【余氯检测系统设计分析案例2700字】

余氯检测系统设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17021余氯检测系统设计分析案例 1270421.1总体设计 1186261.2硬件设计 2287131.2.1光源 292961.2.2光学传感器 3242441.2.3单片机 4269241.3软件设计 487791.3.1光学传感器信号的处理 574291.3.2余氯检测逻辑的实现 5总体设计整个余氯检测系统包含五个模块：光源、微流体芯片、光学传感器、单片机以及计算机。在进行余氯检测系统的设计时，主要从俩个方面进行，分别是硬件的设计以及软件程序的设计。其中，硬件的设计包括光源的选型、微流体芯片的设计、确定合适的光学传感器、单片机的选择。软件程序的设计是通过在计算机上编写程序代码，来实现对光学传感器和单片机输出的数字信号处理，最后得到需要的数据。余氯检测系统总体框架图、硬件设计框架图、软件设计框架图分别如图4.1、图4.2、图4.3所示。图4.1余氯检测系统总体框架图图4.2硬件设计框图图4.3软件设计框图硬件设计检测系统的硬件设计包括光源、微流体芯片、光学传感器、单片机模块四个部分。在本论文的第三章中进行了微流体芯片的设计，所以此处只对光源、光学传感器、单片机模块三部分进行设计。光源在选定光源前，首先要确定所需光源的波长范围。由于本次实验使用的是分光光度法，是通过利用被测物质对某波长的光的吸收来了解物质的特性，所以我们需要测定一定浓度的余氯溶液对某波长的光的吸收来了解余氯的特性，在方法上本文选择以紫外分光光度计来测量余氯溶液的吸收光谱，余氯溶液选取的是次氯酸钠溶液。通过测定次氯酸钠溶液对不同波长的光的吸收强度，并以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得出次氯酸钠溶液在测定波长范围的吸收曲线。通过吸收曲线可知，次氯酸钠溶液的最大吸收波长为435nm。在确定了次氯酸钠溶液的最大吸收波长后，根据最大吸收波长的值来选取合适的光源。常用的光源有白炽灯、LED灯、碳弧灯等。其中，钨丝白炽灯在生活中运用较广、获取容易，钨丝白炽灯的波长范围为400~780nm符合最大吸收波长要求，价格便宜且发光强度稳定。在本课题之中，选取额定电压功率12V20W的钨丝灯作为发光光源。光学传感器本文章采取的是分光光度法来设计余氯含量测量仪，所以在光学传感器的筛选上，选择能够测量溶液的吸光度值的光学传感器。由于市面上并没有直接检测吸光度值的传感器，所以需要通过检测其他与吸光度相关的值来间接计算出溶液的吸光度值。由2.4章中对于分光光度法的研究可得，溶液的吸光度A和溶液的入射光强度I0和透射光强度It有关。所以可以通过测量入射、透射光的强度然后计算溶液的吸光度。本设计选取的是型号为BH1750fvi的光强度传感器作为光学检测单元。相比于传统的光照传感器，BH1750fvi集成化更高、精确度更高。传统的光照传感器主要采用的是光敏电阻来测量光照强度，但是由于光敏电阻的光电特性曲线是属于非线性曲线，很难进行数据处理，所以不用来做本课题的光学传感器。而BH1750fvi光强度传感器内部集成了光敏二极管、集成运算放大器、模数转换器等元件，对于光强度数据的处理十分方便，而且内部还具有寄存模块，方便对光强度数据进行处理。BH1750fvi结构图如图4.4所示，从结构框图来讲解该传感器的运行原理：BH1750fvi的内部由光敏二极管、运算放大器、ADC采集、晶振等组成。光照射在PD二极管上后，二极管将光信号转换为电信号进行输出，经过运算放大器电路放大，ADC采集收集放大后的电信号并通过逻辑电路转换为16位二进制数存储到寄存器中。(照射的光越强，光电流越大，电压就越大，所以通过电压的大小就可以判断光照大小，BH1750fvi芯片内部进行了线性处理使得电压和光强呈现一一对应的关系)。BH1750fvi引出了时钟线和数据线，单片机通过I2C协议可以与BH1750fvi模块通讯，可以选择BH1750fvi的工作方式，也可以将BH1750fvi寄存器的光照度数据提取出来。图4.4BH1750fvi结构图单片机因为BH1750fvi使用的是IIC进行通讯，所以在单片机的选择上选取了具有相应外设和驱动电路的STM32F4单片机。首先探讨IIC的通讯原理以及BH1750fvi的工作过程，然后研究如何对传感器储存的数据进行处理并转换成需要的吸光度值。IIC的通讯原理：IIC由时钟线(SCL)和数据线(SDA)组成，每当时钟线输出一次方波脉冲，数据线传输一次“0”或“1”，连续传输8次即组成一个8位的二进制数，也就是一个字节的数据，反复进行这个过程就实现了俩个设备之间的通讯。单片机的工作过程：单片机和BH1750fvi传感器需要进行通讯时，单片机IO口给SCL引脚输入一个方波脉冲，然后单片机往SDA引脚输入符合BH1750fvi传感器规则的指令代码，传感器接受到相应代码指令后向单片机发送寄存器中存储的光强度数据。单片机接收到传感器发送来的数据后，启动预先编写进单片机里的程序，将传感器发送的二进制光强度数据转化为十进制光强度数据，然后再将光强度数据经过多次设计好的公式换算，变为可以直接被读取记录的余氯浓度数值，并通过USB转TTL串口输出到计算机上进行显示。软件设计软件设计的主要工作内容分为俩部分：光学传感器信号的处理以及余氯检测逻辑的实现。余氯检测的逻辑框图如图4.5所示。图4.5余氯检测逻辑框图光学传感器信号的处理因为光学传感器BH1750fvi在检测到光信号后，会将检测到的光强度值以一组16位的二进制数并储存在寄存器中，所以需要对这一组二进制数进行换算才能得到我们需要的光强度值。处理方法是将16位二进制数转换为10进制数然后除以1.2。举例，假如传感器返回一组光强度数据“0000000100010000”，其中高字节为“00000001”，低字节为“00010000”，该组16位二进制数所代表的光强度值可以由式4-1计算出：(28+24)/1.2=227[lx](4-1)余氯检测逻辑的实现余氯检测系统是通过检测被测溶液的吸光度来计算出该被测溶液中余氯的含量，其原理是溶液中的余氯浓度值与该溶液吸光度值之间成比例关系。而由前面的理论研究可知，溶液的吸光度值可以通过计算透过光光强与吸收光光强比值获得，所以我们可以通过测量溶液透光光强来计算出该溶液的余氯含量。首先是将光学传感器所测得的溶液透过光光强转化为溶液的吸光度值。由前面第二章对于朗伯-比尔定律的研究可知，溶液的吸光度A的值是透过光的光强度It与入射光光强度I0的比值再取对数，三者之间的关系为式4-2A=lg（I0/It）(4-2)因为光源使用的是固定的钨丝灯，所以公式中入射光强度I0是一个固定的值，透过光的光强度It就是光学传感器BH1750fvi所测得的值，将该测得的值带入公式计算就得到了溶液的吸光度值。然后是将溶液的吸光度值转化为该溶液的余氯浓度。由朗伯-比尔定律可知，当溶液的其他条件不发生改变时，溶液的吸光度值A与溶液浓度C成正比关系，关系式为式4-3A=KbC(4-3)式中K为摩尔吸光系数、b为吸光光程。借助紫外-可见光分光光度计设计了一组单控制变量实验，实验中以次氯酸钠溶液来作为余氯标准溶液、余氯快速检测