帶有溫度補償的濁度變送器設計與實現

趙健ZHAO Jian；張偉新ZHANG Wei-xin；張欣ZHANG Xin

（無錫商業職業技術學院，無錫 214153）

0 引言

在環境質量問題中，水環境質量與人們的生活密切相關，尤其是水中懸浮物濃度，能夠直觀體現水源質量。目前，以監測濁度值來衡量水質的應用較為廣泛，比如通過監測湖泊水質濁度時空變化來判斷湖泊水生態環境；通過監測黃河水濁度來判斷黃河上游水土流失情況；以及通過長期監測水產養殖場水體濁度研究對魚類生長的影響等[1]。目前，很多學者開展了水質濁度監測技術的研究與應用，比如，針對濁度不同測量原理的研究[2]，針對不同應用場景下濁度儀的設計[3]，以及基于無線通信技術的濁度儀設計等。

一般的應用研究未考慮溫度對濁度監測的影響，適合在理想環境中運行，當溫度發生大范圍變化時需要提前進行校準或重新標定，使用過程較為繁瑣。針對這些問題，本文提出一種帶有溫度補償的濁度變送器設計，使用熱敏電阻監測待測水樣溫度值，通過分析固定濁度下濁度監測電壓模擬量值與溫度值之間的關系，分析濁度傳感器的溫度特性，進行溫度補償，達到抑制溫度影響的效果。

1 濁度傳感器的監測原理

本設計采用TSW-30 濁度傳感器，該傳感器基于光線通過溶液時的散射和透光率反映水的濁度。TSW-30 內壁包含一個紅外線發射管和一個光敏接收管，發射管發射的光線穿過待測水樣時，光線的透過量與水樣的濁度成反比例關系，濁度越高透光量越少。接收管把透過的光強弱轉換成對應強度的電流信號輸出，透光越多電流越大，利用采樣電路將TSW-30 輸出的電流信號轉換成電壓信號，再通過單片機控制的A/D 轉換器讀取該電壓信號，經過轉換后得到所測水樣的濁度值。TSW-30 可以監測0～1000NTU范圍內的濁度，能夠滿足大多數的應用場景。

2 系統設計

2.1 系統組成

濁度變送器內部模塊及其連接關系見圖1。濁度變送器由電源電路、按鍵電路、LCD 液晶顯示電路、溫度傳感器電路、濁度傳感器電路、串口通信電路、繼電器電路、電壓/電流轉換電路和單片機最小系統電路組成。電源電路輸入12V DC，輸出5V DC 和3.3V DC，為各功能模塊供電；按鍵電路輸出5 路離散量至單片機，用于變送器參數設置；LCD 顯示電路通過SPI 總線與單片機通信，用于顯示濁度和溫度等參數；溫度傳感器電路輸出1 路電壓模擬量信號至單片機，用于采樣、計算水樣溫度；濁度傳感器輸出1 路電壓模擬量至單片機，用于計算濁度數值；串口通信電路連接單片機串口和上位機，用于接收上位機控制命令并輸出系統參數；繼電器電路受單片機輸出離散量控制，用于輸出報警離散量信號；電壓/電流轉換電路受單片機內部D/A 轉換器輸出量控制，轉換成4～20mA 恒流源輸出。

圖1 濁度變送器系統組成圖

2.2 硬件開發與實現

2.2.1電源電路

電源電路將系統輸入12V DC 轉換成5V DC 和3.3V DC，同時12V DC 為模擬電路供電，轉換后的5V DC 為濁度傳感器供電，3.3V DC 為數字電路供電。電源電路采用LM7805 三端穩壓器將12V DC 轉換成5V DC，再使用AZ1117H-3.3 電源芯片將5V DC 轉換成3.3V DC，以滿足整個系統的供電需求。

2.2.2按鍵電路

系統通過5 個按鍵實現控制命令的輸入，5 個按鍵通過5 路離散量接入單片機I/O 口，分別實現“菜單”、“確定”、“取消”、“循環加”和“循環減”的功能。

2.2.3液晶顯示電路

本系統使用的液晶顯示模塊分辨率為256×128，可實現漢字和圖形的顯示，采用4 線制SPI 接口與單片機連接，用于結合按鍵實現人機交互，可顯示濁度值、溫度值、變送電流值和通信狀態等信息。

2.2.4溫度傳感器電路

溫度傳感器電路如圖2 所示，本系統使用NTC10K 熱敏電阻溫度傳感器測量水樣溫度，溫度傳感器與10kΩ 電阻串聯分壓后接入單片機內部A/D 轉換器，NTC10K 測溫范圍-45～85℃，具有防水功能，適合本系統使用。

圖2 溫度傳感器電路

2.2.5濁度傳感器電路

濁度傳感器電路如圖3 所示，TSW-30 濁度傳感器輸出電壓0～5V，經電阻R58、R59 分壓后輸出至濾波器，R49和C9 組成低通濾波器對濁度傳感器輸出電壓模擬量進行濾波，截止頻率為20.8Hz，用于濾除傳感器信號中的工頻干擾和數字電路高頻噪聲，再經電壓跟隨器增加驅動能力后接入單片機內部A/D 采樣。

圖3 濁度傳感器電路

2.2.6串口通信電路

串口通信電路采用TD541S485H 作為RS485 隔離收發器，接收上位機的控制命令，向上位機傳輸濁度和溫度數據，傳輸采用Modbus-RTU 協議。

2.2.7繼電器電路

繼電器電路如圖4 所示，使用三極管Q1 作為開關器件，單片機輸出1 路離散量控制Q1 的工作狀態，輸出高電平時Q1 導通，繼電器線圈通電，外部報警電路接通；輸出低電平時報警電路斷開。

圖4 繼電器電路

2.2.8電壓/電流轉換電路

電壓/電流轉換電路見圖5，該電路將單片機內部D/A輸出的電壓轉換成電流輸出至負載電阻。該電路由運放AR2、三極管Q2、采樣電阻R56 和負載電阻R57 組成，運放AR2、電阻R52～R55 構成差分比例運算電路，使D/A 輸出電壓與R56 兩端電壓一致，從而設定輸出電流值。三極管Q2 構成共射放大電路，集電極電阻R50 用于調整三極管的管壓降，使三極管工作在合適的狀態。

圖5 電壓/電流轉換電路

2.2.9單片機最小系統電路

單片機最小系統電路通過單片機內部A/D 轉換器采集溫度、濁度2 路電壓模擬量；通過內部D/A 轉換器輸出1 路電壓模擬量設置輸出電流；通過1 路UART 與上位機通信；輸出1 路離散量控制繼電器輸出報警信號；通過5路離散量讀取按鍵狀態；通過1 路4 線SPI 控制LCD 顯示濁度、溫度數據。

2.3 軟件開發與實現

濁度變送器軟件流程圖如圖6 所示。系統上電后軟件對系統進行初始化，初始化內容包括配置系統時鐘，初始化定時器、看門狗、串口、A/D 轉換器、D/A 轉換器，配置輸入輸出管腳，初始化系統數據；讀取NTC10K 采樣電路輸出的電壓模擬量并計算出電阻值，通過查表獲取水樣當前溫度值，讀取濁度傳感器采樣電路輸出的電壓模擬量，將當前溫度值和濁度電壓值代入式（1）計算25℃時濁度電壓值，將該電壓值代入式（2）計算補償后實際濁度值；調用按鍵控制子程序，如有按鍵輸入則進入菜單設置畫面；調用串口通信子程序，將濁度值、溫度值發送至上位機，如果收到上位機控制命令則執行相應操作；調用顯示子程序，將濁度值、溫度值和輸出變送電流值顯示在屏幕上，同時將濁度值轉換成4～20mA 電流輸出，結束后開始下一采集周期。

圖6 濁度變送器軟件流程圖

3 系統測試

系統測試水樣取自城區河道水，水質中懸浮物濃度較高。在測試過程中均使用同一次取樣的水樣。為了研究濁度傳感器輸出電壓的溫度特性，測試時在0～80℃水溫范圍內選取9 個測試點，分別讀取9 個測試點對應溫度條件下，傳感器實測電壓值，數值見表1。由表1 可以看出，在相同的濁度條件下，隨著溫度升高采樣電壓呈下降趨勢，經過曲線擬合可以得出溫度對濁度的影響關系見式（1），式（1）中u25℃表示當前溫度條件下的采樣電壓經溫度補償后得到25℃條件下的電壓值，單位V，t 為采樣溫度值，單位℃，ut為溫度t 條件下濁度采樣電壓值，單位V。

表1 不同溫度條件下濁度傳感器實測電壓值

25℃條件下濁度值與傳感器采樣電壓值對應關系見式（2），該公式由TSW-30 傳感器手冊中得出，式（2）中u25℃計算方法見式（1），Tur 為濁度值，單位NTU。

以河道水濁度監測為例，將0～80℃范圍內9 個測試點的采樣溫度和電壓值依次代入式（1），計算出溫度補償后的濁度電壓值，再將該電壓值代入式（2），計算出補償后的濁度值，為對比分析，將未補償的濁度值也計算出來，以上計算所得數據見表2，可以看出未補償時，數據受溫度影響很大，只有在20～30℃范圍內的濁度值有參考價值，經溫度補償后數據趨于穩定，受溫度影響較小。

表2 河道水不同溫度條件下溫度補償和未補償的濁度值對比

4 結論

為了提高水質參數中濁度監測的精度，本文設計了一種帶有溫度補償的濁度變送器，通過NTC10K 熱敏電阻監測待測水樣溫度值，通過采集TSW-30 濁度傳感器輸出電壓獲取待測水樣的濁度電壓值，通過分析相同濁度不同溫度下濁度電壓值與溫度值之間的關系，得出濁度傳感器的溫度特性，進而得出溫度補償公式，對濁度電壓值進行溫度補償后，利用濁度電壓值與濁度值之間的函數關系計算出溫度補償后的濁度值。文中最后通過實驗驗證溫度補償能夠有效抑制溫度對濁度的影響，補償后數據較為穩定。該方法原理簡單，容易操作，可應用于洗衣機、洗碗機等家庭用水污染程度的監測，工業現場用水懸浮物濃度監測，也可用于環境中水源渾濁程度的監測，具有一定的實用價值和推廣價值。