基于4G的散射式浊度仪设计

徐江陵，刘德红

(武汉科技大学城市学院机电工程学部，湖北武汉 430083)

0 引言

我国水资源比较匮乏，水质污染问题严重，因此必须提高水质监测水平，实时掌握水质变化情况[1]。水中杂质的数量和种类是衡量水质好坏的重要标准之一，传统的水质监测方法是抽样检测，即对待测水质进行抽样送检，通过化学检测的方法提取待测水质中的杂质，此种过程较为复杂且周期长。为了准确快速地监测水质变化情况，本文设计了一种基于4G的散射式浊度仪，其采用物理检测方法，利用浊度探头将水质的浑浊度转换为可被测量的电压信号，通过绘制传感器输出的电压信号与水质浊度值之间的关系，再反推出水质的浊度值，以此来衡量水质的变化情况[2-3]。系统在数据传输上选用的是4G传输方式，其具有传输速率快、实时性好等优点，可将待测水质的变化情况实时地反馈到数据监测中心，便于工作人员及时掌握水质的变化情况。

1 浊度法测量原理

浊度法检测水质利用的是光的散射原理，其检测方法遵循的是国际标准ISO7027《水质浊度的测量》的规定，即利用波长为860 mm的红外光源照射待测水质[4]，光源的入射方向和检测方向需保持90°，检测原理图如图1所示。红外光源发出的红外光经过透镜后再射入待测水质中，透镜的作用是保持光源可以平行地射入到水质中，待测水质中的颗粒会使光线产生散射现象，散射光的强弱随浊度的增加逐渐上升，接收端的红外二极管将接收到的散射光转换为电信号，电信号的强弱与散射光的强弱成正比。系统就是利用传感器输出电压信号与水质浊度值的关系反推出水质的浊度值。

图1 水质检测原理图

2 系统硬件设计

系统硬件电路是由数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块3部分组成[5-6]。其中数据采集模块是以发光二极管为核心部件，主要实现光源的发射和接收；数据处理模块是以嵌入式系统为核心，主要实现待测水质浊度值的计算；数据传输模块主要以4G传输装置为核心，是将处理过后的数据发送到数据监测中心，实现对水质的实时监测。系统硬件电路图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 光源驱动电路

由于LED发光二极管的光源具有能量利用率高、光谱集中等优点，因此系统选用型号为LI-304SIRC2E-1BC的LED发光二极管作为检测光源[7]。LED发光二极管采用恒流源驱动，系统利用集成运算放大器的反馈原理搭建恒流源，该恒流源具有稳定性好、精度高的优点。恒流源电路如图3所示。

图3 光源驱动电路

集成运放选用的是零温漂、低失调电压的高精度集成运算放大器TSZ121，其失调电压低至5 μV，采用单5 V供电，其中电阻R30、R31均为1 kΩ，因此集成运放TSZ121的正、反相输入的电压都为2.5 V，将电阻R32的阻值调整为100 Ω，则LED发光二极管的电流可以维持在25 mA，光源驱动电路可以正常工作。

2.2 光源接收电路

当光源射入到待测水质中，水质中的悬浮物或颗粒会对光产生散射现象，而红外接收管则用于检测散射光的强弱，系统选用型号为LL-503PTC2E-1AC的LED红外接收管，该型号的红外接收管具有灵敏度高、分辨率强等优点，可有效地识别极小光强的变化[8-9]。LED红外接收管接收到的散射光信号极其微弱，约μA级别，且信号在传输过程中易受到外界的干扰。为了解决微弱电流信号传输和处理困难的问题，系统设计了一种高精度I/V转换电路，将微弱的电流信号转换为可被处理的电压信号后再进行滤波滤除外界干扰。红外接收管信号处理电路如图4所示。

图4 光源接收电路

系统选用双通道的精密运放OPA2277实现电流信号到电压信号的转换，再通过AD8610实现信号的滤波处理。OPA2277的第一通道U3A是接收管收到的微弱电流信号转换为电压信号，第二通道U3B是可调反相放大电路，实现对电压的放大，使得电压输出在3.3 V以内。再由AD8610及其外围阻容器件构成的二阶低通滤波电路滤除电路中的干扰信号，使得最终输出的电压信号为平滑的直流信号，最后将处理过后的信号发送到单片机内部的A/D转换器中进行模数转换，从而计算得到待测水质的浊度值。

2.3 数据传输电路

由于各待测水质的地点相距较远，为了实现对水质的远程监测，在数据传输上选用4G无线传输[10-11]。系统选用的是SIM76000CE-L 4G模块，该4G模块尺寸小，便于集成到采集电路中。SIM76000CE-L 4G模块采用3.8 V供电，通讯接口支持USB2.0、UART等，采用TCP/IP协议，工作温度处于-40～80 ℃之间，传输速率高达150 Kbit/s。这使得该模块非常适合用于野外水质监测。4G传输电路图如图5所示。

图5 4G传输电路

单片机采用UART串口的方式与4G模块进行数据传输，R50、C22用于天线的阻抗匹配，便于发送和接收数据。当数据处理模块将待测水质的浊度值计算出来之后，通过4G模块将计算得到的结果发送到数据监测中心，在数据监测中心可以监测到各个区域水质的变化情况，便于及时掌握水质信息。

3 软件设计

软件设计是系统的重要组成部分，软件设计包括外部按键软件设计、LCD显示屏软件设计、外部中断软件设计、定时器软件设计以及串口通信软件设计等。系统启动时首先执行传感器初始化操作，当收到开始测量信号时，开始启动系统进行测量。TMS570内部的A/D转换器将采集到的电压进行模数转换，依据浊度值与电压的关系换算出待测水质的浊度值，再将计算结果通过4G传输方式发送到数据监测中心，系统软件流程图如图6所示。

图6 系统软件流程图

4 实验数据分析

根据以上软硬件设计，研制了基于4G的散射式浊度仪。为了验证系统测量的稳定性和准确性，利用不同浊度的溶液对系统进行标定。首先利用孔径为0.2 μm的微孔滤波过滤蒸馏水，连续多次过滤后得到的溶液就可以视为零浊度水。该零浊度水用于与福尔马肼标准溶液进行混合配比，得到不同浊度的待测溶液。将待测水质的浊度分别配置为20、40、60、…、300 NTU，然后利用设计的系统进行测试，将测得的浊度与实际值进行比较。首先按照式(1)进行不同水质的浊度配比，在配置之前，先准备浓度为300 NTU的福尔马肼标准溶液用于浓度配比。

(1)

式中：A为零浊度值的标准溶液量，mL；B为所需溶液的浊度值，NTU；C为原始标准溶液浓度，NTU;K为总配置量，mL。

由式(1)可知，通过改变零浊度值溶液A和福尔马肼标准溶液的浓度C就可以得到所需配置的浊度值的溶液浓度B，测试数据如表1所示。

表1 不同浊度值待测溶液与系统输出电压的关系

根据表1实验数据，利用相关算法拟合出浊度值与系统输出电压曲线：

y=0.09x-88

(2)

式中：y为浊度值，NTU；x为系统输出电压，mV。

再利用系统拟合出的浊度值与系统输出电压曲线来反推出待测水质的浊度值，验证系统的精度。将上述配置好的浊度值溶液作为检测样本，把系统检测到的浊度值与样本值进行比较，计算测量误差，测量数据如表2所示。

表2 数据测量对比

由上述测试数据可知，系统能有效地测量出水质的浊度值，且测量精度高，测量相对误差小于8%。

5 结束语

为提高水质监测的效率、节约人力，设计了一种基于4G的散射式浊度仪。在数据传输上选择4G传输方式，克服传统有线传输方式的束缚，提高了监测的效率。在检测光源选择上，系统选择LED发射光二极管产生的单色光，其具有能量利用率高、光谱集中等优点，提高了后续检测电路的准确度。实际测试结果表明，系统能有效检测到水质浊度值的变化情况，且测量误差小于8%，本文设计的基于4G的散射式浊度仪为水质的实时监测提供一种新的方法。