基于C8051F020 单片机的浊度仪研制

　　引言

　　浊度是水的透明程度的量度。由于水中含有悬浮及胶体状态的微粒, 使得原是无色透明的水产生浑浊现象, 其浑浊的程度称为浑浊度。浊度显示出水中存在大量的细菌, 病原体, 或是某些颗粒物。这些颗粒物可能保护有害微生物, 使其在消毒工艺中不被去除。因此无论在饮用水、工业过程或产品中, 浊度都是一个非常重要的参数。浊度高意味着水中各种有毒、有害物质的含量高, 因此水的浊度是一项重要的水质指标。

　　1 浊度测量原理

　　根据光学原理, 当一束平行光由空气垂直照射到被测的水中, 在水的深度Y 处, 其光强可表示为:

　　其中: K0表示入射角为0°时光从空气到水中的透射系数,K1为溶液对光的吸收系数。I0为入射光强度, T 为浊度。当溶液中微粒大小均匀时, 某一区域的dy,在某方向的散射光dIs1也与浊度成正比:

　　其中: K2为溶液对光的散射系数, IY为Y 处的光强。

　　水下散射式浊度仪的光学原理如图1 所示:将式(1) 代入式(2) 可得Y 处沿X 方向的散射光为:

　　因为X 方向的散射光经水的X 方向吸收后过段距离才能进入光电池( 关于光电池的知识将在后文介绍) , 故实际到达光电池的散射光强为:

　　式中X 为散射光到达光电池的距离。因此从0 到Y0, X 方向的总散射光强为:

　　2 浊度仪的硬件设计

　　测量电路框图如图2 所示:

　　要使整个系统获得最高的效率和灵敏度, 光源与光电转换器件之间响应频谱范围的良好匹配是很重要的。本系统选用LED 红色发光灯作为光源, 硅光电池作为光电转换器件, 灵敏度波峰均在 800nm 左右。另外硅光电池线性好、响应快、稳定性好、使用寿命长, 并且硅光电池的短路电流和光照满足线性关系, 是很理想的光电转换器件。

　　2.2 测量电路设计

　　硅光电池将散射光信号转换成电流信号, 经过放大器放大, 并最终输出到控制芯片。根据测量原理设计了测量电路, 如图3 所示:

　　中央处理器采用美国Silabs 公司推出的高速、高性能的C8051F020 单片机。测量信号放大后由C8051F020 片内的交叉开关选通, 调节合适增益后送自身带的ADC0 进行A/D 转换并存储。UART0 工作在方式3, UART0 的TX 和RX 分别接C8051F020 的P0.0、P0.1, 测量的浊度值以UART0 串行方式送ST7920 型液晶显示器予以显示。