智能光电浊度仪的设计说明.docx

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智能光电浊度仪的设计说明

编号

本科生毕业设计

智能光电浊度仪的设计

Thedesignoftheintelligentopticalturbiditymeter

学生姓名

专业

学号

指导教师

学院

二〇一三年六月

毕业设计（论文）原创承诺书

1.本人承诺：

所呈交的毕业设计（论文）《智能光电浊度仪的设计》，是认真学习理解学校的《理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作容。

2.本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

3.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

4.本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分容。

以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作者签名：

年月日

摘要

浊度计作为测量水质浊度的计量仪器，广泛用于我国各个行业。

据不完全统计，我国每年所需工业浊度仪总数量约1000台左右。

然而，目前我国市场上的浊度计很大程度依赖于进口，这些浊度计虽然测量精度和稳定性都很好。

但结构复杂，价格昂贵。

本文在分析和仿真实验的基础上，实践制作智能化的浊度仪。

该智能化浊度仪的软件在MirosoftVisualC++6.0开发环境用C++语言编写，它充分利用计算机强大的计算处理能力，图形界面显示、储存、打印功能。

在硬件方面主要有单片机、A/D转换、探头、多路开关组成。

单片机为硬件的核心，它负责与计算机通讯，控制A/D转换，控制电路的切换，产生调制光源信号等。

关键字：

浊度浊度测量调制

ABSTRACT

Turbiditymeterformeasuringthewaterqualityturbiditymeasurementinstruments，widelyusedinvariousindustriesinChina.Accordingtoincompletestatistics，China'sindustrialturbiditymetertotalquantityrequiredforeachyearabout1000units.Turbidimeter，however，atpresentourcountrymarketislargelydependentonimports，althoughtheseturbidimetermeasureprecisionandstabilityisverygood.Butthestructureiscomplex，expensive.

Inthispaper，onthebasisoftheanalysisandsimulationexperiment，practicemakeintelligentturbiditymeter.MirosofttheintelligentturbidityinstrumentsoftwareinVisualc++6.0developmentenvironmentusingc++language，itmakesfulluseofthecomputerapowerfulcomputingability，thegraphicalinterfacedisplay，store，printfunction.MainlyintermsofhardwarewithMCU，A/Dconversion，sensor，multi-channelswitch.Singlechipmicrocomputerasthecoreofthehardware，itisresponsibleforcommunicationwiththecomputer，tocontrolA/Dconversion，controlcircuitswitch，producelightsourcemodulationsignals，etc.

Keywords:

turbidity;measurementofturbidity;modulation;

摘要I

ABSTRACTII

目录III

第1章绪论1

1.1浊度的简介1

1.1.1浊度的概念1

1.1.2浊度测量方法1

1.1.3浊度仪的种类3

1.2国外浊度仪器的现状3

1.2.1国外浊度仪器的现状3

1.2.2国浊度仪器的现状3

1.3本文研究的目的和研究容4

1.3.1研究的目的4

1.3.2研究的容5

第2章调制光源光强技术的理论分析6

2.1引言6

2.2采用调制光强测量浊度的原理6

2.3非线性的校正方法7

第3章仪器的整体设计9

第4章硬件电路的设计10

4.1电源电路10

4.3单片机及其控制电路12

第5章软件的设计15

5.1单片机的编程15

5.2计算机程序的编写23

第6章仪器的使用介绍24

6.1线性校正和标定仪器24

6.2测量浊度和使用界面26

第7章实验结果与展望28

7.1实验结果28

7.2后续研究工作的展望29

参考文献30

致31

第1章绪论

1.1浊度的简介

1.1.1浊度的概念

在人们生活和生产中，常用浊度（turbidity）来表征液体的清洁度，水的浊度是泥沙、粘土、微细的有机物和无机物、可溶的有色有机化合物以及浮游生物和其它微生物等悬浮物质所组成。

这些悬浮物质能吸附细菌和病毒，所以浑浊度低有利于水的消毒，对确保水质指标有极重要的影响。

国际标准化组织定义为：

由于不溶解物质的存在所引起的液体透明度降低，可见，浊度不等于固体悬浮物质（Suspended—Solids）含量，固体悬浮物质含量是水中可以用滤纸截留的物质重量；而浑浊度则是一种光学效应，它表现出光线透过水层时受到阻碍的程度。

这种光学效应与颗粒的大小及形状有关，实践证明浑浊度与悬浮物固体物质的重量浓度没有任何的相关关系。

水的浑浊度越高，反射光和散射光就越强，而透射光就越弱；反之，水的浑浊度越低，反射光和散射光就越弱，而透射光就越强。

因此测定散射光与透射光强度间的变化，就可以测得水的浊度。

1.1.2浊度测量方法

浊度的测定目前有化学分析法和仪器分析法两种，化学分析法采用透明度试管法和透明度试验圆盘法，适用于实验室或野外作人工分析测定；仪器分析法利用880nm近红外光源，采用光学透射或散射原理，将浊度转换为光电信号，测出浊度数值大小。

工业过程浊度仪可对各种工艺过程中水质浊度进行长期、连续分析测量；而实验室浊度仪为小型台式或便携式，适用于实验室中或野外对水质浊度进行间隔分析测量。

仪器分析法基本方法如下几种：

（1）透光式测定法光透过浊液被减弱的程度与浊度有一定函数关系，测量透过待测浊液的光的强度，来得到浊度值。

透射光强度随浊度的变化遵从朗伯特—比尔定律，即透射光随浊度增加按指数形式衰减

IR=Ioexp（-KTL）

式中，Io为入射光的强度，L为液体透光层厚度，K为比例常数，IR为透射光的强度，T为水的浊度。

图1.1透射法测量原理

（2）散射测浊度法由于液体中悬浮微粒引起光的散射，散射光的强度与浊度有关。

通过测量散射光强，可得到浊度信息。

在浊度不大的情况下（<2000FTU），90º方向所接受到的散射光强度可用下式来表示：

IR=IO（KNV2/）

式中，I0为入射光的强度，K为系数，N为单位容积的微粒数，V为微粒的体积，λ为入射光波长。

假设λ和V为常数，则KNV2∕λ4与单位容积微粒的总数或总体积成正比，也就是与浊度成正比，则有：

IR=KTIO

式中T为水的浊度，K’为系数。

按其测量方向的不同，又分为前散射式、垂直散射式和向后散射式三种方法。

（3）透射光和散射光比较测定法即透射光和散射光比较测定法。

它是以上两种方法的综合，采用透射光和散射光强比较的方法测量浊液的浊度，这种方法可以消除部分干扰，提高灵敏度。

（4）表面散射法表面散射法测量发生在水层的近表面层的散射光强度，来得到浊度值。

表面散射浊度测量是一种非接触测量法，即散射光接收光学系统及接收器与水样是非接触的，避免了光学接收窗口等的污泥、结垢现象。

且其测量围宽、线性度好，因而常用于浊度较高的水源水测量中。

（5）偏振法对于粗大的颗粒，散射光为部分偏振光，而且偏振的程度与颗粒的大小和形状有关。

通过对偏振度的检测，可测量浊度。

图1.2表面散射法测量原理

1.1.3浊度仪的种类

测量浊度的仪器叫浊度仪。

按照所测量浊度的围，可分为低浊度仪、中浊度仪、高浊度仪。

基于测量浊度的方法，可分为透射式、散射式、透射光和散射光比值式、表面散射式、偏振光式浊度仪。

当然，测量浊度的围和测量浊度的方法是有关系的。

比如，透射式浊度仪一般也是中、高浊度仪。

而透射式浊度仪也是低浊度仪。

按浊度仪结构不同，可分为窗口测定槽式、落流式、振动片式和积分球式。

按浊度仪安装结构不同，有可分为流通式、沉入式、插入式、伸缩可拆卸带球阀插入式浊度仪。

总之，选用浊度仪必须考虑测量的围、工作环境等因素。

1.2国外浊度仪器的现状

1.2.1国外浊度仪器的现状

从20世纪90年代开始，国外许多仪器仪表公司都推出了许多技术先进、性能优良的浊度仪。

进入21世纪后，市场上的浊度仪更是种类繁多、品种多样。

它主要分为供现场便携使用和实验室使用的便携式或台式浊度仪、工业现场中使用的在线检测式浊度仪两大类。

根据所用光源的不同，国外浊度仪可按ISO国际标准和美国USEPA180.1标准分为两大类。

目前，具有代表性的品牌有：

美国HACH公司系列浊度仪，英国ABBKent公司系列浊度仪，德国E+H系列，美国Rosemount系列，日本横河公司系列，等等。

这些新型浊度仪都采用了单片微计算机技术，其中，许多仪器的单片机采用的是目前最新型的单片微机芯片。

有些公司的产品，还将测定浊度和固体悬浮物等多种功能合成在一起，可用同一探头、同一台仪器操作，只需按一下功能转换键即可，无需重新进行参数设定和更换测量探头，大大扩展了仪器的应用围，增强了仪器检测的多元化功能。

此外，几乎所有的高浊度产品都带有自动清洗装置，许多低浊度产品可以选配自动清洗装置或是自带清洗装置，这样，仪器就可以在较为恶劣的工业环境中使用，如工业废水处理、粘性较大的工业现场等。

同时，可根据测量要求，对自动清洗程序自行重设定，从而可保证浊度仪长期稳定地运行。

1.2.2国浊度仪器的现状

我国的工业过程浊度仪，从无到有，近几年来得到较大发展。

70—80年代，工业浊度在线测量仪表，在我国几乎还是一个空白点.即使后来有了浊度仪，也是指针显示.体积较大，只能进行流通式测量，可靠性和稳定性都很差。

经过近10年的技术攻关和引进国外先进技术经验，国产的浊度仪已有很大变化，不但初具规模，有多家厂商生产，而且有些技术指标还达到