6、系统，由于并未对此展开学习，因此我只在此处写下一些我结合相关文献的到的结论，中，我们选择的单片机应该同时具有模数转换器的功能，因为在系统进入单片机前还属于模拟信号，而单片机在编程后所处理的应该是数字信号，因此需要先把将模拟信号转换为数字信号。而对于单片机，我们使用 C 语言等方式对单片机的模数转换功能、显示屏显示数据的形式、数据传输的协议等进行编程，使其对我们得到的数据进行运算与表示即可。6、由于本设计需要直流电，因此我们选用 3.7V 锂电池和 5V USB 供电两种供电模式达到设计目的，其中 USB 供电时可以为锂电池充电。在电路中我们主要需要对 LED 光源，及单片机等进行供电。而我经过了解后得到，目前大多数及单片机可承受的最大电流均在 10mA 及以下，因此用锂电池供电的最大功率应该小于等于 3.7*10=37mW，而用USB 供电的话，由于一部分电能用于给锂电池供电，电源的给整个系统（不包括锂电池）提供的功率应该还是会在 37mW 及以下。四、总结在上述的大致设计思路之下，便可以得到一个可以粗略估测量水体浊度的系统。但是受困于所学的内容，整个系统的设计还是不够完善，例如如何选择合适的光敏传感器？如何选择合适的？如何通过电感或其它还未学到的滤波原件（电路）来更好地更精确地滤去不需要的信号？使用