基于顏色傳感器的酚酞堿度自動測量裝置

黃大昌，史寶庫，劉 冰，馬汝東

(東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012)

0 引言

堿度是指水中能與強酸發生中和作用的物質的總量，這類物質包括強堿、弱堿、強堿弱酸鹽等［1-2］。在工業水處理領域，堿度是衡量循環冷卻水和鍋爐用水質量的指標之一。水中的堿度和硬度在很大程度上決定了水中結垢傾向和腐蝕傾向，而水處理配方也是主要針對水中的堿度而配制的［3］。因此，對堿度的分析測定是水質分析中的基礎項目。

堿度測量的方法主要有目視比色法、電位滴定法和分光光度法。目視比色法分析原理比較簡單，但易引入人為誤差。電位滴定法依靠電極電位的突躍來指示滴定終點，精確度較高，即使水體渾濁或者自帶顏色也不影響滴定終點的判斷［4］，但是滴定過程長，操作繁瑣費時，數據處理復雜［5-6］。分光光度法是根據朗伯-比耳定律計算溶液中物質濃度，這種方法設備復雜，測量中信號靈敏度受多個環節影響，被測物質溶液顏色與測量的吸光度值之間由于光源的復色也會造成偏差。因此，本文利用顏色檢測技術，設計開發了一套酚酞堿度自動測量裝置。它以目視比色法原理為基礎，利用TCS230傳感器替代人類視覺，結合圖像檢測技術自動識別滴定終點，實現酚酞堿度自動測量。

1 測量裝置工作原理

該裝置硬件主要包括計算機、蠕動泵、圖像采集與磁力攪拌器控制模塊、數字圖像傳感器、無影穩壓光源等，其結構如圖1所示。

蠕動泵采用保定蘭格恒流泵BQ50-1J，具有RS485通信功能，可通過上位機控制其啟、停、轉速、轉向。圖像采集和磁力攪拌器控制模塊將采集顏色數據發送至上位機，并根據上位機要求控制磁力攪拌器轉速;無影穩壓光源是大恒圖像系列背景光源，它將LED環繞在擴展板周圍，高密度排列在一起，且通過特殊設計，可發出均勻穩定的光線;光線從有色溶液后面照射，為攝像頭提供穩定的溶液顏色信息;暗室采用自制的不透明金屬盒，以排除外界光線對溶液圖像產生的干擾。

圖1 堿度測量裝置示意圖

圖2為整套測量裝置的原理框圖。在整套裝置中，TCS230顏色傳感器和單片機組成顏色采集單元;直流電動機、信號放大器、光電耦合電路和單片機組成磁力攪拌器控制單元;單片機、RS232串口以及上位機LabVIEW組成通信單元;以恒流泵為主組成的自動加藥單元。首先，上位機開啟恒流加藥泵加藥，以PIC單片機為核心的下位機采集和控制單元根據上位機的指令實時采集加藥過程中待測樣本的顏色，然后上位機對顏色數據進行處理、顯示、保存，自動判斷酚酞堿度的滴定終點。滴定過程中，上位機依據顏色的變化，發送指令至單片機以控制磁力攪拌器轉速。

2 硬件結構

主要介紹顏色采集單元和磁力攪拌器控制單元。

2.1 顏色采集

圖2 酚酞堿度自動測量系統原理框圖

TCS230是TAOS公司推出的光電頻率的轉換器，它在單一芯片上集成了紅綠藍三種濾光器，把可配置的硅光二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上。當選定一個顏色濾波器時，TCS230只允許某種特定的顏色通過，阻止其他原色通過。TCS輸出的信號是數字量，可以驅動標準的TTL和CMOS邏輯輸入，也可以直接與微處理器或者其他邏輯電路連接。TCS230具有每個顏色通道10位以上的轉換精度，且輸出為數字量，所以不需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單，TCS230的引腳和原理框圖如圖3所示。

圖3 TCS230引腳封裝和功能框圖

2.2 磁力攪拌器控制單元

磁力攪拌器利用磁性物質同性相斥的特性，通過不斷變換基座的兩端的極性來推動磁性攪拌子轉動。本裝置利用小型直流電機驅動條形永磁體旋轉，產生變化的磁場推動攪拌子轉動。直流電動機的轉速決定磁場的變化速度，進而決定了磁力攪拌子的轉速。本單元的的核心就是用單片機實現小型直流電動機的調速控制。

單片機采用Microchip公司生產的8位單片機產品PIC16F877。芯片采用精簡指令集(RISC)技術和哈佛總線結構。該單片機集成了多個外圍模塊，有3個定時器(TMR0、TMR1、TMR2);2個輸入捕捉/輸出比較/脈寬調制模塊(CCP1、CCP2);10位A/D轉換器;通用同步/異步收發器(USART);以及5個雙向I/O端口等。

改變直流電動機的方法主要有勵磁控制法和電樞電壓控制法。在電樞電壓控制法中，脈寬調制技術需用的大功率可控器件少，線路簡單，調速范圍寬，功率因數高，電流波形好，附加損失小，因此得到廣泛應用［7］。CCP1模塊和 CCP2模塊是PIC16F877芯片的重要組成部分，它們有3種工作方式(捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調制方式)。當處于脈寬調制工作方式時，可以在兩個引腳(RC1、RC2)輸出兩路分辨率高達10位的PWM信號，用程序語句控制PWM信號的周期和高電平持續時間，從而控制電機電樞電壓，達到調速目的。

在磁力攪拌器控制單元中，為提高系統的抗干擾性，在單片機電路和電機驅動放大電路之間用光電耦合器(TLP521)實現電氣隔離。放大單片機輸出信號采用集成電路L298，在其內部集成了2個H橋以及橋臂上開關管的推動電路、防止橋臂直通的控制邏輯電路。L298芯片內有兩個相同的模塊，可以控制兩個直流電機，使用兩路PWM信號對其施加調速控制。每個模塊有3個控制輸入端:一個使能端和兩個方向控制端。3個輸入端的控制電平與電機轉動狀態的關系如表1所示。其中H表示高電平，L表示低電平，X表示高電平或低電平。

表1 L298控制信號與直流電機轉向關系表

3 實驗方法

以酚酞為指示劑測量水的酚酞堿度，當pH大于8.3時，溶液呈粉紅色，pH值越高，顏色越深。滴定過程中，隨著pH值不斷降低，粉紅色的溶液其顏色逐漸變淺，最終變為無色，即在白色背景光源下，同一樣本在滴加酚酞之前和達到滴定終點之后的所呈現的顏色應該是基本一致的。

在RGB顏色空間中，歐氏距離是描述顏色相似性的簡單度量之一［8］。設有兩個顏色值(r1，g1，b1)、(r2，g2，b2)它們的歐氏距離由下式給出:

D越小表明顏色相似性越高。加藥過程中，如果磁力攪拌器攪拌速度太快，測定池中間會形成較大漩渦，影響采集到顏色值的穩定性和準確性;如果攪拌速度過慢，滴定速度太快，就會導致反應不夠充分，出現較長延遲;如果滴定速度較慢，就會導致測定時間較長，儀器測量的快捷性較差。為了解決儀器準確性與快捷性之間的矛盾，本裝置將蠕動泵的轉速和攪拌器的速度分別設為高、中、低三檔，測量過程中，根據顏色相似程度，自動進行檔位之間的切換。在開始階段，由于堿度值較高，采集到顏色值穩定性要求不高，可以快速加藥，快速攪拌。在快要接近滴定終點時，慢速加藥，慢速攪拌，以求獲得較為準確穩定的溶液顏色值。

酚酞堿度自動測量裝置的總體工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

測量的具體步驟如下:

1)取200 mL待測樣本加入測定池，采集顏色值作為參考。

2)手工加入酚酞指示劑。

3)蠕動泵轉速50 r/s;滴加藥品;攪拌子高速旋轉;采集顏色值每秒1次，計算顏色相似性。

4)如果顏色相似性小于 25，蠕動泵轉速30 r/s;攪拌子中速旋轉;采集顏色值每秒1次，計算顏色相似性。

5)如果顏色相似性小于 10，蠕動泵轉速10 r/s;攪拌子低速旋轉;采集顏色值每秒1次，計算顏色相似性。

6)顏色相似性小于3，停止加藥，停止攪拌，停止采樣。

7)計算酚酞堿度，顯示結果。

裝置以0.05 mol/L的H+(HCl)溶液作為滴加藥品，在實驗之前分別標定蠕動泵高、中、低速下的滴加速度。酚酞堿度計算公式為

式中:(JD)酚酞為酚酞堿度，mmol/L;CH+為鹽酸標準溶液的氫離子濃度，mol/L;V為滴定終點酸溶液消耗的體積，mL;單位V樣為所取水樣的體積，mL。

4 結論

本文設計了以TCS230顏色傳感器檢測前端的酚酞堿度自動測量裝置，通過對被滴定溶液的顏色值與初始值的相似性來判斷滴定終點。實踐表明，該裝置測量循環水酚酞堿度，方便快捷，準確度高能夠取代目視比色法對工業冷卻循環水酚酞堿度自動測量，提高了電廠循環水水質監測的自動化程度。

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