论文总字数：22270字

目 录

1 引言 1

1.1课题应用背景 1

1.2 本课题设计的主要内容和要求 1

2 浊度测量方法 3

2.1 浊度的定义及其单位 3

2.2 浊度测量方法 3

2.3 测量方法选择 4

2.4 本章小结 5

3 浊度仪的设计 6

3.1 浊度传感器的设计 6

3.1.1 光电式传感器 6

3.1.2 光电池 7

3.1.3 浊度传感器外壳设计 8

3.2 放大器的设计 9

3.3 微处理器系统 10

3.3.1 STM32F103介绍 10

3.3.2 A/D模块 11

3.3.3 电源模块 11

3.3.4 复位电路 12

3.3.5 振荡电路 13

3.3.6 外部中断/事件控制器 14

3.3.7 STM32F103引脚设置 15

3.4 显示输出 15

4 浊度仪的软件设计 16

4.1 STM 软件开发环境介绍 16

4.2 软件设计 17

4.2.1 系统初始化子程序 17

4.2.2 卡尔曼滤波 17

4.2.3 浊度值计算 19

4.2.4 Flash数据的读取和写入 19

4.2.5 中断程序 20

4.2.6 液晶显示程序设计 20

4.3 本章小结 20

5 调试与检测 21

5.1 福尔马肼标准液配制 21

5.2 实验测试 21

5.3 本章小结 22

6 总结 23

参考文献 24

致谢 25

附录 1程序主函数 26

附录2 浊度计PCB版图 28

一种便携式光电浊度计设计

陈浩

, China

Abstract: The turbidity of the water is an important indicator of water clarity, muddy degree. It reflects whether the water quality is good or bad. Can effectively detect the turbidity of the water with has a great significance on monitoring water resources, environmental protection, and human health. This paper used single-chip and wrote in C. By using photoelectric detector within the turbidity sensor, it receives the scattered light and transmits the signals to the amplifier, and later transfers to SCM STM32F103. By A/D converter within the STM32 MCU, it converts the amplified optical signal into a digital signal and processes the digital signal inside, and thus detected liquid obtains its turbidity, which displayed on the external LCD.

Keywords: turbidity, sensors, A/D, MCU

1 引言

课题应用背景

我国江湖纵横交错，但是水资源仍然十分短缺，原因有两方面，一方面是资源性的缺水，另一方面则是严重的水污染。我国每年未经处理、未达到排放标准而排放的水高达两千亿顿，严重污染了我国的水资源，导致湖泊水源污染严重、湖泊富营养化程度日益百年高，并且呈快速上升的趋势。面临的主要问题有：（1）污水排放量超过水环境的容量；（2）水资源污染严重、富营养化程度高；（3）水环境越变恶化，生态用水日渐短缺^[1-2]。

在这样的大环境下，急需采取措施，监测水质量，改善水环境，缓解水资源短缺的现状。水的浊度是衡量水清澈程度和浑浊程度的一个重要指标。人能够安全放心、舒适引用的水要求其品质高，晶莹剔透，不含有害物质。浑浊度越高的水，其含杂质越高，越不可以直接饮用；浑浊度越低的水，越便于消除当中的微生物。因此，能够有效的检测水的浊度以一个参数对水资源的监测、对环境保护、对人的身体健康等都有着极大的意义^[2]。

基于此，本文通过分析浊度传感器的原理，利用浊度传感器内的光电探测器接收散射光，将其接收到的信号传输给放大电路，再传输给STM32F103单片机。通过STM32单片机内部的A/D转换器，将放大后的光电信号转换成数字信号，然后在其内部进行处理，从而得到被检测液体的浊度，并显示在外部的LCD上面。然后将数据通过串口传输并保存到电脑上，最后，分析多次测量的结果。从而设计了一种简单的用于测量浊度的浊度计。

1.2 本课题设计的主要内容和要求

浊度计是检测水浊度的一个重要的工具。对此，有大量的作者发表了关于浊度计的文章。秦玉华等人在1994年系统的研究了浊度测量的方法，认为散射光方式测量液体的浊度效果较佳^[3]。孙墨杰等在2009年为了快速检测分析工业用水的质量，利用C8051F340单片机有效的设计出了一种基于散射光法的便携、稳定、准确的浊度计^[4]。张凯，张玉钧等人2011年在详细分析目前常用的方法的原理和特点的基础上，提出了结合两种方法，设计出了使用性更强的综合性的测量计^[5]。兰羽于2013年基于光电检测方法研究出了一种生产效率高、自动的光电式传感器，并得到了很好的应用^[6]。李琴系统的介绍了浊度计的常用的诺干种有效的检定方法^[7]。谭峰在2014年对浊度计在检定中需要注意的诺干个事项做了详细的说明^[8]。刘升借助现代技术，设计了基于激光的可以手持的侵入式的功能齐全的浊度计^[9]。梁杰申借助电子计算机，在设计的过程中进行电路的参数的优化选择，提出了一种高效的优化算法^[10]。浊度计已经广泛的应用于工业水检测、生活用水、湖泊水、污水等的测量上面^[11]，并得到了很好的效果。

在前人的基础上，本文借助STM32F103单片机，很好的设计出了一种便携的、简便的，方便显示和数据存储的浊度计。主要内容有：（1）利用浊度传感器内的光电探测器接收散射光；（2）信号放大后传送到单片机并进行内部数模转换、数据处理；（3）显示被检测液体的浊度；（4）数据通过串口传输并保存到PC机中。

文章的框架为：

第一章 绪论。介绍了研究背景和内容，大致说明了设计的整个流程，并交代了文章的结构。

第二章 浊度测量方法。详细的讲解了测量浊度的方法，并选择了适当的方法进行本文的设计、测量。

第三章 测量原理。介绍了本文采用设计的浊度计的整体设计思路，和测量原理。

第四章 浊度计的设计。本文的重点章节，详细介绍了传感器的设计、放大器的设计、微处理器系统和显示输出模块。

第五章 软件设计。介绍了本文中用于开发浊度计的软件模块。

第六章 总结。 总结全文。

2 浊度测量方法

2.1 浊度的定义及其单位

浊度，为一个用来衡量液体浑浊程度的名词，表示为液体中含固体物质时的透明程度。浊度值表明了液体的污染程度，并且浊度越高的液体，可以说明液体中包含的悬浮颗粒越多。水的浊度越高，水越浑浊不清；水的浊度越低，水越清澈。针对不同的水，如生活用水、地表水、工业用水、湖泊水、污水排放等，都有不同的指标规定着十分具体的浊度要求。可见，衡量水质的一个重要的指标就是浊度^[11]。

当今社会，随着工业的不断发展，排水技术得到很大的提升，测量浊度的技术同样也发展迅猛。目前主要的比较实用的单位主要有三种：

（1）美国，用于浊度的FTU。用福尔马肼液配置形成，稳定性好，也是目前使用最为广泛的标准；

（2）日本，标准液被高岭土取代，相对于美国的标准，稳定性不高，颗粒大小不固定，纯度不确定。

（3）德高，标准液被硅藻泥取代，该方法定标困难。

国际标准规定浊度标准溶液的特定的、规定的配制方法，使用FNU作为浊度的单位，认为这种方法比较可靠。然后经过长时间的发展，现在NTU 被公认为是浊度测量的统一单位^[1,13,14]。

2.2 浊度测量方法

测量浊度的方法按照接收的方式可以将之分为三种：散射式浊度法、透射式浊度法、透射光与散射光比较测量法。

白光，特别是用红外光，通常被用来测量大浊度的液体。其又可以分为透射、散射两种，其表示的是当探测光源经过水样后，测量到的是透射光还是散射光^[15-18]。相对于投射光，散射光测量比较灵敏，这主要是由于光线的大部分都会因为投射掉，投射光的变化相对于散射光较小。说明，相比于透射光，散射光更能够探测到浊度的细微的变化。这也是为什么目前使用散射光来进行浊度测量的主要原因之一^[1-2]。

当微粒的直径相对于入射波波长十分小时，散射光强可以表示为：

(2-1)

在2-1式中，为散射光波长；为单位体积中粒子数；为单位粒子的体积；为微粒的折射率；为介质的折射率；为散射光强；为入射光强。

如果水中存在大量的气泡或者有机物，那么在测量时，需要考虑散射光波长，慎重选择。最好是排除气泡或者有机物对测量带来的影响。水的流动过程中，气泡无法避免，麻烦的是，其会吸收浊度计中的光，使之突变，该影响可以通过软件处理，使突变圆滑。如：若连续几秒都存在突变，且其幅度不大于10%才通过，方可显示。改方法基本上满足浊度的测量。如果产生的气泡较多，且持续时间较长，那么可以借助去气泡机器去除气泡。出现有机物过多的杂质时，由于其对光线中各个频谱的吸收作用不一样，可能会导致测量出错误的结果。但是由于其对测量的影响较小，对实验值产生的影响较小，在实际中可以忽略不特殊考虑其的存在。

2.3 测量方法选择

透射法和散射法这两种方法因为自身的特点，有着各自的适用范围。

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